空調電器盒功能測試對壓縮機配件的替換研究

0   引言

變頻空調已經(jīng)廣泛普及千家萬(wàn)戶(hù)，與定頻最大的區別在于其能夠根據環(huán)境條件調節壓縮機頻率在一定范圍內運轉，實(shí)現精確控溫和省電的作用。變頻空調有專(zhuān)門(mén)的電器盒部件來(lái)控制壓縮機轉速，區分于定頻外機只有一個(gè)啟動(dòng)電容。但其元件較多，工藝和技術(shù)上相對復雜，在車(chē)間生產(chǎn)完成后要進(jìn)行測試，以確定功能是否正常，然后進(jìn)入整機組裝。這樣便于提前發(fā)現不良品、排查失效原因并采取糾正對策，另外前端識別到可靠性差的缺陷品時(shí)也能夠及時(shí)介入處理，防止流入整機組裝工序造成更大的損失。

1   變頻外機電器盒功能測試原理

外機電器盒功能測試需要在輸出端連接對應的負載配件，一般使用專(zhuān)用通訊工裝來(lái)模擬室內機控制器，與待測電器盒建立通訊，向其發(fā)送運行指令，使之按照既定的流程完成制冷、制熱動(dòng)作，并讀取測試過(guò)程中的運行參數進(jìn)行判異?？傮w步驟如下。

各配件連接完成后，待測品上電進(jìn)入自動(dòng)檢測并接收室內通信，綜合分析室內環(huán)境溫度、室內設定溫度、室外環(huán)境溫度等因素，對壓縮機變頻調速控制。

根據系統需要，控制外風(fēng)機、四通閥、壓縮機等負載完成預定動(dòng)作。

采集排氣、管溫、電壓、電流、壓縮機狀態(tài)等系統參數，判斷系統是否在允許的工作條件內。

負載能否正常運行是判斷電器盒功能是否正常的重要依據。以壓縮機配件為例，通訊工裝通過(guò)讀取壓縮機頻率，以及檢查吸排氣狀態(tài)來(lái)判異，故障形式表現為掉頻或反轉。在壓縮機故障無(wú)法使用或超過(guò)使用壽命時(shí)，則將之報廢換新，無(wú)法重復利用，造成一定的浪費。隨著(zhù)空調型號的更新迭代，用于電器盒測試的壓縮機型號也會(huì )逐漸增多，不利于現場(chǎng)管理。常見(jiàn)家用空調壓縮機內部的結構設計、驅動(dòng)原理等均屬于成熟的技術(shù)，對核心部件改造來(lái)節約成本和減少占用空間理論上是可行的。

2   壓縮機結構及控制特點(diǎn)

如圖1 所示，壓縮機的核心有電機和泵體，其中電機主要用于提供動(dòng)力源，用于驅動(dòng)制冷劑進(jìn)行氣/ 液轉換以及內外機循環(huán)交換熱量，現有常用電機均采用永磁同步電機（PMSM）[1-5]。而功能測試中將通訊工裝以及各種配件與電器盒正確連接后即可進(jìn)入測試，不需要驅動(dòng)制冷劑，所以說(shuō)壓縮機配件只有電機部分在轉動(dòng)，運行時(shí)將空氣由吸氣管吸入壓縮機內部，并在排氣管排出。

壓縮機內的電機采用轉子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略，帶有速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，需要實(shí)時(shí)檢測壓縮機電流和轉子位置，同時(shí)在高頻時(shí)采用弱磁控制。以凌達QXAT-B096zE070 壓縮機為例，其電機部分規格書(shū)如表1。

圖1 空調壓縮機部件剖面圖

表1 變頻壓縮機內的電機規格

從規格中可以看到，這款壓縮機內部的電機就是采用的永磁同步電機，永磁同步電機具有結構簡(jiǎn)單、體積小、效率高、功率因數高等優(yōu)點(diǎn)，比其他類(lèi)型電動(dòng)機輸出轉矩更大，其極限轉速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異，技術(shù)上已經(jīng)成熟并得到廣泛應用。其在壓縮機部件中的主要作用是將電能轉化為機械能，通過(guò)傳動(dòng)部件往復運動(dòng)來(lái)驅動(dòng)制冷劑的循環(huán)來(lái)實(shí)現熱量交換。

變頻壓縮機由U、V、W 三相供電并根據電器盒PWM 控制電機調速。結合其運行原理，理論上將壓縮機內的電機部分拿出來(lái)，保持供電方式不變，正確連接到電器盒即可以滿(mǎn)足測試要求，把無(wú)關(guān)緊要的泵體取消。

3   電機結構設計

結合以上分析，確定電機結構設計思路，即采用壓縮機內電機加機殼的設計方案，將電機單獨作為一個(gè)產(chǎn)品，保留定子/ 轉子并使用金屬外殼密封，取消掉壓縮機中泵體結構。

根據圖2 可見(jiàn)，設計的電機結構包括軸、前端蓋、殼體、定子、轉子組件、軸承、后端蓋。其中電機定子、轉子采用壓縮機中電機物料，其驅動(dòng)參數保持不變，為整個(gè)電機的動(dòng)力源；軸為傳動(dòng)不變，可用于觀(guān)測電機正反轉；整個(gè)組件也就成為壓縮機的替代配件，應用于生產(chǎn)線(xiàn)電器盒功能測試。

圖2 電機結構圖

壓縮機在正常測試過(guò)程中，內部的滾動(dòng)活塞運動(dòng)也消耗能量。為避免使用電機替代后在實(shí)際應用過(guò)程中因功率不夠造成空轉失速，需要在轉軸上安裝重物來(lái)增加一定的阻力，提高輸入電流解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)物效果如圖3。

圖3 電機實(shí)物效果圖

另外，對反轉的檢測效果靠人工檢查也容易出現遺漏，可以進(jìn)一步在轉子部分增加自動(dòng)識別反轉的小部件做到防呆，避免肉眼觀(guān)察誤判，實(shí)現的方式有很多種，這里就不再贅述。

4   檢測效果驗證

特制電機組裝完成后應用于空調外機電器盒產(chǎn)品測試，將待測電器盒上連接壓縮機的三相線(xiàn)對接到電機，準備完畢后上電檢測。驗證發(fā)現電器盒能夠進(jìn)入正常測試步驟，通訊工裝讀取電機運轉頻率并實(shí)時(shí)顯示升頻數值，運行判斷合格后斷電結束測試；整個(gè)測試過(guò)程、測試時(shí)間上和使用壓縮機的效果一致，以U 相為例測量輸入電壓和電流波形如圖4。

對故障品的檢出效果方面，需要模擬電路故障來(lái)驗證是否可控。第1 種是將UVW 三相線(xiàn)反插，壓縮機故障表現為吸氣口變成排氣、排氣口變吸氣，即內部電機反轉造成氣流逆行；而切換特制電機后轉子同樣出現反轉，說(shuō)明對故障品的檢測是有效的。第2 種對掉頻現象進(jìn)行模擬，即將壓縮機電路的一些元件進(jìn)行短路等，通訊工裝讀取到掉頻信息并報警提示，總體驗證情況見(jiàn)表2。

表2 電機在實(shí)際測試過(guò)程中的實(shí)驗結果

表2 實(shí)驗印證了替換效果符合預期，即采用電機取代壓縮機是可行的，并且很多壓縮機的電機參數比較接近，一款電機可取代多款壓縮機。這種方法對所有使用永磁同步電機的壓縮機可以通用。需要注意的是設計電機選用的轉子/ 定子部件要選用原壓縮機內電機部件，保證正常運行以及待測樣品出現故障時(shí)能夠有效檢出來(lái)。

通常情況下，一條生產(chǎn)線(xiàn)需要配置多個(gè)工位以滿(mǎn)足生產(chǎn)節拍。以筆者所在車(chē)間為例，一條變頻電器盒生產(chǎn)線(xiàn)配置10 個(gè)工位并行測試，每個(gè)工位一臺壓縮機，產(chǎn)線(xiàn)總數就需要配置10臺放在測試工序，占用的空間是非常多的，壓縮機的不同型號也容易混用。根據以上方法改造為特制電機后，將2 組電機為一個(gè)單元固定在一個(gè)電木盒內，增加編號以示區分，存儲和使用都非常方便，有利于現場(chǎng)5S 管理。

圖4 U相電壓（上）、電流（下）波形

5   結語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為滿(mǎn)足生產(chǎn)節拍往往需要多個(gè)工位同時(shí)進(jìn)行測試，生產(chǎn)機型換線(xiàn)時(shí)需要來(lái)回切換壓縮機滿(mǎn)足對應機型測試。本次根據壓縮機運行原理，采用定子/ 轉子等核心物料設計為電機，保留運行驅動(dòng)參數不變，達到相同的測試效果，同時(shí)電機結構上相對簡(jiǎn)單，當出現故障時(shí)可以拆開(kāi)維修，外殼部分重復利用，節約壓縮機申購成本和浪費。根據批量的驗證結果，電機替代壓縮機是可行的，同時(shí)結合機型特點(diǎn)可以實(shí)現通用，即一種電機滿(mǎn)足多種機型，提高了電器盒部件的檢測水平。

圖5 存儲現場(chǎng)改善前后對比圖

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年1月期）