变频压缩机停机减振核心技术研究

2020-06-05张海鹏潘毅广孙敬龙丁龙辉李秀军

家电科技 2020年3期

张海鹏潘毅广孙敬龙丁龙辉李秀军

海信（山东）冰箱有限公司山东青岛 266000

1 引言

冰箱作为家用产品，其噪音直接影响用户的舒适感，是冰箱品质的重要评价指标。目前制冷行业内都是根据国标对冰箱等家用电器进行噪音标称，虽然可以保证噪音测试的稳定性，但忽略了用户真实的噪音感知，声音信号的突变和毛刺才是用户对噪音的真正感知，而这恰恰是我们未关注的。往复式压缩机结构简单，工艺性好，被广泛应用于冰箱等制冷领域[1]，往复式压缩机曲柄滑块结构，即通过电机驱动曲轴旋转，连杆摆动带动活塞运动，实现曲轴的旋转运动变为活塞的直线运动，这种结构必然会使压缩机曲轴的运转处于非平衡状态，产生很大的振动噪音，为解决此问题都会在曲轴上安装平衡块，平衡压缩机芯的动平衡，而压缩机停机瞬间机芯则处于非平衡状态，会使压缩机机芯产生很大的抖动，甚至导致机芯与外壳撞击，带来较大的噪音[2]。通过研究压缩机停机噪音产生机理，提出停机噪音控制策略，减小压缩机停机瞬间噪音的抖动度，提升压缩机运行声音信号的稳定性，进而提升人耳对冰箱声音感知的愉悦度。

2 现有技术分析

目前冰箱行业内多采用往复式压缩机进行制冷，压缩机的启、停都是根据间室温度进行控制。当冰箱间室温度（冰箱间室内安装有温度传感器，可以实时监测间室内的温度）小于或等于冰箱间室设置温度（触控显示屏上）时，主控板发出停机信号，压缩机立即停机。压缩机工作转速往往通过环境温度进行确定，一般情况下环境温度越高压缩机转速越大。这就意味着，炎热的夏季压缩机多数会运行在高转速，如果达到停机条件，压缩机会以高转速停机，由于机芯停机瞬间的非平衡状态，就会带来异常的噪音波动，影响用户体验[3]。

3 减振技术研究

3.1 降噪原理

压缩机接到停机信号，压缩机在失去驱动力的情况下，工作转速在短时间内降为零，由于转动惯性的存在，机芯具有一定的冲击能量。

假设压缩机机芯为沿中轴转动的质量连续分布的刚体，其转动惯量（即转动惯性的量度）：

其中，dm为质量元，对质量线性分布的刚体：dm=λdL，λ为质量线密度；对质量面分布的刚体：dm=σdS，σ为质量面密度；对质量体分布的刚体：dm=ρdV，ρ为质量体密度；所以转动惯量的大小取决于刚体的质量形状和转轴的位置。

刚体定轴转动的角动量（其中为刚体转动的角速度）：

刚体的角动量定理：

微分形式：

由角动量定理可知，角动量增量越大，力矩冲量也越大，即压缩机高转速停机比低转速停机机芯力矩冲量大，为减小停机瞬间机芯的力矩冲量可以控制压缩机降低转速停机，从而达到减小停机瞬间噪音波动的效果[5]。

3.2 降噪方案设计

通过对压缩机停机瞬间力矩冲量的分析，可以采用停机前降低转速，来降低机芯的力矩冲量。冰箱工作周期压缩机转速变化如图1所示，压缩机转速控制原理如图2所示。冰箱间室温度达到开机点，压缩机启动，根据环境温度判断压缩机“目标转速N1”，压缩机以“目标转速N1”运行预设时间t0或通过设定间室温度与设定温度差值小于设定阈值ΔT1，压缩机转速降至“二级转速N2”，压缩机以“二级转速N2”运行预设时间t0或通过设定间室温度与设定温度差值小于设定阈值ΔT2，压缩机转速降至“三级转速N3”，压缩机以“三级转速N3”运行，当间室温度到达停机温度时，压缩机以现运行转速（三级转速N3）停机；其中N1＞N2＞N3。

图1 冰箱工作周期压缩机转速变化曲线

图2 压缩机转速控制规则

以上控制虽然保证压缩机停机瞬间处于较低转速，可以有效减小停机瞬间机芯的冲量，从而减小压缩机停机瞬间的振动噪音，但整个工作过程中转速变化频繁，容易引起用户对声音的感知；压缩机转速在工作过程中不断减小，间室温度需要更长时间才能达到停机温度，增加了制冷时间，同时降温速度也相对减慢，不利于食材的保鲜[6]。

3.3 降噪方案优化

图3 优化方案压缩机控制规则

图4 低噪停机模式控制流程

表1 实验组对应控制方式

表2 压缩机不同低噪停机模式测试振动值

为了保证用户体验及快速制冷的要求，对压缩机转速控制进行优化，如图3所示，冰箱间室温度达到开机点，压缩机启动，根据环境温度判断压缩机“目标转速N1”，压缩机以“目标转速N1”运行直至间室温度达到停机温度，压缩机接收停机信号，进入低噪停机模式。

压缩机低噪停机模式制控流程如图4所示，压缩机由“目标转速N1”快速降至“缓冲转速Nc”，在“缓冲转速Nc”维持预设时间t后用相对较慢的速度降至压缩机允许的最低转速N0（压缩机能达到并且不产生共振的最低转速），维持预设时间t后停机。

以海信某一对开门冰箱低噪停机模式压缩机转速控制进行说明。通过对变频压缩机转速变化规律分析可知，压缩机转速快速通过共振带有利于噪音的控制，压缩机转速控制信号发出后压缩机实际转速滞后于控制信号（控制信号发出压缩机转速调节需一定的反应时间），所以如表1所示，设计不同的低噪停机模式方案进行测试分析，停机瞬间振动值如表2所示。

如图5所示通过对压缩机停机瞬间的振动值对比可以看出，3-2#的控制方法最优，如图6所示为最优控制方法压缩机的转速变化曲线，压缩机转速由“目标转速N1”以240r/s的速度降至2400r，在该转速维持3s，以120r/s降至1600r，维持3s后停机，此种方案引起的停机瞬间振动更小。

通过上述实验结果分析：

（1）压缩机转速在1200r～1500r停机振动较大，如图7所示，通过如图8的扫频数据可以看出1200r～1500r有多处共振带，1600r为压缩机允许的最低转速；

（2）压缩机由目标转速快速降至缓冲转速（2400r），转速快速通过共振带，避免产生共振；

（3）压缩机在缓冲转速（2400r）维持预设时间（3s），以相对较慢的速度（120r/s）降至压缩机允许的最低转速（1600r），维持预设时间（3s）后停机，可以有效减小机械部件迟滞于控制信号，使停机前转速稳定在允许的最低转速。

4 结论

通过在对开门产品上进行验证，可以看出压缩机停机时进入低噪停机模式，压缩机由“目标转速”快速降至“缓冲转速”，在“缓冲转速”维持预设时间后用相对较慢的速度降至压缩机允许的最低转速，维持预设时间后停机；可以有效降低振动噪音值，减小噪音波动，如图9。本次验证缓冲转速仅有一级，针对机芯较重、压缩机曲轴平衡性较差、机芯与压缩机壳体间隙较小以及制冷系统压力过大的情况，缓冲转速可以设计多级，以便压缩机可以稳定在允许的最低转速进行停机。