單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在2P柜機(jī)空調(diào)上的研究

殷輝 榮曉明 王宏超 朱標(biāo) 張永良

海信（山東）空調(diào)有限公司 山東青島 266000

1 引言

近年來，空調(diào)行業(yè)不斷地向著小型化發(fā)展，尤其是空調(diào)柜機(jī)。壓縮機(jī)作為空調(diào)器的核心部件，其小型化應(yīng)用越來越迫切。由于單轉(zhuǎn)子特有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在大冷量系統(tǒng)中，對(duì)管路沖擊大，運(yùn)行和停止時(shí)，管路應(yīng)變大，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)[1]，其弊端被限制廣泛應(yīng)用；同時(shí)，柜機(jī)室外機(jī)四通閥管路多為12.0 mm管徑，成本偏高。因此，設(shè)計(jì)一種振動(dòng)抑制控制方式和四通閥管路組合的方案，嘗試解決以上問題。控制方式方面：多種多樣[2-5]?，F(xiàn)提出一種計(jì)算扭矩補(bǔ)償曲線方式，其主要特點(diǎn)是曲線隨著工況進(jìn)行變化，從而可以實(shí)現(xiàn)更精確的控制，取得更好的補(bǔ)償效果。四通閥管路方面：2 P柜機(jī)空調(diào)多使用外徑為12.0 mm四通閥管路及2 P四通閥體，成本較高；設(shè)計(jì)更具成本競(jìng)爭(zhēng)力的外徑為9.53 mm四通閥管路及1.5 P四通閥體進(jìn)行管路應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。為驗(yàn)證上述組合方案下，單轉(zhuǎn)子壓機(jī)在2 P柜機(jī)空調(diào)上應(yīng)用可行性，以壓縮機(jī)吸氣管口和排氣管口處應(yīng)力值作為衡量指標(biāo)，從如下方面進(jìn)行研究：在不同環(huán)境工況下（常規(guī)制冷工況、常規(guī)制熱工況、大負(fù)載制冷工況、大負(fù)載制熱工況），對(duì)室外機(jī)運(yùn)行過程中吸氣管口和排氣管口進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試；在不同環(huán)境工況下（常規(guī)制冷工況、常規(guī)制熱工況），設(shè)定不同頻率下關(guān)機(jī)，對(duì)關(guān)機(jī)過程中吸氣管口和排氣管口進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。所有應(yīng)力值為實(shí)驗(yàn)測(cè)試最大值，并與極限值進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明應(yīng)用可行，為單轉(zhuǎn)子壓機(jī)在柜機(jī)空調(diào)上應(yīng)用提供一種參考方法。

2 控制方式簡(jiǎn)述

學(xué)者紀(jì)歷[6]、王宗良[7]對(duì)電機(jī)控制進(jìn)行了相關(guān)研究，在控制原理基礎(chǔ)上，本文提出一種力矩曲線計(jì)算控制方式，根據(jù)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的力矩模型以及壓縮機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩模型，計(jì)算扭矩補(bǔ)償電流，前饋到q軸Iref進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[8]?？刂品绞饺鐖D1所示。前期已經(jīng)對(duì)該控制方案相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究，本階段主要通過該控制方案和相關(guān)管路組合設(shè)計(jì)，以管路應(yīng)力特性為指標(biāo)，研究單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在2 P柜機(jī)空調(diào)應(yīng)用可行性。

圖1 自適應(yīng)振動(dòng)抑制控制方式圖

3 四通閥管路設(shè)計(jì)

四通閥管路對(duì)單轉(zhuǎn)子壓機(jī)能否應(yīng)用于2 P機(jī)上起到關(guān)鍵作用，借助仿真軟件選定四通閥管路方案。設(shè)計(jì)了2種四通閥管路方案（吸氣管管徑、冷凝管管徑、蒸發(fā)管管徑全部為9.53 mm，四通閥體為1.5 P小四通閥體），兩者區(qū)別在于吸氣管形狀不同。為快速確定較優(yōu)方案，通過三維建模軟件建模，然后進(jìn)行管路模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，最終選擇較優(yōu)的四通閥管路方案，與控制方式一起作為組合方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。四通閥管路方案1和方案2如圖2所示。

圖2 四通閥管路方案

通過ANSYS Workbench軟件對(duì)以上兩種方案模擬分析，模擬管路受壓機(jī)激勵(lì)時(shí)的應(yīng)力問題，固定約束吸排氣口等，如圖3所示，在回氣排氣管位置各加載1 N的力模擬壓機(jī)對(duì)管路的激勵(lì)，結(jié)果如圖4。

圖3 吸排氣管模擬受力示意圖

由圖4模擬結(jié)果可以看出，方案2排氣彎在65 Hz附近應(yīng)力值很大，方案1整體表現(xiàn)優(yōu)于方案2，因此，選取管路方案1進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)測(cè)試。同時(shí)，還可以看出，50～70 Hz區(qū)間，應(yīng)力值普遍偏高，說明此方案管路固有頻率大多集中在此頻率段，需要重點(diǎn)關(guān)注此頻率段應(yīng)力測(cè)試情況。

圖4 兩種管路方案受力模擬對(duì)比

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1.1 運(yùn)行測(cè)試

（1）制冷工況下，研究不同頻率下（16～84 Hz，每隔2 Hz）吸氣管口和排氣管口應(yīng)力變化情況；

（2）制熱工況下，研究不同頻率下（20～102 Hz，每隔2 Hz）吸氣管口和排氣管口應(yīng)力變化情況；

（3）制冷大負(fù)載工況，研究壓機(jī)自由運(yùn)行過程中吸氣管口和排氣管口應(yīng)力變化情況；

（4）制熱大負(fù)載工況，研究壓機(jī)自由運(yùn)行過程中吸氣管口和排氣管口應(yīng)力變化情況。

4.1.2 停止測(cè)試

（1）制冷工況下，設(shè)定不同頻率（20～70 Hz，每隔10 Hz），關(guān)機(jī)，研究不同頻率關(guān)機(jī)下吸氣管口和排氣管口應(yīng)力變化情況；

（2）制熱工況下，設(shè)定不同頻率（20～100 Hz，每隔10 Hz），關(guān)機(jī)，研究不同頻率關(guān)機(jī)下吸氣管口和排氣管口應(yīng)力變化情況。

注：制冷工況（室內(nèi)27℃/室外35℃）、制熱工況（室內(nèi)20℃/室外2℃）、制冷大負(fù)載工況（室內(nèi)34℃/室外45℃）、制熱大負(fù)載工況（室內(nèi)27℃/室外24℃）。

4.2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及應(yīng)力測(cè)點(diǎn)描述

吸氣焊點(diǎn)、吸氣彎、排氣焊點(diǎn)、排氣彎四處應(yīng)力測(cè)點(diǎn)示意圖和應(yīng)力測(cè)點(diǎn)實(shí)物圖見圖5，實(shí)驗(yàn)用單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖6。

圖5 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)示意圖及實(shí)物圖

圖6 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

4.3 應(yīng)力極限值簡(jiǎn)述

（1）運(yùn)行：空調(diào)室外機(jī)管路應(yīng)用可行性，主要取決于壓縮機(jī)吸氣口和排氣口處管路應(yīng)力值表現(xiàn)，在壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的抖動(dòng)下，此處管路最易發(fā)生應(yīng)力疲勞損傷，本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)力極限值取13 MPa。

（2）停止：極限值選取50 MPa。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從圖7可以看出，所有應(yīng)力測(cè)點(diǎn)值均低于極限值，50～70 Hz頻率區(qū)間，應(yīng)力值普遍偏高；從圖8可以看出，制熱工況，整體表現(xiàn)的趨勢(shì)與制冷工況相對(duì)一致。表明低頻40 Hz下，振動(dòng)得到很好的抑制，50～70 Hz頻率區(qū)間，應(yīng)力值偏高，與模擬結(jié)果吻合，說明此現(xiàn)象與管路模態(tài)強(qiáng)相關(guān)，后續(xù)可以根據(jù)模擬仿真，繼續(xù)優(yōu)化管路設(shè)計(jì)，或者在上述管路上增加配重，解決該頻率段應(yīng)力值偏高問題。

圖7 制冷工況不同頻率下排氣和吸氣測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力

圖8 制熱工況不同頻率下排氣和吸氣測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力

從圖9可以看出，制冷工況下不同頻率點(diǎn)停機(jī)后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)的應(yīng)力也不相同，排氣焊點(diǎn)和吸氣彎分別在60 Hz及70 Hz表現(xiàn)最差，但測(cè)試值與極限值相比，余量空間較大。從圖10看出，制熱工況下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試應(yīng)力值遠(yuǎn)低于極限值，其中，50 Hz應(yīng)力值表現(xiàn)最差；以上同樣表明，低頻40 Hz下，振動(dòng)效果很好，應(yīng)力值表現(xiàn)較差的頻率，與管路模態(tài)強(qiáng)相關(guān)，優(yōu)化方法可同上。

圖9 制冷工況不同頻率下壓機(jī)停機(jī)排氣和吸氣測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力

圖10 制熱工況不同頻率下壓機(jī)停機(jī)排氣和吸氣測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力