變頻壓縮機(jī)停機(jī)減振核心技術(shù)研究

張海鵬 潘毅廣 孫敬龍 丁龍輝 李秀軍

海信（山東）冰箱有限公司 山東青島 266000

1 引言

冰箱作為家用產(chǎn)品，其噪音直接影響用戶的舒適感，是冰箱品質(zhì)的重要評價指標(biāo)。目前制冷行業(yè)內(nèi)都是根據(jù)國標(biāo)對冰箱等家用電器進(jìn)行噪音標(biāo)稱，雖然可以保證噪音測試的穩(wěn)定性，但忽略了用戶真實的噪音感知，聲音信號的突變和毛刺才是用戶對噪音的真正感知，而這恰恰是我們未關(guān)注的。往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，被廣泛應(yīng)用于冰箱等制冷領(lǐng)域[1]，往復(fù)式壓縮機(jī)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，即通過電機(jī)驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)，連桿擺動帶動活塞運動，實現(xiàn)曲軸的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榛钊闹本€運動，這種結(jié)構(gòu)必然會使壓縮機(jī)曲軸的運轉(zhuǎn)處于非平衡狀態(tài)，產(chǎn)生很大的振動噪音，為解決此問題都會在曲軸上安裝平衡塊，平衡壓縮機(jī)芯的動平衡，而壓縮機(jī)停機(jī)瞬間機(jī)芯則處于非平衡狀態(tài)，會使壓縮機(jī)機(jī)芯產(chǎn)生很大的抖動，甚至導(dǎo)致機(jī)芯與外殼撞擊，帶來較大的噪音[2]。通過研究壓縮機(jī)停機(jī)噪音產(chǎn)生機(jī)理，提出停機(jī)噪音控制策略，減小壓縮機(jī)停機(jī)瞬間噪音的抖動度，提升壓縮機(jī)運行聲音信號的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升人耳對冰箱聲音感知的愉悅度。

2 現(xiàn)有技術(shù)分析

目前冰箱行業(yè)內(nèi)多采用往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行制冷，壓縮機(jī)的啟、停都是根據(jù)間室溫度進(jìn)行控制。當(dāng)冰箱間室溫度（冰箱間室內(nèi)安裝有溫度傳感器，可以實時監(jiān)測間室內(nèi)的溫度）小于或等于冰箱間室設(shè)置溫度（觸控顯示屏上）時，主控板發(fā)出停機(jī)信號，壓縮機(jī)立即停機(jī)。壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速往往通過環(huán)境溫度進(jìn)行確定，一般情況下環(huán)境溫度越高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越大。這就意味著，炎熱的夏季壓縮機(jī)多數(shù)會運行在高轉(zhuǎn)速，如果達(dá)到停機(jī)條件，壓縮機(jī)會以高轉(zhuǎn)速停機(jī)，由于機(jī)芯停機(jī)瞬間的非平衡狀態(tài)，就會帶來異常的噪音波動，影響用戶體驗[3]。

3 減振技術(shù)研究

3.1 降噪原理

壓縮機(jī)接到停機(jī)信號，壓縮機(jī)在失去驅(qū)動力的情況下，工作轉(zhuǎn)速在短時間內(nèi)降為零，由于轉(zhuǎn)動慣性的存在，機(jī)芯具有一定的沖擊能量。

假設(shè)壓縮機(jī)機(jī)芯為沿中軸轉(zhuǎn)動的質(zhì)量連續(xù)分布的剛體，其轉(zhuǎn)動慣量（即轉(zhuǎn)動慣性的量度）：

其中，dm為質(zhì)量元，對質(zhì)量線性分布的剛體：dm=λdL，λ為質(zhì)量線密度；對質(zhì)量面分布的剛體：dm=σdS，σ為質(zhì)量面密度；對質(zhì)量體分布的剛體：dm=ρdV，ρ為質(zhì)量體密度；所以轉(zhuǎn)動慣量的大小取決于剛體的質(zhì)量形狀和轉(zhuǎn)軸的位置。

剛體定軸轉(zhuǎn)動的角動量（其中 為剛體轉(zhuǎn)動的角速度）：

剛體的角動量定理：

微分形式：

由角動量定理可知，角動量增量越大，力矩沖量也越大，即壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速停機(jī)比低轉(zhuǎn)速停機(jī)機(jī)芯力矩沖量大，為減小停機(jī)瞬間機(jī)芯的力矩沖量可以控制壓縮機(jī)降低轉(zhuǎn)速停機(jī)，從而達(dá)到減小停機(jī)瞬間噪音波動的效果[5]。

3.2 降噪方案設(shè)計

通過對壓縮機(jī)停機(jī)瞬間力矩沖量的分析，可以采用停機(jī)前降低轉(zhuǎn)速，來降低機(jī)芯的力矩沖量。冰箱工作周期壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖1所示，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理如圖2所示。冰箱間室溫度達(dá)到開機(jī)點，壓縮機(jī)啟動，根據(jù)環(huán)境溫度判斷壓縮機(jī)“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”，壓縮機(jī)以“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”運行預(yù)設(shè)時間t0或通過設(shè)定間室溫度與設(shè)定溫度差值小于設(shè)定閾值ΔT1，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降至“二級轉(zhuǎn)速N2”，壓縮機(jī)以“二級轉(zhuǎn)速N2”運行預(yù)設(shè)時間t0或通過設(shè)定間室溫度與設(shè)定溫度差值小于設(shè)定閾值ΔT2，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降至“三級轉(zhuǎn)速N3”，壓縮機(jī)以“三級轉(zhuǎn)速N3”運行，當(dāng)間室溫度到達(dá)停機(jī)溫度時，壓縮機(jī)以現(xiàn)運行轉(zhuǎn)速（三級轉(zhuǎn)速N3）停機(jī)；其中N1＞N2＞N3。

圖1 冰箱工作周期壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖2 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)則

以上控制雖然保證壓縮機(jī)停機(jī)瞬間處于較低轉(zhuǎn)速，可以有效減小停機(jī)瞬間機(jī)芯的沖量，從而減小壓縮機(jī)停機(jī)瞬間的振動噪音，但整個工作過程中轉(zhuǎn)速變化頻繁，容易引起用戶對聲音的感知；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在工作過程中不斷減小，間室溫度需要更長時間才能達(dá)到停機(jī)溫度，增加了制冷時間，同時降溫速度也相對減慢，不利于食材的保鮮[6]。

3.3 降噪方案優(yōu)化

圖3 優(yōu)化方案壓縮機(jī)控制規(guī)則

圖4 低噪停機(jī)模式控制流程

表1 實驗組對應(yīng)控制方式

表2 壓縮機(jī)不同低噪停機(jī)模式測試振動值

為了保證用戶體驗及快速制冷的要求，對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示，冰箱間室溫度達(dá)到開機(jī)點，壓縮機(jī)啟動，根據(jù)環(huán)境溫度判斷壓縮機(jī)“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”，壓縮機(jī)以“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”運行直至間室溫度達(dá)到停機(jī)溫度，壓縮機(jī)接收停機(jī)信號，進(jìn)入低噪停機(jī)模式。

壓縮機(jī)低噪停機(jī)模式制控流程如圖4所示，壓縮機(jī)由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”快速降至“緩沖轉(zhuǎn)速Nc”，在“緩沖轉(zhuǎn)速Nc”維持預(yù)設(shè)時間t后用相對較慢的速度降至壓縮機(jī)允許的最低轉(zhuǎn)速N0（壓縮機(jī)能達(dá)到并且不產(chǎn)生共振的最低轉(zhuǎn)速），維持預(yù)設(shè)時間t后停機(jī)。

以海信某一對開門冰箱低噪停機(jī)模式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行說明。通過對變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律分析可知，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速快速通過共振帶有利于噪音的控制，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號發(fā)出后壓縮機(jī)實際轉(zhuǎn)速滯后于控制信號（控制信號發(fā)出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需一定的反應(yīng)時間），所以如表1所示，設(shè)計不同的低噪停機(jī)模式方案進(jìn)行測試分析，停機(jī)瞬間振動值如表2所示。

如圖5所示通過對壓縮機(jī)停機(jī)瞬間的振動值對比可以看出，3-2#的控制方法最優(yōu)，如圖6所示為最優(yōu)控制方法壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化曲線，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”以240r/s的速度降至2400r，在該轉(zhuǎn)速維持3s，以120r/s降至1600r，維持3s后停機(jī)，此種方案引起的停機(jī)瞬間振動更小。

通過上述實驗結(jié)果分析：

（1）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在1200r～1500r停機(jī)振動較大，如圖7所示，通過如圖8的掃頻數(shù)據(jù)可以看出1200r～1500r有多處共振帶，1600r為壓縮機(jī)允許的最低轉(zhuǎn)速；

（2）壓縮機(jī)由目標(biāo)轉(zhuǎn)速快速降至緩沖轉(zhuǎn)速（2400r），轉(zhuǎn)速快速通過共振帶，避免產(chǎn)生共振；

（3）壓縮機(jī)在緩沖轉(zhuǎn)速（2400r）維持預(yù)設(shè)時間（3s），以相對較慢的速度（120r/s）降至壓縮機(jī)允許的最低轉(zhuǎn)速（1600r），維持預(yù)設(shè)時間（3s）后停機(jī)，可以有效減小機(jī)械部件遲滯于控制信號，使停機(jī)前轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在允許的最低轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

通過在對開門產(chǎn)品上進(jìn)行驗證，可以看出壓縮機(jī)停機(jī)時進(jìn)入低噪停機(jī)模式，壓縮機(jī)由“目標(biāo)轉(zhuǎn)速”快速降至“緩沖轉(zhuǎn)速”，在“緩沖轉(zhuǎn)速”維持預(yù)設(shè)時間后用相對較慢的速度降至壓縮機(jī)允許的最低轉(zhuǎn)速，維持預(yù)設(shè)時間后停機(jī)；可以有效降低振動噪音值，減小噪音波動，如圖9。本次驗證緩沖轉(zhuǎn)速僅有一級，針對機(jī)芯較重、壓縮機(jī)曲軸平衡性較差、機(jī)芯與壓縮機(jī)殼體間隙較小以及制冷系統(tǒng)壓力過大的情況，緩沖轉(zhuǎn)速可以設(shè)計多級，以便壓縮機(jī)可以穩(wěn)定在允許的最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行停機(jī)。

圖5 不同停機(jī)方案的停機(jī)瞬間的振動分布

圖7 低噪停機(jī)模式colormap

圖6 低噪停機(jī)模式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8 壓縮機(jī)掃頻曲線

圖9 壓縮機(jī)停機(jī)瞬間振動對比