直流无刷电机在空调系统中的应用
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摘要：文章介绍了当前空调节能主要方法，以及变频调速的发展。论述了变频调速存在的问题，提出了使用直流无刷电机的空调系统更节能。
关键词：空调节能、变频调速、压缩机、交流异步电机、直流无刷电机
一、空调系统节能的现状
随着当前能源的日益短缺，节能减排已经成为我国的一个基本国策。建筑节能作为国家十大重点节能工程之一，也越来越受到全社会的重视。空调系统的节能在建筑节能中占有重要的地位，在建筑用电中空调用电占了很大比例，特别是在一些大型公共建筑里，空调系统的用电量占到了总用电量的40%~60%。本文将从设备的角度谈谈空调系统的节能，介绍了直流无刷电机在空调系统中的应用。
目前空调系统节能的主要方法，是通过监测用户冷负荷的大小，实时调节空调系统的制冷量的输出。通过调节压缩机、水泵和风机的转速，达到调节空调制冷量的输出。这种调节供需平衡的方法提高能源的利用效率，可以避免电能的浪费。这样一来，如何控制压缩机、水泵和风机的转速成了空调节能的关键问题。
一直以来，空调系统中压缩机、风机和水泵使用的电机大部分是交流异步电机，交流异步电机的调速方式有多种，其中最理想的是变频调速技术。90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了交流异步电动机的变频调速，随后交流异步电机的变频调速技术开始推广应用在中央空调系统中。
二、变频调速技术存在的问题
交流异步电机变频调速技术虽然推动了空调制冷技术的发展，但也存在不少弊端。
1、不能实现平滑调速，调速范围小。目前市场上的变频器的调频级数为5-10级，变频器只是梯级调频，只能实现梯级调速，并不能实现平滑调速。
2、在变频调速过程中，改变了电机电路中负载的电感，产生许多谐波，会对电网造成冲击，造成电能的浪费。
3、电机的效率一般。根据美国能源部公布的数据显示，交流异步电机变频调速系统中电机的效率为85%。
4、在变频调速过程中，电机温升过高，造成电能的浪费。
5、变频调速系统动态性能差，速度变动率大。变频调速过程中改变了电机的电感，容易在负载改变的时候产生振荡和失步，是一个不稳定的调速系统。
目前市场上中央空调系统多数都停留在水泵和风机的变频，只有少数品牌的压缩机采用变频调速技术。变频调速技术的弊端制约着空调系统节能的潜力，使用交流异步电机的空调系统，在面对更高的节能要求时，显得有点力不从心。
四、使用直流无刷电机的空调系统
为了达到更高的节能要求，需要寻找一种更容易控制、更稳定、效率更高的电机为空调系统提供动力，直流无刷电机就是一个很好的选择。采用直流无刷电机的空调系统（包括压缩机、风机、水泵）更容易控制，调速更平稳、调速范围更大，效率更高。采用直流无刷电机的空调系统具有以下几个优点：
1、可以实现平滑调速，调速范围更广。直流无刷电机更容易控制，调速范围更广，是真正的无级调速系统，可以自由调节空调系统的制冷量输出。
2、在调速过程中，没有改变电机电路中负载的性质，谐波产生较少，对电网造成冲击小，更节能。
3、电机的效率高。其中直流无刷电机采用永磁体代替电励磁，根据美国能源部公布的数据，永磁直流无刷电机的效率可以达到95%，比交流异步电机变频调速系统中电机的效率高出10%。
4、在运行过程中，温升相对较低，比交流异步电机变频调速低20%左右。。
5、调速系统可靠性高，动态性能好。直流无刷电机可靠性高，在调速过程中不改变负载的电路性质，系统更稳定。
直流无刷电机还具有启动转矩大等特点，对比交流异步电机和直流无刷电机的性能，两种电机性能对比详见表1。
表1.两种电机性能对比
调速特点 效率 温升 谐波 控制电路 动态性
交流异步电机
（变频调速） 梯级调速
调速范围小 一般 高 多 复杂 差
直流无刷电机
（电枢电压调速） 无级调速
调速范围大 高 低 少 简单 好
五、直流无刷电机的发展现状
世界上的第一个电机就是直流电机，在相当长的时间内一直是调速系统的首选电机。但由于电刷和换向器在换向时容易产生火花，曾限制了直流电机向大功率的发展。20世纪30年代直流无刷电机概念被提出。70年代以后，随着电力电子技术的不断发展，使得直流无刷电机驱动电路饿可靠性和稳定性得到提高。
目前直流无刷电机被推广应用在制药厂、纺织厂、化工厂、矿山、原子能工业、战斗机、深海潜水艇等处，电机功率也从数毫瓦向上千千瓦方向发展，目前我国最大的永磁直流无刷电机功率为200kW，与国外尚有一定差距。
六、小结
使用直流无刷电机的空调系统效率更高、更节能，目前许多厂家已经开始研发使用直流无刷电机的压缩机，但是这种压缩机还没有产业化，还不具备广泛推广的条件。可以预测，使用直流无刷电机的空调系统将是空调节能的一种新趋势，将会带来空调行业的一次革命。
参考文献：
1. 周顺荣．电机学．北京：科学出版社
2. （美）查普曼，满永奎．电机原理及驱动．北京：清华大学出版社
3．胡雪梅．中央空调的变频控制设计及节能分析［Ｊ］净与空调技术，2011（2）
4.邹玉东．中央空调节能技术研究［Ｊ］．工程技术，2009（3）
5.夏长亮.无刷直流电机控制系统［Ｊ］．北京：社会科学出版社； 2009
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