空调压缩机振动噪声抑制方法研究

空调压缩机振动噪声抑制方法研究

韩军良[1]，杨锋琴[2]，唐传胜[1]，雷若诚[1]，翟卫坤[1]，焦惠敏[1]

1.  南阳理工学院智能制造学院 河南省南阳市  473000 2. 科络普胶带技术（昆山）有限公司 江苏省昆山市 215300

摘   要：振动和噪声性能是评价家用空调舒适性和产品品质的一项重要指标。本文从空调驱动电机的角度，分析空调噪声的产生机理，探究降低压缩机振动和噪声的控制策略，降低空调的噪声水平，改善空调系统的性能，提高用户舒适性。

关键词: 空调；永磁同步电机；电磁激振力波；转矩补偿；重复控制

1引言

采用永磁同步电机驱动的空调压缩机具有效率高、体积小、重量轻、功率密度高、节能效果显著的优点，在空调中应用越来越广泛。随着空调的大规模应用，空调运行带来的振动和噪声越来越受到人们的重视。振动和噪声给人们带来了不适，损害人们身体健康。空调压缩机的振动和噪声来源机理复杂，涉及机械学、电机学、动力学、电磁学、控制理论和数学分析等学科。研究如何有效的降低空调的振动和噪声，具有重要意义。

2空调压缩机噪声机理分析

永磁同步电机的定子齿和槽构成了不同的磁路长度，产生导磁性能差异。导磁性能的不同使转子对应齿和槽的不同位置产生不同的磁力线分布。电机转子的永磁磁极旋转到定子齿的位置时，由于磁阻相对较小，电磁力增大。当永磁磁极旋转到定子齿槽的位置时，由于磁阻相对较大，电磁力减小。电磁力在定子齿和槽位置的变化的使定子铁心产生拉伸和收缩效应，使得定子的结构沿着直径发生变形，由此产生了径向电磁激振力谐波[1]。电机运行时永磁磁极和齿槽相互作用产生的径向电磁激振力谐波，导致电机产生明显的振动和噪声。电磁力的切向分量产生驱动电磁转矩，而电磁力的径向分量会引起定子变形，能够引起电机定子的机械振动，产生径向电磁振动噪声[2]。除了径向电磁激振力谐波产生径向电磁振动噪声之外，压缩机转子回转质量的不平衡会产生机械转动噪声，制冷剂在压缩和膨胀过程中会产生射流噪声和涡流噪声。压缩机的内部的振动会传到壳体上产生压缩机壳体的振动和声辐射。空调压缩机的振动噪声机理和传递途径结构框图如图1所示。

图1  空调压缩机的振动噪声机理和传递途径结构框图

3转矩脉动补偿控制策略研究

提高压缩机的效率，降低振动和噪声是滚动转子压缩机的重要研究方向。从转矩控制角度出发，通过控制电磁转矩与压缩机负载转矩相适应，通过降低转矩波动来降低振动从而降低噪声。根据压缩机的工作特点，针对低速的负载转矩波动问题，采用前馈补偿方法的解决。在中高速阶段采用重复控制的方法抑制周期性的转矩脉动。从实际工程角度进行设计，可以有效提高系统控制性能，实现空调压缩机速度宽范围的平稳运行。

3.1 低速阶段转矩补偿控制

变频空调为了突出节能效果，在温度达到设定温度后，压缩机工作于低频段，低频运行中的转矩脉动将会引起较大的振动。压缩机一个工作过程分为吸气、压缩、排气过程。在一个回转周期内压缩过程负的载力矩最大，吸气和排气过程中的负载力矩相对较小。转子旋转过程中会遇到负载转矩的突变，负载突变呈现周期性波动，永磁同步电机的每一个机械周期内负载突变一次，负载大小的变化与压缩机转子的机械位置密切相关，负载突变的大小与空调的工况密切相关，负载突变的大小随内部内部制冷介质压力的增大而增大。压缩机负载力矩的周期非线性变化，对系统的平滑运行带来了很大的困难。压缩机在一个回转周期内负载转矩表现为为一条不平衡的周期性类正弦曲线。

在实际运行过程中，电磁转矩不能很好的跟随负载转矩的变化而变化，为了实现压缩机的负载转矩与电磁转矩保持动态平衡，需要对电磁转矩进行实时补偿，使电机匀速速度，从而实现变频空调运行的平滑控制。本文设计的空调压缩机的转矩前馈补偿控制系统框图如图2所示。空调压缩机转矩前馈补偿控制的原理是在永磁同步电机矢量控制的基础上，在转子电流中加入一个前馈补偿量，以产生预期波形的电磁转矩，去克服负载转矩的突变。在获得压缩机每个工作频率点的负载特性补偿曲线后，根据转子的位置通过改变补偿起始时间和补偿正弦波的峰值来获得最佳的补偿效果。

图2  空调压缩机的转矩前馈补偿控制系统框图

3.2 中高速阶段转矩控制策略

在压缩机低速范围内，由于负载力矩波动明显，采用前馈补偿控制可以取得较好的补偿效果，但是当压缩机转速上升以后，波动力矩逐渐变小，此时原有前馈控制方法中，对每个机械周期起始点的判断会带来误差，从而引起补偿失步的问题，为此本文采用重复控制方法解决周期性干扰。重复控制对周期性信号具有优异的跟踪性能，可以实现跟踪周期性的指令信号，抑制周期性的扰动信号。

根据内部控制原理，要实现对指令信号的无稳态误差跟踪，需要把指令信号作为内部模型放置在闭环内。重复控制通过在闭环系统内产生一个与外部信号同周期的内部模型，把上一周期的控制误差作为当前控制量，实现对外部指令信号的完全跟踪

[3]。重复控制的内部信号模型是一个周期信号发生器，产生一个用来消除外部周期性干扰的周期信号。为了补偿系统非理想特性造成的转矩扰动，本文在系统控制器控制内部插入一个重复控制环节，内环是电流控制器，实现快速准确的电流跟踪控制，外环是重复补偿控制器，用于抑制周期性的转矩干扰。

4结论

本文对空调压缩机的噪声产生机理进行了分析，提出了空调压缩机在低频段采用转矩前馈补偿的方案，中高频段采用重复控制的策略。通过调试可以获得较好的减弱压缩机转速波动的效果，从而改善压缩机驱动系统的振动和噪声性能，对于提升变频空调的性能、提高用户舒适性有重要意义。

参考文献：

[1] 刘朋鹏，王建辉，韦福东. 超高速永磁同步电机振动噪声分析[J]. 电机与控制应用. 2020,47(11): 47-50.

[2]  邢泽智，王秀和，赵文良，等. 表贴式永磁同步电机电磁激振力波计算与定子振动特性分析[J]. 中国电机工程学报. 2021, 41(14): 5004-5013.

[3] 张巧芬，刘彦呈，郭昊昊，等. 用于永磁同步电机周期性转速脉动抑制的重复控制[J]. 控制理论与应用. 2022, 39(03): 432-440.

项目来源：

1、河南省高等学校重点科研项目“空调压缩机振动噪声的主动补偿控制策略研究 ”（21A413005）；

2、南阳理工学院《传感器原理与设计》“课程思政”教育教学改革试点项目。

作者简介：韩军良（1978.2-），男，河南唐河县人，研

究方向：电力电子及电机控制，

E-mail: 175274870@qq.com

（联系电话：韩军良，15517712960）