軌道車輛空調(diào)渦旋壓縮機(jī)噪聲及改善試驗(yàn)研究

凡沁 相玲玲 李文華 李世華 張婷 麥嘉偉

摘要：通過(guò)PWM控制理論和渦旋壓縮機(jī)噪聲產(chǎn)生的原因分析變頻器載波頻率對(duì)壓縮機(jī)噪聲的影響，再通過(guò)試驗(yàn)研究驗(yàn)證了載波頻率對(duì)壓縮機(jī)的噪聲的影響。通過(guò)調(diào)節(jié)通用變頻器和專用變頻器載波頻率，對(duì)全封閉直流變頻渦旋壓縮機(jī)的噪聲進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高載波頻率可以改善壓縮機(jī)的噪音，且選擇適當(dāng)?shù)妮d波頻率對(duì)壓縮機(jī)的純音也有改善。

關(guān)鍵詞：直流變頻 渦旋壓縮機(jī) 噪聲 載波頻率 試驗(yàn)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

我國(guó)渦旋壓縮機(jī)的研發(fā)開(kāi)始于1986年，經(jīng)過(guò)30余年的努力，已形成了比較成熟的渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，相繼推出了全封閉與半封閉渦旋壓縮機(jī)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于家用、商用和車用制冷設(shè)備中，近年來(lái)在新能源汽車上也得到了廣泛的應(yīng)用[1]。 變頻渦旋壓縮機(jī)主要有交流變頻和直流變頻兩種，分別采用交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。直流電機(jī)與交流電機(jī)相比，可提高壓縮機(jī)的電機(jī)效率和頻率調(diào)節(jié)范圍[2]。

對(duì)于永磁同步電機(jī)的控制通常采用電壓調(diào)節(jié)進(jìn)行，主要采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)改變PWM的占空比，達(dá)到控制輸出電壓的目的，從而調(diào)節(jié)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速[3]。理想的變頻器輸出電壓波形是純粹的正弦波形，但是目前的技術(shù)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。永磁同步電機(jī)調(diào)制頻率通常設(shè)置為1kHz到30kHz之間，載波頻率越高，諧波越少，變頻器輸出的波形越接近于正弦波。壓縮機(jī)的性能會(huì)有一定的提升，但是變頻器的功率器件發(fā)熱會(huì)增加，因此選擇合適的載波頻率顯得尤為重要。

1 渦旋壓縮機(jī)的噪聲

渦旋壓縮機(jī)的噪聲包括機(jī)械噪聲、電磁噪聲、流體噪聲等。機(jī)械噪聲主要由于動(dòng)盤(pán)的靜平衡、機(jī)構(gòu)部的動(dòng)平衡不平衡量過(guò)大或者是由于滑動(dòng)摩擦以及零部件碰撞引起，然后由曲軸、軸承、管殼向空間傳播;電磁噪聲主要由于磁場(chǎng)磁通波及電磁不平衡引起，并通過(guò)定子、管殼向空間傳播;流體噪聲主要由于氣流脈動(dòng)、制冷劑和潤(rùn)滑油的射流和氣穴引起，并通過(guò)管殼向空間傳播[3]。

壓縮機(jī)電機(jī)的噪聲主要可以有兩大類，第一類是流體噪聲，第二類是結(jié)構(gòu)噪聲。流體噪聲是指電機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件所引起的流體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)部件相互作用所產(chǎn)生的噪聲。結(jié)構(gòu)噪聲是指因?yàn)殡姍C(jī)的結(jié)構(gòu)，與壓縮機(jī)的管殼、機(jī)構(gòu)部等相互作用所引起的噪聲[4]。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的徑向電磁力中，由定子、轉(zhuǎn)子的諧波共同作用產(chǎn)生的諧波電磁力對(duì)電磁振動(dòng)和噪聲的影響最為明顯[5]。

2 變頻器的載波頻率

信號(hào)的加載是指在信號(hào)傳輸時(shí)，將信號(hào)和另一個(gè)頻率的波疊加相互作用。這個(gè)頻率的波是一個(gè)固定值，也稱作載波頻率。調(diào)制的過(guò)程也就是把一個(gè)較低的信號(hào)頻率調(diào)制到一個(gè)相對(duì)較高的頻率上去，這個(gè)較高的頻率就是載波頻率。

變頻器大多采用PWM調(diào)制的形式進(jìn)行調(diào)節(jié)，變頻器以脈沖的形式輸出電壓。脈沖的寬度和時(shí)間間隔取決于載波頻率。載波頻率越高，一個(gè)周期內(nèi)的脈沖的個(gè)數(shù)就越多，電流的波形越接近于正弦波。載波頻率如果設(shè)置太低，電機(jī)的噪音就會(huì)越大[6]。

載波頻率對(duì)電機(jī)噪音有影響主要是由于變頻器輸出的電壓、電流中含有一定分量的高次諧波，使得電動(dòng)機(jī)氣隙的高次諧波磁通增加，噪音增大。其特征為：（1）變頻器輸出的高次諧波與轉(zhuǎn)子的固有頻率產(chǎn)生諧振，使轉(zhuǎn)子固有頻率附近的噪音增大;（2）變頻器輸出的高次諧波與機(jī)構(gòu)部、定子鐵心、管殼等的固有頻率產(chǎn)生諧振，在固有頻率附近的噪音增大。

3 渦旋壓縮機(jī)的噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

使用非正弦驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)高頻噪聲增加且噪聲頻率為載波頻率及其倍數(shù)[7]。選用一臺(tái)吸氣容積為72cc/rev的全封閉直流變頻渦旋壓縮機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)不同的載波頻率，對(duì)壓縮機(jī)的噪聲進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試工況如表1所示。

試驗(yàn)設(shè)備及工具：空調(diào)壓縮機(jī)噪聲試驗(yàn)臺(tái)（見(jiàn)圖1）、轉(zhuǎn)速儀、示波器。

噪聲測(cè)試方法：采用JB/T 4330-1999的附錄C作為壓縮機(jī)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)水平的測(cè)試方法。

測(cè)試環(huán)境：半消音室（見(jiàn)圖2）。

3.1方案一：安川CIMR-AB4A0044FBA變頻器

該變頻器屬于通用類變頻器，載波頻率可調(diào)值為2/5/8/10/12.5/15kHz。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3和表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析：（1）隨著載波頻率的提高，壓縮機(jī)的噪聲平均值有下降趨勢(shì);（2）在載波頻率為2kHz和8kHz時(shí)，噪聲在2000Hz和8000Hz頻段出現(xiàn)明顯加強(qiáng)效果，此處可能是與壓縮機(jī)的固有頻率發(fā)生諧振引起;（3）降低載波頻率，對(duì)噪音改善無(wú)效。

3.2方案二：日立WJ200變頻器

改變頻器屬于專用變頻器，載波頻率在2～15kHz可調(diào)，分度值0.1kHz。由于前面的試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)提高載波頻率可以降低噪聲，因此接下來(lái)的試驗(yàn)載波頻率從8kHz開(kāi)始調(diào)節(jié)，以0.5kHz為階梯，目的是找出此款壓縮機(jī)的最佳載波頻率。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4和表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析：（1）使用專用變頻器的試驗(yàn)結(jié)果同樣顯示，隨著載波頻率的提高，壓縮機(jī)的噪聲平均值有下降趨勢(shì);（2）載波頻率為8kHz和8.5kHz時(shí)，噪聲在8000Hz頻段加強(qiáng)效果明顯，可能是諧振引起的;（3）載波頻率在9kHz以上時(shí)，噪聲平均值下降幅度減小。

4 結(jié)語(yǔ)

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)論是通用變頻器還是專用變頻器，適當(dāng)提高載波頻率，都可以改善壓縮機(jī)的噪聲;噪聲頻率與載波頻率有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，壓縮機(jī)的載波頻率要避開(kāi)固有頻率;選擇載波頻率時(shí)不僅要考慮到噪聲平均值，還應(yīng)選擇純音較小的，此試驗(yàn)中，使用日立變頻器且載波頻率設(shè)置為9kHz時(shí)，壓縮機(jī)的純音最小，應(yīng)為最佳載波頻率;載波頻率過(guò)大時(shí)變頻器自身?yè)p耗加大，IGBT溫度上升，因此在選擇載波頻率時(shí)，還應(yīng)充分考慮變頻器發(fā)熱問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：U463 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-8286

作者簡(jiǎn)介：凡沁（1989—），女，本科，工程師，研究方向?yàn)闇u旋壓縮機(jī)。