軌道車輛空調渦旋壓縮機噪聲及改善試驗研究

凡沁 相玲玲 李文華 李世華 張婷 麥嘉偉

摘要：通過PWM控制理論和渦旋壓縮機噪聲產生的原因分析變頻器載波頻率對壓縮機噪聲的影響，再通過試驗研究驗證了載波頻率對壓縮機的噪聲的影響。通過調節通用變頻器和專用變頻器載波頻率，對全封閉直流變頻渦旋壓縮機的噪聲進行測試。試驗結果發現，適當提高載波頻率可以改善壓縮機的噪音，且選擇適當的載波頻率對壓縮機的純音也有改善。

關鍵詞：直流變頻 渦旋壓縮機 噪聲 載波頻率 試驗研究

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

我國渦旋壓縮機的研發開始于1986年，經過30余年的努力，已形成了比較成熟的渦旋壓縮機設計和制造技術，相繼推出了全封閉與半封閉渦旋壓縮機產品，廣泛應用于家用、商用和車用制冷設備中，近年來在新能源汽車上也得到了廣泛的應用[1]。 變頻渦旋壓縮機主要有交流變頻和直流變頻兩種，分別采用交流異步電機和永磁同步電機。直流電機與交流電機相比，可提高壓縮機的電機效率和頻率調節范圍[2]。

對于永磁同步電機的控制通常采用電壓調節進行，主要采用PWM脈寬調制技術，通過改變PWM的占空比，達到控制輸出電壓的目的，從而調節永磁同步電機的轉速[3]。理想的變頻器輸出電壓波形是純粹的正弦波形，但是目前的技術還無法實現。永磁同步電機調制頻率通常設置為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。壓縮機的性能會有一定的提升，但是變頻器的功率器件發熱會增加，因此選擇合適的載波頻率顯得尤為重要。

1 渦旋壓縮機的噪聲

渦旋壓縮機的噪聲包括機械噪聲、電磁噪聲、流體噪聲等。機械噪聲主要由于動盤的靜平衡、機構部的動平衡不平衡量過大或者是由于滑動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磁通波及電磁不平衡引起，并通過定子、管殼向空間傳播;流體噪聲主要由于氣流脈動、制冷劑和潤滑油的射流和氣穴引起，并通過管殼向空間傳播[3]。

壓縮機電機的噪聲主要可以有兩大類，第一類是流體噪聲，第二類是結構噪聲。流體噪聲是指電機的運動部件所引起的流體內部運動與運動部件相互作用所產生的噪聲。結構噪聲是指因為電機的結構，與壓縮機的管殼、機構部等相互作用所引起的噪聲[4]。內置式永磁同步電機的徑向電磁力中，由定子、轉子的諧波共同作用產生的諧波電磁力對電磁振動和噪聲的影響最為明顯[5]。

2 變頻器的載波頻率

信號的加載是指在信號傳輸時，將信號和另一個頻率的波疊加相互作用。這個頻率的波是一個固定值，也稱作載波頻率。調制的過程也就是把一個較低的信號頻率調制到一個相對較高的頻率上去，這個較高的頻率就是載波頻率。

變頻器大多采用PWM調制的形式進行調節，變頻器以脈沖的形式輸出電壓。脈沖的寬度和時間間隔取決于載波頻率。載波頻率越高，一個周期內的脈沖的個數就越多，電流的波形越接近于正弦波。載波頻率如果設置太低，電機的噪音就會越大[6]。

載波頻率對電機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，使得電動機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子的固有頻率產生諧振，使轉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構部、定子鐵心、管殼等的固有頻率產生諧振，在固有頻率附近的噪音增大。

3 渦旋壓縮機的噪聲測試數據及分析

使用非正弦驅動時，電機高頻噪聲增加且噪聲頻率為載波頻率及其倍數[7]。選用一臺吸氣容積為72cc/rev的全封閉直流變頻渦旋壓縮機，通過調節不同的載波頻率，對壓縮機的噪聲進行測試，測試工況如表1所示。

試驗設備及工具：空調壓縮機噪聲試驗臺（見圖1）、轉速儀、示波器。

噪聲測試方法：采用JB/T 4330-1999的附錄C作為壓縮機A計權聲壓級水平的測試方法。

測試環境：半消音室（見圖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，載波頻率可調值為2/5/8/10/12.5/15kHz。

試驗結果如圖3和表2所示。

試驗結果分析：（1）隨著載波頻率的提高，壓縮機的噪聲平均值有下降趨勢;（2）在載波頻率為2kHz和8kHz時，噪聲在2000Hz和8000Hz頻段出現明顯加強效果，此處可能是與壓縮機的固有頻率發生諧振引起;（3）降低載波頻率，對噪音改善無效。

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，分度值0.1kHz。由于前面的試驗結果已經發現提高載波頻率可以降低噪聲，因此接下來的試驗載波頻率從8kHz開始調節，以0.5kHz為階梯，目的是找出此款壓縮機的最佳載波頻率。

試驗結果如圖4和表3所示。

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

4 結語

由試驗結果可以看出，無論是通用變頻器還是專用變頻器，適當提高載波頻率，都可以改善壓縮機的噪聲;噪聲頻率與載波頻率有直接對應關系，壓縮機的載波頻率要避開固有頻率;選擇載波頻率時不僅要考慮到噪聲平均值，還應選擇純音較小的，此試驗中，使用日立變頻器且載波頻率設置為9kHz時，壓縮機的純音最小，應為最佳載波頻率;載波頻率過大時變頻器自身損耗加大，IGBT溫度上升，因此在選擇載波頻率時，還應充分考慮變頻器發熱問題。

參考文獻

[1] 吳業正，李紅旗，張華.制冷壓縮機.[M].3版.北京：機械工業出版社，2017.

[2]李敏霞，王派，馬一太，等.轉子壓縮機與渦旋壓縮機的對比與發展[J].制冷學報，2019，185（1）：22-28，78.

[3]劉佳敏，葛召炎，吳軒，等.基于占空比調制的永磁同步電機預測電流控制[J].中國電機工程學報，2020，645（10）：3319-3328.

[4]蘭華.永磁同步電機的電磁力波與電磁振動研究.[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

[5]杜晉文.乘用車用內置式永磁同步電機電磁振動與噪聲特性的研究.[D].北京：北京交通大學，2020.

[6]龐瀚文.基于數字PWM的開關磁阻電機振動噪聲抑制.[D].大連：大連理工大學，2019.

[7]張亮，宮佐，單聰.非正弦驅動對電機噪聲影響及優化[J].微電機，2020，53（5）：11-14.

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

作者簡介：凡沁（1989—），女，本科，工程師，研究方向為渦旋壓縮機。