单元式空气调节机谐波噪声特性分析及控制方法.pdf

第2 3卷 第9期2023年9月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G3 4-3 9收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 2,修回日期:2 0 2 2-0 9-3 0作者简介:李钟昀,硕士,主要从事空调振动噪声研究工作。单元式空气调节机谐波噪声特性分析及控制方法李钟昀 闫丽俊 滕克宇(青岛海信日立空调系统有限公司)摘 要 当前对空调器的噪声评价大多局限于正弦稳压电源,而用户实际使用的电源质量复杂,输电线路中存在成分复杂的谐波电压,若空调的抗谐波能力不足,极易产生谐波噪声。本文以某单元式空气调节机的室外机为研究对象,开展谐波噪声特性分析及机制研究,探究谐波电压与噪声的关系,并通过改变电机转子绕线方式解决谐波噪声问题,为后续类似谐波噪声问题的解决提供依据和参考。关键词 单元式空气调节机;谐波;噪声;电源质量H a r m o n i cn o i s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lm e t h o do fu n i t a r ya i rc o n d i t i o n e rL iZ h o n g y u n Y a nL i j u n T e n gK e y u(Q i n g d a oH i s e n s eH i t a c h iA i r-c o n d i t i o n i n gS y s t e m sC o.,L t d.)A B S T R A C T A tp r e s e n t,t h es i n er e g u l a t e d p o w e rs u p p l yi s m o s t l y u s e df o rt h ee v a l u a t i o no f t h en o i s eo f t h e a i r c o n d i t i o n e r,b u t t h e a c t u a l p o w e r q u a l i t yu s e db yc u s t o m-e r s i sc o m p l e x.T h e r ea r em a n yh a r m o n i cv o l t a g e sw i t hc o m p l e xc o m p o n e n t s i nt r a n s m i s-s i o n l i n e s.I f t h e r e s i s t a n c eo f a i r c o n d i t i o n e r t oh a r m o n i c i s i n s u f f i c i e n t,t h e a i r c o n d i t i o n e rm a yg e n e r a t eh a r m a n i cn o i s e s.Ac e r t a i no u t d o o ru n i to ft h eu n i t a r ya i rc o n d i t i o n e ri st a k e na s t h e r e s e a r c ho b j e c t f o r t h eh a r m o n i cn o i s ec h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sa n dm e c h a n i s ms t u d y.T h er e l a t i o n s h i po fh a r m o n i cv o l t a g ea n dn o i s ei se x p l o r e da n dh a r m o n i cn o i s ei ss o l v e db yc h a n g i n gt h ew i n d i n gw a yo fm o t o rr o t o r.T h i ss t u d yp r o v i d e sb a s i sa n dr e f e r-e n c e f o r t h es o l u t i o no f s i m i l a rh a r m o n i cn o i s ep r o b l e mi nt h e f u t u r e.K E Y WO R D S u n i t a r ya i rc o n d i t i o n e r;h a r m o n i c;n o i s e;p o w e rq u a l i t y 随着人们生活水平的提高,智能化电器的使用量增加,电力系统中谐波电压含量随之增大,这将导致一些偏远地区或城市中心用电高峰时,设备线路中含有大量的电源谐波分量。制冷空调行业噪声实验室对空调噪声的评价多采用正弦稳压电源,与用户端的电源质量存在差异,所以在噪声实验室测试合格的产品,用户实际安装后可能会出现异常噪声。针对此类空调谐波噪声问题,国内的一些学者开展了相关研究:黄辉等1探究了电源谐波和间谐波对空调器噪声和应力的影响,分析了提升空调器抗谐波能力的方向;高伟等2分析了空调噪声与电源谐波含量的关系,指出奇次谐波为主要影响因素;王培等3分析了空调器谐波噪声的传递路径,通过优化电机支架降低谐波噪声;张金圈等4研究了风管机高频音问题,确定了高次电流谐波为高频异常噪声的激励源;蒋世用等5针对电网中的谐波分量,提出了一种光伏空调谐波电流控制方法;袁浩等6研究发现低频噪声是由于电机定子线圈在低频段响应幅值的增加,在电机各次谐波频率的激励下产生的异常噪声。单元式空气调节机(简称“单元机”)的室外机电机多为单相异步交流电机,此类电机对电源谐波电压较为敏感,当电源中谐波电压含量较高时,电机内磁场的椭圆度增大,导致整个交流电机的振动增大,容易诱发谐波噪声。笔者针对某单元机的室外机谐波噪声问题,开展空调谐波噪声特 第9期李钟昀 等:单元式空气调节机谐波噪声特性分析及控制方法3 5 性分析及控制研究,对于提升空调产品的声品质表现、完善基于用户体验的噪声评价体系具有一定的理论和实践意义,也为后续类似谐波噪声问题的分析和解决提供参考。1 谐波噪声特性分析在噪声实验室测试某单元机的室外机风机噪声时发现,市电和稳压电源下机组低风挡的噪声表现差异很大,市电下OA-峰值幅值不满足大于1 0的企业标准要求,且有明显的低频异常噪声,噪声测试条件和结果见表1。对比市电和稳压电源下低风挡的实测转速发现,转速差别为3 8r/m i n。由于电机是交流电机,转速会随电压变化而变化,为排除转速点差异的影响,调高稳压电源的电压,使风机运行至5 9 6r/m i n,再次确认噪声无异常,说明市电与稳压电源下噪声差异与转速无关。表1 单元机噪声测试条件和结果环境温度/传声器位置风机挡位电源条件实测转速/(r/m i n)噪声值OA/d B(A)F F T最大峰值频率/H z幅值/d B(A)OA-峰值幅值/d B(A)听感判定2 0机器正面,距离1m,高度0.8m高低市电8 7 85 6.48 83 9.81 6.6OK稳压电源8 6 85 5.81 7 33 8.81 7.0OK市电5 9 65 0.63 0 04 7.63.0N G稳压电源5 5 84 3.76 1 43 1.01 2.7OK 分析对比市电和稳压电源下室外机频谱测试结果发现,低风挡市电下1 0 010 0 0H z频段噪声增大较多(见图1);对该频段作F F T对比发现,低风挡市电下出现2 0 0H z,3 0 0H z,4 0 0H z,5 0 0H z,8 0 0H z和10 0 0H z单频噪声(见图2),幅值对比如表2所示。图1 市电和稳压电源下室外机噪声1/3倍频程对比图2 市电和稳压电源下室外机噪声F F T对比高风挡市电下虽然也出现了2 0 0H z,3 0 0H z,4 0 0H z和5 0 0H z单频噪声,但由于高风挡下整体噪声高,单频噪声对整体噪声影响较小,所以现场主观听感没有很明显的异常噪声。为进一步确认单频噪声对音质听感的贡献 3 6 第2 3卷 度,对低风挡市电下运转的声音信号进行滤波分析,依次滤掉2 0 0H z,3 0 0H z,4 0 0H z,5 0 0H z,8 0 0H z和10 0 0H z,发现前4个频率滤掉后,声音和稳压电源下音质听感基本相当,说明市电下噪声变差主要是2 0 0H z,3 0 0H z,4 0 0H z和5 0 0H z单频噪声导致,后续主要针对这些频率进行分析。表2 室外机运行单频噪声幅值对比d B(A)频率/H z低风挡噪声高风挡噪声市电稳压电源差值市电稳压电源差值2 0 03 8.31 5.12 3.23 8.92 8.11 0.83 0 04 7.61 9.62 8.03 4.92 5.49.54 0 03 3.22 0.81 2.43 3.32 6.96.45 0 03 5.21 8.11 7.13 4.02 4.01 0.08 0 02 7.41 1.71 5.710 0 03 1.61 4.51 7.12 谐波噪声机制研究2.1 电源质量分析衡量电源质量的主要指标包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、谐波、电压暂降/中断/暂升以及供电连续性等。上述噪声特性分析中2 0 0 H z,3 0 0 H z,4 0 0H z和5 0 0 H z单频噪声同时出现,均为工频5 0H z的整数倍,而谐波是工频基波整数倍频率的正弦电压或电流,因此可能与电源谐波有关。根据G B/T1 4 5 4 91 9 9 3 电能质量 公用电网谐波7要求,电源谐波质量主要用第h次谐波含有率和总谐波畸变率评价,以电压为例,第h次谐波电 压 含 有 率HRUh和 电 压 总 谐 波 畸 变 率THD u计算如下:HRUh=UhU11 0 0%(1)THD u=UHU11 0 0%UH=2(Uh)2(2)式中:Uh为第h次谐波电压(V,方均根值);U1为基波电压(V,方均根值);UH为谐波电压含量(V)。采用电源质量分析仪分别测试市电和稳压电源的电源质量,测试结果表明:1)市电和稳压电源谐波电流差别很小;2)市电的电压为2 2 5.4V,稍高于稳压电源2 2 0.3V;3)市电的电压总谐波畸变率达到5.5%,稳压电源只有0.6%;4)市电中的奇次谐波电压含有率较高,其中5次、7次、1 1次谐波电压分别达到1 0.4V,4.7V和2.9V,对应表3中谐波电压含有率分别达到4.6 3%,2.0 9%和1.2 9%,而稳压电源的谐波电压含有率很低,最大也只有3次谐波电压含有率达到0.5%;5)市电和稳压电源的偶次谐波电压含有率差别很小,市电最大为0.3 1%,稳压电源最大为0.1 4%。表3 实测电源谐波电压含有率%谐波电压次数谐波电压含有率市电稳压电源20.2 20.1 430.7 60.5 040.3 10.0 554.6 30.0 960.0 90.0 572.0 90.1 480.1 3090.6 20.0 51 00.0 90.0 51 11.2 90.1 4表4所示为部分国家谐波电压的限值要求8,可以看出国内的空调器应至少具备抵抗4%的奇次谐波电压含有率和2%的偶次谐波电压含有率的能力,空调器谐波噪声的评价应确保在单次谐波达到国标上限情况下无明显异常噪声。表4 部分国家谐波电压限值要求国家标准号电网电压/k V电压总谐波畸变率/%各次谐波电压含有率/%奇次偶次中国G B T1 4 5 4 91 9 9 30.3 8542美国I E E ES t d.5 1 9-1 9 9 26 9533俄罗斯 O C T1 3 1 0 9-9 70.3 88英国E R G5/3 1 9 7 60.4 1 55422.2 谐波电压与噪声关系根据电源质量分析结果,市电的5次、7次、1 1次谐波电压明显高于稳压电源,可能是这3次谐波诱发的2 0 0H z,3 0 0H z,4 0 0H z和5 0 0H z单频噪声。为了分析谐波噪声与谐波电压次数的关系,采用可编程交流电源发生器进行变谐波电压噪声测试。首先依次单独创建表3中市电的21 1次谐波,调试过程发现:偶次谐波对噪声基本不影响,可能是偶次谐波本身含量很低的原因;奇次谐波电压中5次、7次和1 1次影响最大,诱发的噪声频率主要是2 0 0H z,3 0 0H z,4 0 0H z和5 0 0H z,与市电下测试的噪声频率一致,证明推论是准确的。另外,分析表5中的测试数据可以看出,诱发 第9期李钟昀 等:单元式空气调节机谐波噪声特性分析及控制方法3 7 的噪声频率与奇次谐波电压次数存在以下关系:f=(i1)f0(3)式中:f为噪声频率(H z);f0为工频(H z);i为谐波电压次数。进一步增大奇次谐波电压含有率,测试发现对应频率的噪声幅值也会增大,如表5所示。调整偶次谐波电压含有率,研究偶次谐波电压含有率对噪声的影响,测试发现偶次谐波诱发的噪声频率也遵循式(3),且偶次谐波电压含有率增大,对应频率的噪声幅值也有增大的趋势,见表6。表5 奇次谐波电压含有率与噪声关系谐波电压次数谐波电压含有率/%噪声幅值/d B(A)1 0 0H z2 0 0H z3 0 0H z4 0 0H z5 0 0H z6 0 0H z21 10.0 03 2.11 6.61 4.51 2.91 3.31 3.430.7 63 2.11 7.21 3.71 3.51 3.11 4.14.0 03 1.02 9.01 6.31 5.41 5.41 5.054.6 33 2.64 3.33 8.32 2.11 5.12 2.272.0 93 2.31 8.53 2.32 8.01 5.31 4.44.0 03 2.01 8.73 7.33 2.01 6.61 4.190.6 23 2.21 6.01 3.71 8.41 6.11 4.74.0 03 2.01 8.51 4.83 3.72 8.11 2.31 11.2 93 2.11 6.61 4.51 2.62 1.11 8.24.0 03 2.11 8.01 5.01 4.03 0.22 6.33/5/7/9/1 14.0 03 1.34 3.74 2.53 7.73 4.32 9.5表6 偶次谐波电压含有率与噪声关系谐波电压次数谐波电压含有率/%噪声幅值/d B(A)5 0H z1 5 0H z2 5 0H z3 5 0H z4 5 0H z5 5 0H z21 10.0 01.51 5.41 3.41 1.61 4.71 4.322.0 01.71 5.21 3.71 3.31 4.41 3.742.0 01.31 7.31 9.81 2.71 5.31 4.562.0 02.91 4.02 2.32 3.01 4.61 3.32.0 01.91 6.01 2.62 2.03 7.11 3.681.0 02.01 3.61 3.81 7.33 1.21 3.60.5 01.91 4.61 3.11 4.62 5.81 4.72.0 00.81 3.01 2.11 3.83 7.22 1.11 01.0 02.01 3.21 4.91 2.83 0.71 8.20.5 02.21 2.11 4.21 2.22 4.71 5.82/4/6/8/1 02.0 01.41 5.82 7.42 8.24 2.42 1.32.3 噪声机制与传递路径分析由于室外机的风道系统零部件相对较少,采用依次拆除法确认噪声源和传递路径。将室外机依次拆除格栅、风扇,测试发现市电下室外机(电机)低挡运转时,2 0 0H z,3 0 0H z,4 0 0H z和5 0 0H z峰值频率依旧存在,但幅值有所降低。此时手握电机支架,幅值也会降低。将电机拆下,通电使电机单独运转,贴近测试发现峰值频率还在,异常噪声的听感再次降低,但市电下电机的振动明显高于稳压电源。进一步分析电机内部构造发现,绕组方式为L型,当切换挡位时,主副绕组匝数都会变化,导致内部磁场圆度差,抗谐波能力弱;而T型绕线方式的电机切换挡位时,副绕组匝数保持恒定,只是主绕组匝数增加,运行状态更接近于圆形磁场,抗谐波能力增强。根据上述分析,市电下嗡嗡异常噪声主要原因是L型电机的抗谐波能力不足,市电中的奇次谐波电压含量高,诱发电机产生谐波噪声和振动,通过电机支架传递到室外机壳体辐射噪声,通过风扇辐射气动噪声,传递路径如图3所示。图3 谐波噪声传递路径 3 8 第2 3卷 3 谐波噪声控制方法针对上述谐波噪声问题,围绕“源-路径-接收者”的声学模型,噪声解决方案从提升电机本体抗谐波能力和优化噪声传递路径2个维度展开。3.1 优化噪声传递路径针对图3中的传递路径1,尝试在电机支架增加大量油泥减振,有一定改善但噪声仍然存在,说明优化电机支架的方向改善有限;针对图3中的传递路径2,本次出现的噪声频率范围广,很难通过优化风扇降低如此宽范围噪声,且风扇为模具件,在其他直流电机机型上大量使用,改模的难度和影响较大。因此,优化传递路径方案不可行。3.2 提升电机抗谐波能力电机的电磁噪声是电磁力作用在定、转子的气隙中产生脉动力波、旋转力波,使定子产生振动而辐射噪声。这类噪声与电机气隙内的谐波磁场及由此产生的电磁力波幅值、频率与极数密切相关。常见的提高电机的抗谐波能力方案有:1)适当增大定转子气隙降低电磁激振力;2)正弦同心式绕组方案;3)选择合适的电容使电机逆序电流尽可能小;4)T型绕线方式,使磁场圆度尽可能圆;5)选择合适的叠厚及额部厚度;6)增大定子铁芯轭厚。综合上述方案,基于兼顾高/低转速噪声以及改动影响和周期,经与电机厂家沟通,最终确定将转子绕线方式由L型改为T型(见图4),提升电磁场圆度,以解决谐波噪声问题。图4 转子绕线方式3.3 试验验证针对更改后的T型电机,测试市电和稳压电源下室外机仅风机高/低风挡运转的噪声,为控制变量,市电谐波含量按照表3实测结果通过可编程交流电源发生器创建,测试结果如表7所示。可见,实测噪声均满足O A-峰值幅值大于1 0d B(A)的企标要求,现场主观确认无异常噪声,试验结果合格。表7 T型电机噪声测试条件和结果环境温度/传声器位置风机挡位电源条件实测转速/(r/m i n)噪声值OA/d B(A)F F T最大峰值频率/H z幅值/d B(A)OA-峰值幅值/d B(A)听感判定2 0机器正面,距离1m,高度0.8m高低市电8 7 05 6.41 3 14 1.81 4.6OK稳压电源8 5 05 5.41 7 03 9.61 5.8OK市电5 5 04 3.35 0 42 7.31 6.0OK稳压电源5 1 64 1.24 6 82 4.91 6.3OK图5 市电和稳压电源下室外机噪声1/3倍频程对比(T型电机)第9期李钟昀 等:单元式空气调节机谐波噪声特性分析及控制方法3 9 对比如图5所示的市电和稳压电源下室外机高/低风挡噪声1/3倍频程发现,整体趋势相当,无明显的谐波噪声,只是由于电压不同导致转速不同,各1/3倍频程噪声值略有差别。采用可编程交流电源发生器进行变谐波电压噪声测试(奇次谐波4%,偶次谐波2%),测试和现场评价均无异常噪声。由于低风挡转速较改前有所降低,追加测试电机温升和风量,均满足整机标准要求,至此,室外机谐波噪声问题闭环。4 结论针对某单元机的室外机谐波噪声问题,通过频谱和滤波技术分析了其噪声特性,结合电源质量差异,探究了谐波电压与噪声的关系,利用依次拆除法确定了谐波噪声机制与传递路径,并围绕声源和传递路径提出了一种针对谐波噪声的控制解决方案:通过将交流电机转子绕线方式由L型改为T型,提升电磁场圆度,可以有效解决谐波噪声问题。参 考 文 献1 黄辉,兰 江 华.电 源 谐 波 与 空 调 器 噪 声 振 动 关 系J.噪声与振动控制,2 0 1 4,3 4(4):2 1 9-2 2 2.2 高伟,吕锦銮.电源谐波诱发空调电机噪声问题的研究和控制J.通信电源技术,2 0 1 9,3 6(1 2):4 8-4 9,5 1.3 王培,张伟捷,陈伟,等.谐波电源下空调器噪声振动实验和数值模拟研究C2 0 1 9年中国家用电器技术大会论文集.2 0 1 9.4 张金圈,陈冬日.风管送风式空调机组高频噪声分析及降噪措施J.制冷与空调,2 0 1 7,1 7(9):4 6-4 9.5 蒋世用,赵志刚,张雪芬,等.电网谐波条件下光伏空调系统控制策略研究J.制冷与空调,2 0 1 8,1 8(1):1 2-1 6.6 袁浩,毛开智.变频压缩机低频异常噪声分析及改善J.制冷与空调,2 0 1 6,1 6(1 2):1 8-2 1.7 全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电能质量 公用电网谐波:G B/T1 4 5 4 91 9 9 3S.北京:中国标准出版社,1 9 9 4.8 林海雪.几种国外谐波电压标准的分析J.供用电,2 0 0 8,2 5(3):4-1 1.(上接第3 3页)9 S UNYT,WAN GTJ,YAN GL,e t a l.R e s e a r c ho f a ni n t e g r a t e dc o o l i n gs y s t e mc o n s i s t e do f c o m p r e s s i o nr e-f r i g e r a t i o na n dp u m p-d r i v e nh e a tp i p e f o rd a t ac e n t e r sJ.E n e r g ya n dB u i l d i n g s,2 0 1 9,1 8 7:1 6-2 3.1 0 Z HOUF,L ICC,Z HU WP,e t a l.E n e r g y-s a v i n ga-n a l y s i so f a c a s ed a t a c e n t e rw i t hap u m p-d r i v e n l o o ph e a tp i p e s y s t e mi nd i f f e r e n t c l i m a t e r e g i o n s i nC h i n aJ.E n e r g ya n dB u i l d i n g s,2 0 1 8,1 6 9:2 9 5-3 0 4.1 1 Z HOU F,D UAN W,MA G Y.T h e r m a lp e r f o r-m a n c eo fap u m p-d r i v e nl o o ph e a tp i p ea sa na i r-t o-a i re n e r g y r e c o v e r yd e v i c eJ.E n e r g ya n dB u i l d i n g s,2 0 1 7,1 5 1:2 0 6-2 1 6.1 2 王飞,王君,史作君,等.热管复合型机房空调研究与试验J.制冷与空调,2 0 1 7,1 7(1 2):3 7-4 1.1 3 王 飞.一 种 数 据 中 心 用 复 合 型 空 调 系 统:2 0 1 9 2 0 8 6 3 1 3 6.3P.2 0 1 9-0 6-1 0.1 4 马跃征,许树学,马国远,等.磁力泵驱动两相冷却复合制冷系统特性分析和 实 验 研 究 J.制 冷 学 报,2 0 1 6,6(3):1-5.1 5 白凯洋,马国远,周峰,等.全年用泵驱动回路热管及机械制冷复合冷却系统的性能特性J.暖通空调,2 0 1 6,4 6(9):1 0 9-1 1 5.1 6 王绚.泵驱动两相复合制冷系统性能特性与优化研究D.北京:北京工业大学,2 0 1 7.