直流变频冰箱用永磁无刷压缩机电机 [资料]

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1楼

发表于 2002-9-9 14:43 |只看该作者 |正序浏览

直流变频冰箱用永磁无刷压缩机电机
林德芳教授

　　电冰箱的制冷系统是由压缩机、冷凝器、毛细管节流器和蒸发器等部件组成的。蒸汽压缩式制冷方式有压缩、冷凝、节流、蒸发等四个过程，并形成循环。基本的工作原理是，压缩机将气态的制冷剂（氟里昂）吸入汽缸内，并被压缩成高温高压的蒸汽排至冷凝器，经冷凝器散热后变成液态制冷剂，再经毛细管节流器降压后，进入蒸发器。液态制冷剂在蒸发器内形成低压低温的蒸气，同时大量吸热，从而达到制冷效果。经蒸发器的气态制冷剂又被压缩机抽走，并压缩，从而进入另一个循环。由此可见，密封式制冷压缩机是制冷系统的心脏，是关键部件和动力源，只有压缩机起动后，制冷剂（氟里昂）才能在制冷系统的管路内循环流动，完成循环制冷的过程。压缩机中活塞式压缩泵和电动机同轴，并密封在同一个机壳内，称为封闭式制冷压缩机。

　　我公司的冰箱压缩机同轴耦合的驱动电机采用永磁无刷直流电动机（BDCM），它与目前国内外广泛采用的单相异步电动机驱动的压缩机比较，有明显的技术优势。

1、起动转矩大，运行平稳可靠。

　　冰箱活塞式制冷压缩机电动机的负载是压缩泵，故电动机负载转矩是周期性变化的，负载的最大转矩是在压缩泵的活塞压缩气体运动到终端产生的，负载最大转矩远大于平均转矩，这就要求电动机有足够的起动转矩。因为电动机在起动时没有平衡块产生的飞轮惯量，必须靠自身的输出转矩来克服压缩泵的最大转矩，而目前国内外普遍采用的冰箱压缩机电机是单相异步电动机（IM），该类电机尽管采用多种起动方法，如电阻分相起动、电容起动、电容起动与电容运转来增加起动转矩，但起动转矩还是不够理想。电阻起动电机起动电流大，其容量上限受电网的限制。此外，对不少压缩机用的IM进行分析、测试，发现电机气隙磁场中谐波磁场成份多，次数低，幅值大，这将产生不可忽略的附加转矩、附加损耗、振动和噪音，导致IM起动困难，效率降低，温升增加，振动和噪音加大。

　　本压缩机采用BDCM，定子有三相绕组，转子磁极采用永久磁钢励磁，无须励磁线圈，节能，不发热，采用增加磁极极弧系数（即加大磁极极弧面）、轴向聚磁和转子整体充磁等措施来大幅度提高电机的气隙磁通密度来增加出力，其起动转矩可达到额定转矩的3-5倍，因此BDCM起动转矩远大于传统的IM，保证压缩机快速起动，平稳运行。

2、快速制冷

　　压缩机用IM，极数一般为2极，同步转速为3000r/min，额定转速为2800r/min，压缩机用BDCM的最高转速与极数无关，根据需要可设计成3000r/min或更高，通过直流变频可方便地进行无级调速，其初始的快速制冷能力是定速压缩机（50Hz）的3倍左右，故制冷速率比采用IM的定速冰箱快2倍。

3、实现软起动，无电网冲击，无干扰。

　　目前冰箱制冷有两种方式：（1）采用定速压缩机（恒频50Hz，IM驱动），在全压下起动，起动电流很大，是额定工作电流的4-6倍，对家庭电网电路产生很大压降，很大冲击，对家用电器有严重干扰。（2）采用交流变频压缩机（50Hz-120Hz或150Hz变频，IM驱动），也只能在两段频率之间变频变速，稳定性能较差。本压缩机采用直流变频，BDCM驱动，可在很低电压条件下起动，因而可在起动电流很小的情况下获得足够的起动转矩，实现软起动，避免对供电电网产生冲击和对家用电器、计算机等引起干扰，减少电流冲击，延长压缩机、电机寿命。

4、高效节能，提高能源效率（COP）

　　采用本压缩机用BDCM的直流变频，首先可实现快速制冷，使压缩机高速运转而快速产生大冷量，使冰箱很短时间内即达到设定制冷温度，然后以较低速度工作，产生少量维持的冷量，避免压缩机频繁起动造成电力浪费，从而减少停机压力损失，使压缩机提供的制冷量与负载大小相适应，并处于低速、低压比情况条件下运转。即"快速制冷，可变制冷，低速维持"，避免频繁起动，提高温度稳定性。采用本压缩机用BDCM的直流变频冰箱比一般定速冰箱省电30-40%，定速冰箱在运转率为50%时，开-停运转方式，其效率降低约15%。

　　此外，由于直流变频冰箱用BDCM在绝大部分时间里处于低速低负荷运行，与压缩机容量相比，进一步提高了热交换器的容量比率，由于处在低压比状态下运转，大幅度提高了压缩机的机械效率、压缩效率、容积效率，降低了功耗提高了能源效率（COP）。

5、提高温控精度。

　　冰箱的制冷量与压缩机电机的转速直接相关，目前的定速冰箱靠开-停（起动-停止）方式温控，温控精度为±3℃，用本BDCM的直流变频冰箱，几乎可达到极限温控精度±0.2℃以内，最大限度地使食物保持湿度、保持新鲜。

6、提高系统功率因素，改善电网品质

　　冰箱压缩机用IM功率通常为65-140W，采用电阻分相起动或电容起动方式，其功率因素COSф很低，在0.6-0.65之间，不利电网，采用本BDCM的直流变频冰箱，系统功率因素可大于92%，如直流变频采用脉冲幅度调制方式（PAM-Pulse Amplitude Modulation），其功率因素COSф可高达99%，大大改善电网侧的功率因素，改善了电网品质。

7、降低噪音

　　采用BDCM的直流变频冰箱，由于具有"高速制冷，低速维持"，避免频繁起动，不但使用电大户的压缩机节能达30-40%，并可大幅度降低噪音，噪音可降低近10dB。上述分析可知，为了提高现代冰箱的综合性能，必须对压缩机电机进行调速控制，运行节能模式，提高冰箱制冷系统的心脏--压缩机的工作效率，省电、降噪。最近压缩机采用IM的交流变频冰箱已有问世，但要全方位提高现代冰箱的综合技术性能，必须开发直流变频冰箱，这一情况只有采用BDCM驱动的压缩机才能实现。按照该技术，我们已开发出额定功率为120W、160W，额定转速为3000r/min，直流变频冰箱用BDCM压缩机电机，经综合测试，在供电电压170-245V波动时，仍能输出额定功率，起动转矩为额定转矩3倍，无论电机效率、能源效率（COP）均获得大幅度提高。

　　以下对采用我公司BDCM的直流变频与采用IM的交流变频进行性能分析比较。

　　直流变频是通过220V交流电压经交直流转换器变成直流。大功率模块组成的逆变器实现"换相"，把直流电压转换成三相交流电的脉冲电压信号，从而控制BDCM各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式的旋转磁场。直流变频电路原理是逆变器由六个功率开关管组成三相桥式电路，分别接到压缩机中BDCM定子的三相绕组（U.V.W）。

　　交流变频中逆变器的负载为压缩机中的IM，逆变器的输出电压方式通常采用不等宽度的脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）方式，而直流变频中逆变器的负载为压缩机中的BDCM，其输出电压方式通常采用等宽度PWM调制方式。

　　由于直流变频冰箱压缩机采用BDCM，其转子为永久磁钢励磁，无须励磁绕组，无需外部供电，减少了损耗，提高了效率，同时,因为直流变频可随外界负载的大小来调节转速，使压缩机提供的制冷量与负载大小相当，在原理和实际应用上比负载变化时压缩机开停的交流变频，大幅度减少了停机压力损失，并使冰箱在多数时间里，处于低速、低压比情况下运转，能源效率COP显著提高，电网功率因素也得到改善。

　　此外，采用不等宽PWM调制方式的交流变频，输出电压能力明显不如采用等宽度PWM调制方式的直流变频，前者使压缩机的最高转速受到限制。