基于电解电容实时寿命估算的压缩机频率动态调节研究与应用.pdf

Articles论文60 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424基于电解电容实时寿命估算的压缩机频率动态调节研究与应用Research and application of control compressor frequency dynamically based on estimate electrolytic capacitor life in real-time宋洪强1,2 孙玉良3 厉杰1,2 虞朝丰1,2SONG Hongqiang1,2 SUN Yuliang3 LI Jie1,2 YU Chaofeng1,21.青岛海尔智能技术研发有限公司 山东青岛 266101；2.数字化家电国家重点实验室 山东青岛 266101；3.国家高端智能化家用电器创新中心 山东青岛 2661011.Qingdao Haier Smart Technology R&D Co.,Ltd.Qingdao 266101;2.State Key Laboratory of Digital Home Appliances Qingdao 266101;3.National Innovation Institute of High-end Smart Appliances Qingdao 266101摘 要：家用空调器在高温下制冷量范围的限制因素之一是室外机驱动板上电解电容寿命。目前一般通过限定压缩机运行频率的方式保障电解电容寿命，但造成了空调器制冷能力的浪费。通过评估电解电容寿命的影响因素，分析了电解电容表面温度、自身温升与寿命的关系。无需更改或增加硬件传感器，提出了电解电容纹波电压估算温升和线性拟合估算表面温度的方法，实时估算电解电容寿命，进而动态调节压缩机在高温制冷时运行频率。实现根据用户的使用情况调节压缩机运行频率，对大部分用户可实现提升高温下空调制冷量5%以上。关键词：电解电容寿命；电解电容温度；电解电容温升；纹波电流；纹波电压；频率调节 Abstract:One of the limiting factors of the refrigerating capacity range of household air conditioners under high temperatures is the life of the electrolytic capacitor on the driving board of the outdoor unit.At present,the service life of the electrolytic capacitor is generally guaranteed by limiting the operating frequency of the compressor,which causes a waste of the cooling capacity of the air conditioner.By evaluating the infl uencing factors of electrolytic capacitor life,the relationship between surface temperature,self temperature rise and life of electrolytic capacitor is analyzed.Without changing or adding hardware sensors,the methods of electrolytic capacitor ripple voltage estimating temperature rise and linear fi tting estimating surface temperature are proposed to estimate the life of electrolytic capacitor in real time,and then dynamically adjust the operating frequency of compressor under high temperature.Realize the adjustment of compressor operating frequency based on user usage,and for most users,can increase the air conditioning cooling capacity by more than 5%under high temperature.Keywords:Life of electrolytic capacitor;Electrolytic capacitor temperature;Temperature rise of electrolytic capacitor;Ripple current;Ripple voltage;Frequency of compressor中图分类号：TM46 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.05.0100 引言在家用空调器室外机驱动板上目前常用PFC（功率因数校正电路，Power Factor Correction）和压缩机、风机双变频驱动电路结构。电解电容由于容量大、稳压效果好、性价比高等优势，在PFC电路中被大量使用，但是其内部电解液存在正常的挥发，寿命显著低于其作者简介：宋洪强，硕士学位。研究方向：电机变频驱动。地址：山东省青岛市崂山区海尔路1号海尔信息产业园。E-mail：。通讯作者：孙玉良，E-mail：。他元器件的寿命，是驱动板设计寿命短板1-2。电解电容内电解液蒸发速度与温度相关，温度升高，蒸发速度加快，寿命降低；而电解电容温度与环境温度、压缩机运行频率和系统状态等有关3-4。高温情况下，在室内机和系统结构确认，膨胀阀和外风机转速调到最佳状态下，评估样板上的电解电容寿命通常采样方法如下：确定能够保证制Articles论文 61家电科技 Vol.5 2023 Issue 424冷能力合格的初始压缩机频率，在电解电容内外布温度采样点采集电容内部温升和表面温度，根据结果估算电解电容寿命，确定初始设定的频率是否合适，如果寿命还有裕量可以提高频率以提升制冷能力，如果不合适则更改散热环境和电解电容等。如此迭代多轮最终确认该温度点下频率。寿命计算过程中需要根据全国的使用环境状况，按照不同的温度点占比进行计算，在每个温度点有不同的运行频率上限5。不同温度点上确认的频率在出厂后不再修改，在超高温环境下（如外部环境温度大于50）压缩机频率很低甚至停机保护，这种方式导致用户在高温环境下无制冷效果，用户体验差。为了提升高温制冷量，改善高温环境下用户制冷体验，本文研究了 一种压缩机频率控制策略。在分析电解电容寿命影响因素基础上，设计了实时基于电解电容表面温度和纹波电压估算电解电容温升的方法，进而实时估算电解电容寿命，再通过统计用户使用情况动态调整压缩机频率，最后，在3 P柜机平台上测试估算温度与实际温度对比，验证该方法可以准确估算电解电容温度和温升，最终验证在三种标准工况下可以提升高温制冷量5%以上，有效改善用户的高温制冷体验。1 电解电容寿命影响因素与估算1.1 电解电容寿命影响因素空调室外机驱动板主回路部分一般采用单相PFC电路，作用是升压和功率因数校正，直流母线连接压缩机、风机的IPM（智能功率模块，Intelligent Power Module）实现变频驱动。单相PFC电路因为容量和性价比要求一般采用铝电解电容作为支撑电容。驱动板器件设计寿命评估过程中发现电解电容的寿命是最大的短板。电解电容的电容量下降到额定的80%判定为电解电容寿命终止。电容量下降的直接原因是铝电解电容器电解液的减少导致的。电解液的减少是蒸发导致的，与蒸发速度密切相关的是温度6-7。电解液的蒸发速度和温度的关系可以通过阿雷尼厄斯定律表示，如式（1）：（1）其中：k为反应速度常数，A为频度因子，E为活性化能量，R为气体常数（8.31 J/deg），T为绝对温度（K）。根据式（1）应用到铝电解电容计算公式，如式（2）：（2）其中：Lx为表面温度为Tx时的估算寿命（h），L0为表面温度为T0时施加额定电压时的上限寿命（h），T0为电解电容上限类别温度（），Tx为表面温度（），T0为叠加额定纹波电流时电解电容自身温升（），T为纹波电流导致的温升（），K为电流加速因子。所以，影响电解电容寿命的因素是电解电容表面温度和自身的温升。表面温度越高，寿命越短，在一定温度范围内一般每升高10，寿命降低为原来的一半。1.2 电解电容寿命计算方法计算电解电容寿命通常的方法：表面温度通过在电解电容上粘贴热电偶测得，通过电解电容内部预制热电偶采集内部温度与表面温度作差得到温升。按照家用3 P柜机平台使用最广泛的820 F铝电解电容为例，参数如表1所示。表1 电解电容参数表容量C（F）上限类别温度T0（）施加额定电压时的上限寿命L0（h）损耗角正切值tan漏电流IL（A）额定纹波电流I0（A）叠加额定纹波电流时电解电容自身温升T0（）纹波电流温度校正系数55下82010520000.1514852.4252.5实际测试发现，低温制热工况下电解电容表面温度较低（以最高值40计算），T按照取5，额定纹波电流范围内K取2，超过额定纹波电流K取4。按照式（2）计算寿命，如式（3）：（3）计算结果如果超过15年，则按照15年计算，所以可知制热工况下电解电容寿命远大于设计寿命10年的指标要求，所以本文只考虑高温制冷工况下电解电容寿命。按照国标GB 214552019制冷季节需要制冷的各温度发生时间如表2所示8。表2 制冷季节各温度发生时间外界温度tj（）242526272829303132333435363738合计时间nj（h）5496971139896110 107 10594766122521136根据实际应用过程中针对T3气候类型采用表3所示的温度时间表加严测试，采用额定制冷工况A（室内侧干球27，湿球19；室外侧干球35，湿球24），最大运行制冷工况B（室内侧干球32，湿球23；室外侧干球43，湿球26），超高温制冷工况C（室内侧干球35，湿球26；室外侧干球53，湿球28）三个工况计算。表3 电解电容寿命温度时间表外界温度tj（）354353合计时间nj（h）9609607202640在A、B、C三种工况下，设定超强制冷模式测试结果如表4所示。根据每年各温度发生的时间估算电解电容寿命，使用公式（4）计算：（4）Articles论文62 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424其中：nSUM=n1+n2+n3+n4=1 yr=8760 h，得到一年剩余时间n4=6120 h，在此时间范围内空调器是制热运行或者空闲，Lx4取15年（131400 h）计算得到如式（5）：（5）电解电容寿命估算超过10年，满足设计要求，在各个温度点上压缩机频率是合适的。如果不满足寿命指标要求，可以在外界温度53时降低压缩机频率从而延长电解电容寿命。使用直接测量电解电容的表面温度和温升的方式确定电解电容寿命是比较准确的，但是温度是在出厂前特定的驱动样板上测定的，确认的压缩机在各个温度点上的频率点在出厂后是固定的。如果用户在温带气候区域如华北、东北区域，普遍的现象是夏季出现高温天气，春秋季节制冷需求少。而靠近热带区域如南方大部分地区，夏季极端高温天气多，春秋季也存在高温制冷需求。使用同一套控制频率点对于温带区域有浪费。2 电解电容寿命实时估算2.1 电解电容温升计算电解电容的功率损耗导致了内部的温升。在压缩机驱动板上，电解电容上功率损耗包括交流损耗和直流损耗9-11如式（6）：（6）其中：PC为电解电容的功率损耗，PAC为交流损耗，PDC为直流损耗，Ir为纹波电流，Udc为直流电压，IL为电解电容的漏电流，Rest为电解电容等效串联电阻。直流损耗中，其中漏电流是A级，产生的损耗要远小于纹波电流产生的损耗。所以式（6）可以简化为式（7）：（7）在空调室外机驱动板上电解电容上的纹波电流包含两部分，一是与输入电压同步的正弦波，二是与PFC的载波同步的高频方波，如图1所示。其中等效串联电阻Rest如式（8）所示，与频率成反比关系。（8）其中：tan为损耗角正切值，与f为角频率，C为电容的静电容量。由于载波频率远大于输入电压的频率，所以本文只计算与输入电压同步的正弦波产生的纹波电流。电容的纹波电流与纹波电压关系如式（9）：（9）电解电容上的纹波电压Ur就是直流母线电压上的交流分量，在PFC控制和压机控制都需要使用母线电压，所以无需增加额外测量表4 电解电容寿命测试数据表工况A（27，19；35，24）B（32，23；43，26）C（35，26；53，28）压缩机频率（Hz）988362电解电容表面温度（）55.961.466.9电解电容内部温度（）59.463.768.8电解电容温升（）3.52.31.85计算寿命（h）740285971443411计算寿命（yr）8.46.84.9制冷量（W）728067715126图1 电解电容上纹波电流波形Articles论文 63家电科技 Vol.5 2023 Issue 424回路进行测量，可以直接利用采集到的母线电压提取交流成分得到纹波电压。在达到热平衡的情况下，电解电容发热损耗功率等于散热功率，散热功率如式（10）：（10）其中：PW为散热功率，为散热系数，S为散热面积，T为电抗器自身温升。综合式（7）、（9）、（10），得到式（11）。按照对比法综合额定情况下温升计算如式（12）、（13）：（11）（12）（13）其中：T0为额定纹波电流下电解电容自身温升，I0为额定纹波电流，该额定纹波电流与温度是相关的，一般电解电容厂商会在手册中明确，如表1所示。2.2 电解电容表面温度估算在上一章节中得到电解电容的温升，如果能够求得电解电容的表面温度就可以根据式（2）实时估算电解电容寿命。根据式（10）可以得到式（14）：（14）其中：TI为内部温度，TO为电解电容表面温度。所以电解电容表面温度需要得到准确的散热系数，而与室外机散热结构布局、驱动板器件布局，还与所处的环境、电容内部结构等有关3。综上，通过公式直接推算运行状态下电解电容的表面温度较复杂。同时在量产的空调器室外机驱动板上没有粘贴热电偶直接测量电解电容表面温度。电解电容的发热与驱动板环境温度、压缩机功率正相关，可以利用目前已经有的室外机环境温度和压缩机IPM温度传感器进行线性拟合的方式确认电解电容表面温度。以本文中使用的3 P柜机样板为例，在不同温度下测量器件的温度如表5所示。根据表5中数据进行拟合的多项式为式（15），带入式（15）估算表面温度Tx，与实测表面温度偏差均在1以内，说明方法是可行的。Tx=0.4036T1+0.3164T2+23.58 （15）得到电解电容表面温度和温升后，就可以通过公式（2）进行电解电容寿命的估算。3 压缩机运行频率实时调节根据上文中完成电解电容实时寿命估算后出厂时不再以电解电容实时寿命为限定，其他的限频如IPM温升、IGBT温升、吐气温度等保持不变，只有在计算电解电容表面温度超过限值或温升超高限值后才对压缩机进行降频或停机保护处理。在用户开机使用后，每年统计温度数据并预估电解电容寿命。如果不满足设计寿命要求，再按照最大频率乘以降频系数的处理方式进行处理（最小系数不能低于铭牌标定能力值），如果满足设计寿命要求，维持最大频率使用原则。如用户在第一年中外界温度30工况下使用n1=900 h，计算使用寿命Lx1=62250 h；外界温度40工况下使用n2=600 h，计算使用寿命Lx2=60969 h；外界温度45工况下使用n3=200 h，计算使用寿命Lx1=39947 h；空闲时长为7060 h。按照公式（16）可以计算支撑使用年为12年，超过设计寿命要求，所以可以继续按照最大频率使用。（16）如果低于设计寿命要求，第二年在制冷工况的最大频率降低为初始的0.9倍，后续最小频率以能力合格频率为限制。第二年电解电容初始寿命计算基准按照式（17）计算：（17）再按照章节2计算寿命从而决定下一年的运行频率。4 实验对比使用3 P柜机（如图2）在表4工况下测量解除电解电容温度限频后电解电容温度和压缩机频率，以及整机制冷能力得到表6。表5 电解电容表面温度估算序号压缩机运行频率（Hz）室外机环境温度T1（）压缩机IPM温度T2（）电解电容实测表面温度（）电解电容估算表面温度Tx（）偏差（）110228.848.750.850.60.229638.662.258.558.8-0.338342.767.862.162.3-0.246253.375.269.568.90.653960.277.272.072.3-0.3 a)方案对比测试用样板 b)测试空调器内、外机图2 测试样板和内外机（下转68页）Articles论文68 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424式运行时可以降低制冷量最小输出，大幅提升低负荷性能。家用16 kW多联机的变容压缩机其单双缸容积比优选设计为k0.375。泵体结构设计通过减小曲轴主轴和上偏心部直径，降低摩擦功耗；下气缸采用双排气方式，降低排气阻力和余隙容积；切换机构的高压引入位置设计为壳体中部，保持适当含油量可以降低销钉孔泄漏。直流变频电机采用9槽6极的集中卷设计，采用三角形串联接法，适当提高反电动势系数，可以提升低负荷的电机效率和压缩机性能；结合三角形-星形绕组切换技术，可以兼顾高低频电机效率，提升整体性能。优化变频器电控参数，使其输出电压与电机低负载下反电动势波形匹配，可降低变频器功耗。采用优化设计的变容压缩机，在多联机低负荷工况下压缩机单体性能：单缸模式较同冷量下双缸模式可提升20%。参考文献1 成建宏,李红旗,苏玉海.中国制冷空调实际运行状况调研报告 第2章 多联机实际运行状况分析R.2020(06):6-23.2 徐嘉,胡余生,张荣婷,等.容积可变型转子压缩机研究进展综述J.制冷空调,2016(05):7-10.3 阙沛祯,魏会军,牛玉婷.多联机用压缩机的低负荷性能实验研究J.日用电器,2021(05):75-78,87.4 廖四清,区永东,曾令华,等.两档变容定速压缩机提升空调器SEER实验研究J.家电科技,2021(06):52-55.5 张勤奋.变频转子式压缩机低频能力异常衰减分析与研究J.家电科技,2022(zk):158-161.6 马国远,李红旗.旋转压缩机M.北京:机械工业出版社,2003.7 岳向吉.应用动网格技术模拟滚动转子压缩机的流动特性D.沈阳:东北大学,2011.8 晏刚.滚动转子式压缩机间隙泄漏两相流及其对压缩机性能的影响D.西安:西安交通大学,2003.9 向柳,胡艳军,阙沛祯,等.变容压缩机及空调系统P.广东:CN205918593U,2017-02-01.10 范杰.空调压缩机用永磁同步电动机绕组星形与三角形接法分析J.电机技术,2022(04):36-40,44.11 王乐三,尹磊,刘晓飞,等.家用空调变频控制器直流母线电压波动机理分析J.家电科技,2022(zk):378-381.12 郑立宇,张奎,徐飞,等.新一级高效变频压缩机创新设计研究J.家电科技,2020(zk):73-76.（责任编辑：张蕊）按照章节2.2中介绍方法，如果在一年中超过35的高温工况下使用2640 h（110天），电解电容寿命约为9.6年。对比表2，压缩机频率提升510 Hz，制冷量提升5%以上。根据国标空调能效等级中全年制冷运行只有1136 h，超过30的工况只有582 h，同时根据大部分的用户的实际使用情况，高温情况下可以提高压缩机运行频率，保持高制冷量，从而提高制冷速度，提升制冷效果。5 结论本文提出了一种无需更改硬件、实时估算电解电容寿命的方法，进而实现对压缩机运行频率的动态调节，解决了高温环境下压缩机最大运行频率受到电解电容寿命限制的问题。本文分析了电解电容寿命与其表面温度和温升的关联，使用室外机环境温度和IPM温度线性估算电解电容表面温度，采用母线纹波电压计算电解电容温升，进而实时估算电解电容寿命，保证制冷能力基础上按照用户使用习惯动态调节压缩机运行频率。高温工况下可以提升压缩机运行频率510 Hz，提升制冷量5%以上，有效提升用户制冷体验。参考文献1 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