變頻壓縮機及變頻空調控制器項目可行性分析

陳城彬

（寧波康韓瑞電器有限公司，浙江 慈溪 315314）

在空調行業的發展過程中，變頻技術作為行業中較為核心的技術之一，通過運用該技術，可以改變以往空調使用中存在的問題，也可以實現技術創新。雖然我國是變頻空調的生產大國，但是在變頻技術使用的過程中，仍然存在使用率低的問題，這種現象對變頻壓縮機及變頻空調控制器項目可行性研究造成了影響。因此，在行業持續發展的背景下，為了達到變頻壓縮機及變頻空調控制器使用的目的，應該將行業的運行作為重點，通過項目可行性的分析，對處理方案進行細化，穩步提升變頻壓縮機及變頻空調控制器項目的研究價值，為行業的發展提供保障。

1 變頻壓縮機及變頻空調控制器

1.1 變頻壓縮機

變頻壓縮機主要是轉速固定的壓縮機通過控制方式的改變，將系統轉速控制在一定范圍內，并通過連續性地調節改變輸出能量的壓縮機。在系統運行及工作的過程中，壓縮機按照結構分為2個部分。1）變頻控制器。2）壓縮機。在變頻控制器使用過程中，需要將交流電轉換為脈沖輸入，然后通過調節方波脈沖的方式調節角頻率，在頻率轉速增高的情況下轉速也會逐漸增加[1]。

1.2 變頻空調控制器

變頻空調控制器主要分為室外控制器、室內控制器2種。在使用室外控制器時，控制器會根據室內指令以及室外機的傳感器傳輸的變量進行整合和控制，在各個設備協調運用的情況下，從而實現室內及室外數據傳輸；而在室內機控制器使用的過程中，控制器可以實現遙控器設定運轉模式，并對總空調系統進行控制，通過該控制方案的設定，控制器通過判斷系統內的荷載大小來決定壓縮機的運轉頻率，以完成對溫度的控制；最后，遙控器在完成空調各個模式、溫度計風速的設定之后，系統會顯示運行狀態。變頻空調控制器主要是在溫度控制器中使用溫感探頭及變頻器，通過電阻信號、電壓信號的綜合處理，提高系統變速使用的效果，而且也可以結合系統的運行狀態調整系統的進氣及排氣量，保證變頻空調控制器的正常使用[2]。

2 目前國內市場變頻器市場分析

變頻器針對不同的使用環境，大致可以分為高壓和中低壓2 種，在這2 種變頻器的技術市場也存在較大的差異，高壓變頻器主要用于電力行業，技術要求高，由于這個技術壁壘，因此其市場主要被ABB、西門子、艾默生、Vacon以及羅賓康等幾家公司所壟斷，我國的一些公司雖然也在生產，但是其市場份額微乎其微。在中低壓變頻器市場中，由于變頻器使用得非常廣泛，特別是最近這幾年，中低壓變頻器市場規模逐年增大，2020年中低壓變頻器市場規模達到226億元，雖然2020年初受到了新冠疫情的影響，但是在6月以后市場逐步恢復，比2019年增長了3.6%。在我國的中低壓變頻器應用市場中，起步機占9%，電梯占9%，紡織機械占9%，冶金行業占8%，電力設備占8%，石油石化行業占7%，市政行業占6%，建筑建材行業占9%，其他行業占35%。在中低壓變頻器的技術市場中，主要有以ABB、西門子為代表的歐系，以安川、三菱為代表的日系和以匯川、臺達為代表的國產系。由于技術過硬、研發力度大，因此歐系中低壓變頻器在技術和品牌的認可度明顯超越了日系和國產，約占整個市場的56.7%。

3 開發新低壓變頻器技術狀況

原有低壓變頻器開發成立于2003年，主要以替代進口變頻器為出發點，變頻器經歷了無源PFC正裝方案，有源PFC雙板正裝方案、外接電感變頻器大板方案、外接電感變頻器（圖1）小板方案及現在主流的板載高頻PFC（圖2）小板方案。

圖1 外接電感變頻器小板方案

圖2 現在主流的板載高頻 PFC小板方案

2020年7月前，新版的空調能效標準《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》（GB 21455—2019）實施前，變頻器采用外接電感變頻器（圖1）小板方案，產品滿足舊標準GB 21455—2013《轉速可控房間空氣調節器能效限定值及能效等級》，變頻控制器采用外接電感方案仍是主流，舊標準產品以一級、三級變頻為主銷機型，是企業營收的主要內容。

2020年隨著新能效標準的出臺，對能效的要求提高了，新標準的出臺使定頻產品在未來幾年會慢慢淡出歷史舞臺，變頻產品占比會急劇加大。這要求變頻產品的成本控制及品質要求會更高。市場競爭越發激烈，變頻產品的競爭比過去定頻產品的競爭更加激烈。除了產品平臺的優化，對變頻器本身也提出了更高的要求。

2020年新國標實施以后，空調在能效方面的標準更高，舊的變頻方案已經滿足不了市場要求。為了滿足市場及企業盈虧平衡，企業集中研發力量開發新國標三級1.5匹變頻（行業主銷）產品，新國標變頻產品采用最新環保冷媒，具有高效、節能、環保的特點，新方案體積相對于原方案縮小了17%，同時實現板載高頻PFC（圖2），其效率高，發熱量小，較原老方式散熱，散熱風先經過冷凝器，再對控制器散熱，散熱風溫度較高，散熱效率較低，在運行時不能達到較高的頻率。而新方案使用新風散熱，散熱風未經過冷凝器，散熱風溫度較低，散熱效率較高。在新方案中對器件進行選型優化，使用小尺寸PCB，并在新方案中重新設計冷凝器，選配高效變頻壓縮機39W26REN&FJMD，優化分流，增強低溫條件下換熱效率，使整機最大制熱量由原4 100 W增加至4 800 W，優化驅動參數、重新設計運行參數，整體能效提升明顯，同時由于體積減小，電控盒整體用料減少，因此在成本方面相對于老式變頻器的優勢較大，每套成本優化約47元，見表1。

4 新項目研究中的風險性分析

4.1 項目盈虧平衡

結合變頻壓縮機及變頻空調控制器的使用特點，在技術運用的過程中，項目盈虧平衡是十分常見的。公司在原變頻器實際發展的過程中，為了更好地實現損益平衡，應該結合項目的基本特點，首先在PFC上投入大量的研究，在傳統的PFC控制上采用外接電感的設計，新的變頻器的PFC設計改用40 kHz 開關頻率，以及一個集成自舉電路的 SOI 柵極驅動 IC 和用于溫度監測的熱敏電阻。變頻器的總成本的主要影響因素包括 IPM、散熱片和 PCB等。由于新的PFC控制器、高集成度的全新 IPM采用Mini 封裝，是集成在電路板上的，為了提高散熱效率，新設計采用了具有良好導熱性的 DCB （直接鍵合銅）基板，用于實現良好的熱性能。為了充分利用該封裝的傳熱能力，所有的主要熱源 （如 IGBT 和二極管等）都安裝在 DCB 上，為的是充分利用該封裝的傳熱能力。不僅提高了散熱效率，而且將封裝尺寸變小，此外，將分立式功率半導體和驅動器集成于一個封裝可簡化裝配流程[2]，這樣原有變頻器技術大大降低了保本點，新設計將空調機整體毛利潤率控制在5.2%左右，整體毛利潤率能夠提高0.8%左右，同時加強對企業的銷售管理及成本控制，使企業中的各項業務形式時刻保持保本狀態，可以極大地提高企業的整體效益。

4.2 項目敏感性

在變頻壓縮機及變頻空調控制器項目可行性分析中，應該對項目敏感性內容進行研究，變頻壓縮機及變頻空調控制器項目技術關鍵點就是散熱，所以新變頻器設計方案必須在散熱方面有所突破，通過反復試驗，最終通過在控制電路增加過溫保護元器件來解決，在IPM 集成了一個熱敏電阻。在25 ℃時其阻抗典型值為 85 kΩ，在 100 ℃時為 5.4 kΩ，因為熱敏電阻與具有漏極開路配置的VFO 引腳直接連接到 ADC 和微控制器故障檢測端。這樣，由于電路中電阻的大幅減低，最大程度地降低了變頻器控制器產熱。新變頻方案可達到新國標要求這樣就可以進入新領域，同時新方案中整機最大制熱量由原4 100 W增加至4 800 W，這樣面對空調壓縮機功率越做越大的趨勢，新方案很好的適應了這種趨勢，增強技術研究的保障性，為空調系統的研發以及變頻技術的運用提供支持[3]。

5 風險防范策略及項目應用

5.1 風險防范策略

通過對變頻壓縮機及變頻空調控制器項目可行性研究，如果變頻壓縮機及變頻空調控制器投入生產，可以在較短的時間內獲得效益。針對變頻壓縮機及變頻空調控制器研究項目中的風險，應該設置以下風險控制策略：1）擴大新產品的研發，近些年來，隨著互聯網+的不斷興起與發展，大數據也開始受到廣泛關注，未來云計算、5G技術和IA人工智能將成為技術嵌入的主流。根據這一趨勢，公司應該及早研發推出基于云平臺或融合5G通信和人工智能化服務產品，構建基于遠程云平臺的變頻管家。變頻空調控制設備依托云平臺，提供遠程在線支持，結合現場服務的功能，為變頻器提供全生命周期的管理服務。實現PC 端+手機App 端在線監控變頻器的運行狀態；如果變頻器突發異常，在平臺上顯示預警和維護狀態，減少非正常停機時間，同時也可以通過這個平臺使設備使用人員與公司專業的技術人員在線聯絡，構建遠程設備診斷系統，并通過在變頻器上安裝的傳感器，實時將運行數據利用云平臺的計算功能對數據進行計算，分析設備運行狀態，做到及時發現運行隱患，提前防范，并通過云存儲建立設備健康報告及數字化檔案，在后續服務方面該客戶可以獲得優先改造或置換的機會。變頻器管家可以真正做到悉心呵護客戶的設備。除了基本的功能外，還可以增加具有特定功能的服務包供客戶選擇。研究發現高壓變頻器 80%的故障都是可以避免的，通過及時預警和預防性維護，可以做到防患于未然。以此作為營銷的看點擴大銷售提高市場占有率[4]。2）嚴格控制新產品的成本，攤薄各項費用。在新產品的開發和推廣過程中，研發成本和銷售費用在新產品的成本中占有較大的比例，因此在新產品進入大規模批量生產后，企業的原料采購部門要發揮集中采購的價格優勢，降低原材料的采購價，同時在銷售環節要與新變頻器的合作單位通過產品配套方式，在保持配套價格不變的情況下，增加配套產品供應的數量，通過該方法提高單個產品利潤率。同時，為了提高市場推廣和市場占有率，企業要制定詳細的銷售策略和廣告內容，并針對老變頻器銷售過程中出現的問題進行總結分析，將其中的優點應用于新銷售策略中，同時剔除和避免老產品在該過程中的缺陷和不足。在變頻器的生產過程中，需要大量的電子元器件，一些元器件市場波動率較大，在這種背景下，企業可以通過購買一些元器件的期貨，以對沖元器件巨幅波動對生產經營帶來的不利影響，同時也可以穩定產品的利潤率。3）制定優質化策略，爭取國家的優惠政策。由于新變頻器的研發定位也是作為壓縮機的配套，因此在研發過程中要做到高起點，力爭成為質量高的優質產品，在研發初期就要根據配套的壓縮機進行研究，根據壓縮機使用的產品、使用的場合和使用環境，同時研究壓縮機的發展方向，從這些方面考慮新變頻器的技術方向、產品結構、元器件選配以及新舊產品生產工藝的延續等方面挖掘產品的市場優勢。同時針對市場做好配套服務，特別是一些特殊需求的壓縮機，變頻器的研發部門主動與壓縮機研究部門接洽，做好技術上的銜接。同時國內中低壓變頻器市場一直被歐系產品所把持，企業可以積極與國家級科研單位合作，在提高國產替代率方面下些功夫。推動公司研發部與科研單位的合作，申請成為攻關課題，從而在研發經費上獲得政府的支持[5]，在產品研發的過程中，項目單位要穩步提高產品的品質及功能，結合家用空調產業的運行特點，細化可行性的項目研究方案，保證產品銷售價格穩步提升，滿足企業的高質量及經濟化發展需求。

5.2 變頻壓縮機及變頻空調控制器的技術運用

在變頻器的功能設置中，確定工程設置方案，可以結合系統項目的運行特點，對電動機的輸出功率進行判斷，在轉速較低的情況下，壓縮機的運行狀態趨于穩定，而且性能也會逐漸降低。在轉速發生急劇變化時，空氣壓縮機不需要特意啟動，而是需要根據轉速升降幅度由變頻器控制壓縮機的工作速度，這種情況可以在一定程度上避免過壓、過流等問題的出現。通過變頻器控制系統的啟動及運用，用以實現調節轉速值的控制效果，從而穩步提升變頻器功能設置及使用需求[6]。

5.3 變頻器的安裝

在變頻器安裝過程中，要做好前期勘察，并根據項目的特點，設計變頻器系統的安裝方案，保證系統正常穩定地運行，同時也可以改善變頻器、電動機接地設備的使用效果，增強各個設備可操作性。而且在空調系統的變頻器安裝中，為了避免設備噪聲問題，通過配線方案的調整、變頻系統的合理控制等，確定具體的布線管理方案，需要注意的是，在布線協調中，變頻器與電動機的接線長度一定不能過長，在低頻率輸出模式中，接線過長會使電路電壓減小，在一定程度上降低轉速運行的效率，同時在電線接線處理中，應該考慮信號之間干擾的問題，通過設定變頻頻率的方式改善該問題，實現變頻空調系統的可靠運行[7]。

6 結語

總的來說，在變頻壓縮機及變頻空調控制器項目可行性研究中，為了提高設備使用的整體效果，優化項目研究的可行性價值，設備維護人員需要結合以往經驗，分析變頻器控制的應用領域的變化[7]，有針對性的將項目的研究方向向這種變化靠攏，增強技術研究的保障性，行業運行中雖然存在著一些限制問題，但是，在變頻壓縮機及變頻空調控制器項目的可行性分析中，設置完善性的產品選擇方案，規范產品定價及研究方案，保證項目的預期銷量，為行業的持續發展提供參考。