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
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)式壓縮機曲柄滑塊結(jié)構(gòu),即通過電機驅(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,平衡壓縮機芯的動平衡,而壓縮機停機瞬間機芯則處于非平衡狀態(tài),會使壓縮機機芯產(chǎn)生很大的抖動,甚至導(dǎo)致機芯與外殼撞擊,帶來較大的噪音[2]。通過研究壓縮機停機噪音產(chǎn)生機理,提出停機噪音控制策略,減小壓縮機停機瞬間噪音的抖動度,提升壓縮機運行聲音信號的穩(wěn)定性,進而提升人耳對冰箱聲音感知的愉悅度。
目前冰箱行業(yè)內(nèi)多采用往復(fù)式壓縮機進行制冷,壓縮機的啟、停都是根據(jù)間室溫度進行控制。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)出停機信號,壓縮機立即停機。壓縮機工作轉(zhuǎn)速往往通過環(huán)境溫度進行確定,一般情況下環(huán)境溫度越高壓縮機轉(zhuǎn)速越大。這就意味著,炎熱的夏季壓縮機多數(shù)會運行在高轉(zhuǎn)速,如果達到停機條件,壓縮機會以高轉(zhuǎn)速停機,由于機芯停機瞬間的非平衡狀態(tài),就會帶來異常的噪音波動,影響用戶體驗[3]。
壓縮機接到停機信號,壓縮機在失去驅(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,機芯具有一定的沖擊能量。
假設(shè)壓縮機機芯為沿中軸轉(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,即壓縮機高轉(zhuǎn)速停機比低轉(zhuǎn)速停機機芯力矩沖量大,為減小停機瞬間機芯的力矩沖量可以控制壓縮機降低轉(zhuǎn)速停機,從而達到減小停機瞬間噪音波動的效果[5]。
通過對壓縮機停機瞬間力矩沖量的分析,可以采用停機前降低轉(zhuǎn)速,來降低機芯的力矩沖量。冰箱工作周期壓縮機轉(zhuǎn)速變化如圖1所示,壓縮機轉(zhuǎn)速控制原理如圖2所示。冰箱間室溫度達到開機點,壓縮機啟動,根據(jù)環(huán)境溫度判斷壓縮機“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”,壓縮機以“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,壓縮機轉(zhuǎn)速降至“二級轉(zhuǎn)速N2”,壓縮機以“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,壓縮機轉(zhuǎn)速降至“三級轉(zhuǎn)速N3”,壓縮機以“三級轉(zhuǎn)速N3”運行,當(dāng)間室溫度到達停機溫度時,壓縮機以現(xiàn)運行轉(zhuǎn)速(三級轉(zhuǎn)速N3)停機;其中N1>N2>N3。
圖1 冰箱工作周期壓縮機轉(zhuǎn)速變化曲線
圖2 壓縮機轉(zhuǎn)速控制規(guī)則
以上控制雖然保證壓縮機停機瞬間處于較低轉(zhuǎn)速,可以有效減小停機瞬間機芯的沖量,從而減小壓縮機停機瞬間的振動噪音,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到停機溫度,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]。
圖3 優(yōu)化方案壓縮機控制規(guī)則
圖4 低噪停機模式控制流程
表1 實驗組對應(yīng)控制方式
表2 壓縮機不同低噪停機模式測試振動值
為了保證用戶體驗及快速制冷的要求,對壓縮機轉(zhuǎn)速控制進行優(yōu)化,如圖3所示,冰箱間室溫度達到開機點,壓縮機啟動,根據(jù)環(huán)境溫度判斷壓縮機“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”,壓縮機以“目標(biāo)轉(zhuǎn)速N1”運行直至間室溫度達到停機溫度,壓縮機接收停機信號,進入低噪停機模式。
壓縮機低噪停機模式制控流程如圖4所示,壓縮機由“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允許的最低轉(zhuǎn)速N0(壓縮機能達到并且不產(chǎn)生共振的最低轉(zhuǎn)速),維持預(yù)設(shè)時間t后停機。
以海信某一對開門冰箱低噪停機模式壓縮機轉(zhuǎn)速控制進行說明。通過對變頻壓縮機轉(zhuǎn)速變化規(guī)律分析可知,壓縮機轉(zhuǎn)速快速通過共振帶有利于噪音的控制,壓縮機轉(zhuǎn)速控制信號發(fā)出后壓縮機實際轉(zhuǎn)速滯后于控制信號(控制信號發(fā)出壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)需一定的反應(yīng)時間),所以如表1所示,設(shè)計不同的低噪停機模式方案進行測試分析,停機瞬間振動值如表2所示。
如圖5所示通過對壓縮機停機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)控制方法壓縮機的轉(zhuǎn)速變化曲線,壓縮機轉(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,此種方案引起的停機瞬間振動更小。
通過上述實驗結(jié)果分析:
(1)壓縮機轉(zhuǎn)速在1200r~1500r停機振動較大,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為壓縮機允許的最低轉(zhuǎn)速;
(2)壓縮機由目標(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)降至壓縮機允許的最低轉(zhuǎn)速(1600r),維持預(yù)設(shè)時間(3s)后停機,可以有效減小機械部件遲滯于控制信號,使停機前轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在允許的最低轉(zhuǎn)速。
通過在對開門產(chǎn)品上進行驗證,可以看出壓縮機停機時進入低噪停機模式,壓縮機由“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允許的最低轉(zhuǎn)速,維持預(yù)設(shè)時間后停機;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,針對機芯較重、壓縮機曲軸平衡性較差、機芯與壓縮機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,以便壓縮機可以穩(wěn)定在允許的最低轉(zhuǎn)速進行停機。
圖5 不同停機方案的停機瞬間的振動分布
圖7 低噪停機模式colormap
圖6 低噪停機模式壓縮機轉(zhuǎn)速變化曲線
圖8 壓縮機掃頻曲線
圖9 壓縮機停機瞬間振動對比