家用空调制冷系统压缩机变频控制优化研究

引言：全球“双碳”背景下，家用空调作为居民核心用电设备，其平均能耗超过居民总用电>30%，压缩机变频控制技术对空调能效、稳定性产生直接影响。现阶段家用空调变频控制存在低负荷能耗冗余、制冷剂-变频协同不足、极端工况性能衰减的问题。通过“优化方向-技术突破-实践验证”框架，结合主流机型参数，采用实验与仿真结合方法优化控制逻辑，以此提升家用空调制冷性能。

1 家用空调压缩机变频控制核心优化方向

1.1 基于负荷动态匹配变频转速调节优化

结合变频转速调节实现与负荷，精准匹配家用空调制冷负荷随室内外环境参数、使用场景动态，避免传统定频空调“启停式”运行造成能耗浪费与温度波动。以1.5 匹美的KFR-35GW/BP3DN8Y-PH200（1）空调为例，其额定制冷量为3500W，额定输入功率为980W，当室内负荷降至 2100W（约60%额定负荷）时，当维持额定转速运行状态下，输入功率为920W，能耗冗余明显。建立负荷-转速映射模型，将室内温度偏差（设定温度与实际温度差值）、湿度 (40%⋅60%RH 为舒适区间）作为核心输入参数，以此确定转速调节梯度。

1.2 基于制冷剂循环特性变频控制逻辑优化

制冷剂循环特性对压缩机变频控制效果产生直接影响，应当针对不同制冷剂的热力性质优化控制逻辑，以此保障制冷系统运行稳定性。现阶段家用空调主流制冷剂为R32，其临界温度为 78.1^∘C 、标准沸点为-51.7℃，在不同工况下的饱和压力、比焓变化存在显著差异，通过控制逻辑优化实现制冷剂循环参数与变频频率协同。以格力 KFR-26GW/（26564）FNhAa-B1（WIFI）空调为例，其采用电子膨胀阀（通径 1.8mm，调节范围 0-500步）控制制冷剂流量，建立变频频率与膨胀阀开度的联动算法：当变频频率从50Hz 上升至70Hz 时，压缩机排气量增加 40% ，应当将膨胀阀开度从200 步调至 320 步，将蒸发器过热度维持在5-8℃，避免过热度偏低造成制冷剂回液或过高造成制冷量衰减。

2 家用空调压缩机变频控制优化关键技术

2.1 变频模块IGBT 损耗抑制技术

变频模块中的 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为能耗核心部件，其开关损耗与导通损耗在模块总损耗中占比>80%，应当通过技术优化降低损耗、提升变频系统能效。以美的 MDV-250W/D2SN1-8U1 变频模块为例，其搭载的IGBT 型号为FS450R12KE3，额定电压1200V，额定电流450A，通过调制方式优化损耗。采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）替代传统正弦脉宽调制（SPWM），SVPWM 的电压利用率比SPWM 高 15% ，且开关次数减少20%，使IGBT 开关损耗降低 18%-22% 。

2.2 压缩机矢量转矩控制技术

压缩机运行过程中会产生电磁转矩波动，在低频（<20Hz）与高频（>100Hz）工况下，转矩波动易引起振动、增大噪声，通过矢量转矩控制技术进行优化，以此提升转矩控制精度，以此确保压缩机稳定运行[1]。矢量转矩控制重点为将压缩机定子电流分解为励磁电流与转矩电流，通过独立调节两类电流精准控制转矩，以三菱电机MSZ-KY35VFK 空调搭载的变频压缩机为例，其定子电阻为 1.2Ω，漏感为0.008mH，基于电机数学模型构建矢量控制算法。

优化PWM 调制频率，设定PWM 调制频率为15kHz，在避免频率过低导致的电流谐波增大（控制谐波含量<5%）的同时，还能防止频率过高引起开关损耗骤增（当频率从15kHz 升至20kHz 时，开关损耗增加约 15%%⟩ ）。

在散热设计环节，将铝基覆铜板（导热系数200W/ (m⋅K); ）作为变频模块基板，搭配热管散热器（热管直径8mm，散热面积 0.5m²; ），选用12V 直流风扇（风量30CFM，风速 2.5m/s) ），控制IGBT 结温<125℃（额定结温 150^∘C) ），当模块温度达到85℃时，启动风扇高速运转，进一步强化散热效果。

3 家用空调压缩机变频控制优化实践

3.1 制冷系统-变频控制硬件适配调试

制冷系统与变频控制硬件的适配性对优化效果产生直接影响，通过系统性调试确保硬件参数与制冷系统特性匹配，同时规避兼容性问题。以1.5 匹奥克斯 KFR-35GW/BpR3PYA1+1 空调为调试对象，其制冷系统包括转子式压缩机（排量10.8cm³/rev）、冷凝器（换热面积8m²）、蒸发器（换热面积6m²）、电子膨胀阀（通径1.5mm），变频控制硬件包括变频主板（采用STM32F103 微控制器，主频72MHz）、IGBT 模块（型号 F400R12KS4）、电流/温度传感器[2]。调试第一步为硬件参数标定：通过功率分析仪（横河WT3000，精度±0.1%）采集压缩机额定工况下的输入功率（950W）与电流（4.3A），将数据录入变频主板控制程序，设定电流保护阈值为5.2A（额定电流的 1.2 倍）；通过温度巡检仪（Agilent 34970A，精度±0.05℃）采集冷凝器出口温度 (40^∘C) ）、蒸发器进口温度（10℃），标定温度传感器检测范围，控制温度采集误差≤0.2℃。

3.2 制冷系统循环特性与变频参数匹配

制冷系统循环特性（如冷凝压力、蒸发压力、制冷剂流量）应当与变频参数（频率、电压、电流）精准匹配，以此实现制冷效率最大化，通过实验与仿真结合的方式确定最优匹配关系。以海信 KFR-26GW/E25A3 空调（额定制冷量 2600W，制冷剂R32 充注量 800g）为例，搭建制冷系统循环特性测试平台，平台包括压力传感器（精度±0.01MPa，测量范围0-4MPa）、流量计（精度±1%，测量范围 0-50kg/h）、温度传感器，可实时采集冷凝压力、蒸发压力、制冷剂质量流量。

3.3 制冷系统多工况下变频优化方案验证

为验证变频优化方案在不同工况下的稳定性与有效性，选取典型工况开展测试，通过数据对比分析优化方案的实际效果。测试对象为1.5 匹格力 KFR-35GW/（35592）FNhAa-B1 空调，优化方案包括基于负荷的转速调节、基于制冷剂循环的控制逻辑、IGBT 损耗抑制与矢量转矩控制技术，根据GB/T 7725-2022 设定测试工况，包括标准工况（室内27℃/19℃，室外35℃/24℃）、高温工况（室内27℃/19℃，室外43℃/28℃）、低温工况（室内27℃/19℃，室外18℃/15℃），测试指标包括制冷量、输入功率、COP、噪声、温度波动，测试设备采用功率分析仪（横河WT3000）、声级计（AWA5636，精度±0.5dB（A）、温度记录仪（精度±0.1℃），每种工况稳定运行2h 后记录数据，测试重复3 次取平均值。

结束语

本次研究通过优化压缩机变频控制，解决传统技术存在的问题，提升空调能效、性能、舒适，使空调制冷性能得到保障。未来在开展相关研究的过程中，可进一步融合智能算法，结合用户习惯构建自适应模型；探索环保制冷剂与变频控制的适配，使家用空调向更高能效、更环保方向发展。

参考文献

[1]杨岩. 空调制冷系统的节能设计[J].节能,2020,39(08):31-33.

[2]杭先华. 变频技术在中央空调制冷系统中的应用分析[J].农家参谋,2020,(12):264.