轨道车辆空调涡旋压缩机噪声及改善试验研究

凡沁 相玲玲 李文华 李世华 张婷 麦嘉伟

摘要：通过PWM控制理论和涡旋压缩机噪声产生的原因分析变频器载波频率对压缩机噪声的影响，再通过试验研究验证了载波频率对压缩机的噪声的影响。通过调节通用变频器和专用变频器载波频率，对全封闭直流变频涡旋压缩机的噪声进行测试。试验结果发现，适当提高载波频率可以改善压缩机的噪音，且选择适当的载波频率对压缩机的纯音也有改善。

关键词：直流变频 涡旋压缩机 噪声 载波频率 试验研究

Experimental Study on Noise and Improvement of Scroll Compressor for Rail Vehicle Air Conditioning

FAN Qin1  XIANG Lingling1  LI Wenhua 2  LI Shihua2  ZHANG Ting2 MAI Jiawei1

（1.Guangzhou Wanbao Group Compressor Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong Province， 510470 China; 2.Shijiazhuang King Transportation Equipment Co.， Ltd.， Shijiazhuang， Hebei Province， 050035 China）

Abstract： Through PWM control theory and the causes of scroll compressor noise， the influence of frequency converter carrier frequency on compressor noise is analyzed， and then the influence of carrier frequency on compressor noise is verified by experimental research. By adjusting the carrier frequency of general frequency converter and special frequency converter， the noise of fully enclosed DC variable frequency scroll compressor is tested. It is found that the noise of compressor can be improved by increasing carrier frequency appropriately， and the pure tone of compressor can also be improved by selecting appropriate carrier frequency.

Key Words： DC inverter; Scroll compressor; Noise; Carrier frequency; Experimental study

我国涡旋压缩机的研发开始于1986年，经过30余年的努力，已形成了比较成熟的涡旋压缩机设计和制造技术，相继推出了全封闭与半封闭涡旋压缩机产品，广泛应用于家用、商用和车用制冷设备中，近年来在新能源汽车上也得到了广泛的应用[1]。 变频涡旋压缩机主要有交流变频和直流变频两种，分别采用交流异步电机和永磁同步电机。直流电机与交流电机相比，可提高压缩机的电机效率和频率調节范围[2]。

对于永磁同步电机的控制通常采用电压调节进行，主要采用PWM脉宽调制技术，通过改变PWM的占空比，达到控制输出电压的目的，从而调节永磁同步电机的转速[3]。理想的变频器输出电压波形是纯粹的正弦波形，但是目前的技术还无法实现。永磁同步电机调制频率通常设置为1kHz到30kHz之间，载波频率越高，谐波越少，变频器输出的波形越接近于正弦波。压缩机的性能会有一定的提升，但是变频器的功率器件发热会增加，因此选择合适的载波频率显得尤为重要。

1 涡旋压缩机的噪声

涡旋压缩机的噪声包括机械噪声、电磁噪声、流体噪声等。机械噪声主要由于动盘的静平衡、机构部的动平衡不平衡量过大或者是由于滑动摩擦以及零部件碰撞引起，然后由曲轴、轴承、管壳向空间传播;电磁噪声主要由于磁场磁通波及电磁不平衡引起，并通过定子、管壳向空间传播;流体噪声主要由于气流脉动、制冷剂和润滑油的射流和气穴引起，并通过管壳向空间传播[3]。

压缩机电机的噪声主要可以有两大类，第一类是流体噪声，第二类是结构噪声。流体噪声是指电机的运动部件所引起的流体内部运动与运动部件相互作用所产生的噪声。结构噪声是指因为电机的结构，与压缩机的管壳、机构部等相互作用所引起的噪声[4]。内置式永磁同步电机的径向电磁力中，由定子、转子的谐波共同作用产生的谐波电磁力对电磁振动和噪声的影响最为明显[5]。

2 变频器的载波频率

信号的加载是指在信号传输时，将信号和另一个频率的波叠加相互作用。这个频率的波是一个固定值，也称作载波频率。调制的过程也就是把一个较低的信号频率调制到一个相对较高的频率上去，这个较高的频率就是载波频率。

变频器大多采用PWM调制的形式进行调节，变频器以脉冲的形式输出电压。脉冲的宽度和时间间隔取决于载波频率。载波频率越高，一个周期内的脉冲的个数就越多，电流的波形越接近于正弦波。载波频率如果设置太低，电机的噪音就会越大[6]。

载波频率对电机噪音有影响主要是由于变频器输出的电压、电流中含有一定分量的高次谐波，使得电动机气隙的高次谐波磁通增加，噪音增大。其特征为：（1）变频器输出的高次谐波与转子的固有频率产生谐振，使转子固有频率附近的噪音增大;（2）变频器输出的高次谐波与机构部、定子铁心、管壳等的固有频率产生谐振，在固有频率附近的噪音增大。

3 涡旋压缩机的噪声测试数据及分析

使用非正弦驱动时，电机高频噪声增加且噪声频率为载波频率及其倍数[7]。选用一台吸气容积为72cc/rev的全封闭直流变频涡旋压缩机，通过调节不同的载波频率，对压缩机的噪声进行测试，测试工况如表1所示。

试验设备及工具：空调压缩机噪声试验台（见图1）、转速仪、示波器。

噪声测试方法：采用JB/T 4330-1999的附录C作为压缩机A计权声压级水平的测试方法。

测试环境：半消音室（见图2）。

3.1方案一：安川CIMR-AB4A0044FBA变频器

该变频器属于通用类变频器，载波频率可调值为2/5/8/10/12.5/15kHz。

试验结果如图3和表2所示。

试验结果分析：（1）随着载波频率的提高，压缩机的噪声平均值有下降趋势;（2）在载波频率为2kHz和8kHz时，噪声在2000Hz和8000Hz频段出现明显加强效果，此处可能是与压缩机的固有频率发生谐振引起;（3）降低载波频率，对噪音改善无效。

3.2方案二：日立WJ200变频器

改变频器属于专用变频器，载波频率在2～15kHz可调，分度值0.1kHz。由于前面的试验结果已经发现提高载波频率可以降低噪声，因此接下来的试验载波频率从8kHz开始调节，以0.5kHz为阶梯，目的是找出此款压缩机的最佳载波频率。

试验结果如图4和表3所示。

试验结果分析：（1）使用专用变频器的试验结果同样显示，随着载波频率的提高，压缩机的噪声平均值有下降趋势;（2）载波频率为8kHz和8.5kHz时，噪声在8000Hz频段加强效果明显，可能是谐振引起的;（3）载波频率在9kHz以上时，噪声平均值下降幅度减小。

4 结语

由试验结果可以看出，无论是通用变频器还是专用变频器，适当提高载波频率，都可以改善压缩机的噪声;噪声频率与载波频率有直接对应关系，压缩机的载波频率要避开固有频率;选择载波频率时不仅要考虑到噪声平均值，还应选择纯音较小的，此试验中，使用日立变频器且载波频率设置为9kHz时，压缩机的纯音最小，应为最佳载波频率;载波频率过大时变频器自身损耗加大，IGBT温度上升，因此在选择载波频率时，还应充分考虑变频器发热问题。

参考文献

[1] 吴业正，李红旗，张华.制冷压缩机.[M].3版.北京：机械工业出版社，2017.

[2]李敏霞，王派，马一太，等.转子压缩机与涡旋压缩机的对比与发展[J].制冷学报，2019，185（1）：22-28，78.

[3]刘佳敏，葛召炎，吴轩，等.基于占空比调制的永磁同步电机预测电流控制[J].中国电机工程學报，2020，645（10）：3319-3328.

[4]兰华.永磁同步电机的电磁力波与电磁振动研究.[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[5]杜晋文.乘用车用内置式永磁同步电机电磁振动与噪声特性的研究.[D].北京：北京交通大学，2020.

[6]庞瀚文.基于数字PWM的开关磁阻电机振动噪声抑制.[D].大连：大连理工大学，2019.

[7]张亮，宫佐，单聪.非正弦驱动对电机噪声影响及优化[J].微电机，2020，53（5）：11-14.

中图分类号：U463 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-8286

作者简介：凡沁（1989—），女，本科，工程师，研究方向为涡旋压缩机。