變頻壓縮機(jī)在冰箱中的節(jié)能技術(shù)分析

李成武，隆 瑩，龍曉芬

[ 海信容聲(廣東)冰箱有限公司，廣東 佛山 528300 ]

1 關(guān)于變頻壓縮機(jī)的工作原理

在冰箱的發(fā)展過程中，壓縮機(jī)的技術(shù)革命對(duì)節(jié)能的影響最大，壓縮機(jī)的這種變化主要是制冷效率的提高，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)性能的提高、采用制冷劑的轉(zhuǎn)變等，使壓縮機(jī)的制冷效率提高到COP 2.0的水平，大大降低了冰箱的能耗。冰箱這種節(jié)能還只限制在壓縮機(jī)本身方面，如壓縮機(jī)的電機(jī)效率提高、壓縮機(jī)的機(jī)械效率提高、壓縮機(jī)的絕熱效率提高等。將冰箱的壓縮機(jī)與制冷系統(tǒng)統(tǒng)一研究后，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的制冷量與冰箱的節(jié)能也有較大的關(guān)系。制冷量的改變主要與壓縮機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，改變轉(zhuǎn)速的最好方法是采用變頻技術(shù)，這就要求加大對(duì)變頻壓縮機(jī)的節(jié)能技術(shù)研究。

對(duì)于冰箱壓縮機(jī)，一般是采用單相電機(jī)，單相電機(jī)的啟動(dòng)與運(yùn)行主要有啟動(dòng)繞組與運(yùn)行繞組，在電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行后一般啟動(dòng)繞組停止工作。這種壓縮機(jī)主要是定頻壓縮機(jī)，頻率由電網(wǎng)供應(yīng)。壓縮機(jī)的啟動(dòng)器也經(jīng)歷過一個(gè)變化的歷史過程，早期主要是由重錘啟動(dòng)器，因?yàn)橛|點(diǎn)的可靠性與易燃制冷劑的安全要求，開始采用PTC無觸點(diǎn)啟動(dòng)器。PTC啟動(dòng)器存在功耗問題，在壓縮機(jī)運(yùn)行的過程中會(huì)存在一定的功耗，它的功率一般在2～3W之間。在高效節(jié)能環(huán)保的要求下，壓縮機(jī)開始大量采用“e-PTC”，通過電子無功耗(約0.3W)降低壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的功耗。

對(duì)于變頻壓縮機(jī)，它是模擬三相交流電機(jī)的工作原理，通過三個(gè)繞組的不同工作狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行電機(jī)的工作，不需要啟動(dòng)器或啟動(dòng)輔助繞組。在不同的頻率下，波形長度不同，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)頻率高時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，壓縮機(jī)的功率大，制冷量也大，當(dāng)頻率較低時(shí)，壓縮機(jī)的功率與制冷量都變小。如圖1a(56Hz)，圖1b(96Hz)，圖1c(150Hz)，在不同的頻率下壓縮機(jī)三相運(yùn)行的波形圖以及其它參數(shù)。

圖1 在不同的頻率下壓縮機(jī)三相運(yùn)行的波形圖以及其它參數(shù)

圖2 采用電子開關(guān)換相的電機(jī)控制

為提高變頻壓縮機(jī)的效率，一般的轉(zhuǎn)子采用永磁材料，這種永磁材料都是通過生產(chǎn)過程中的充磁完成。轉(zhuǎn)子中磁極的長期存在與繞組產(chǎn)生的磁場不同，為提高磁場的效率，在電機(jī)的控制設(shè)計(jì)中，會(huì)通過電動(dòng)勢過零點(diǎn)進(jìn)行判定，采用電子開關(guān)進(jìn)行換相，如圖2。變頻壓縮機(jī)由于具有電子控制技術(shù)的優(yōu)勢，可以優(yōu)化磁場的設(shè)計(jì)，從而提高壓縮機(jī)電機(jī)的效率。

2 變頻板的節(jié)能

將單相電源變成可調(diào)頻率的三相電源，控制系統(tǒng)需要有變頻板的設(shè)計(jì)。變頻板在實(shí)際的運(yùn)行中需要消耗部分能量，不同的設(shè)計(jì)對(duì)能耗的影響不同，它主要包括開關(guān)電源的功耗與壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)變頻板在不同負(fù)載下產(chǎn)生不同的功耗。在不同轉(zhuǎn)速或頻率下，功耗不同，如圖3，進(jìn)行不同的變頻板功耗對(duì)比分析。

變頻板的功耗整體上會(huì)影響到壓縮機(jī)的COP參數(shù)，如果功耗越小，則壓縮機(jī)的效率越高，但總的來看，高頻下壓縮機(jī)效率的降低一方面與壓縮機(jī)本身的效率降低有關(guān)，另一方面也與變頻板的功耗有關(guān)。

圖3 不同的變頻板功耗對(duì)比分析

3 變頻壓縮機(jī)節(jié)能的原理

對(duì)于冰箱的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般蒸發(fā)器與冷凝器在設(shè)計(jì)確定后，不可改變，這決定了蒸發(fā)面積與冷凝面積的固定，而影響制冷量與散熱量的參數(shù)則主要是蒸發(fā)與冷凝的溫度差和換熱系數(shù)。當(dāng)溫度差變小時(shí)，換熱系數(shù)也會(huì)變小，但相對(duì)于溫度差的變化來說，溫度差的改變對(duì)制冷量或散熱量的影響最大。當(dāng)壓縮機(jī)的制冷量在變小時(shí)，相應(yīng)的散熱量也小。

冰箱的負(fù)荷與環(huán)境溫度有很大的關(guān)系，在高溫環(huán)境下，壓縮機(jī)的開機(jī)時(shí)間長，停機(jī)時(shí)間短，冰箱的開機(jī)率變大，而在低溫環(huán)境下，則冰箱的開機(jī)率變小。對(duì)于定頻壓縮機(jī)來說，制冷量在不同的環(huán)境溫度下也不相同，但變化量并不大，這樣在低溫環(huán)境下，定頻壓縮機(jī)的制冷量匹配過大。

變頻壓縮機(jī)因?yàn)榭梢愿淖冝D(zhuǎn)速而產(chǎn)生不同的制冷量，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后，制冷量也降低，它與冰箱在低溫環(huán)境下的負(fù)荷需求較匹配，在高溫環(huán)境下，通過增加轉(zhuǎn)速提高壓縮機(jī)的制冷量，適應(yīng)冰箱在高溫環(huán)境下的負(fù)荷需求。

在制冷系統(tǒng)中的兩器設(shè)計(jì)不變的情況下，壓縮機(jī)制冷量變小后，在低溫環(huán)境下，出現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器匹配過大的問題，從而出現(xiàn)蒸發(fā)溫度高，蒸發(fā)器溫度與環(huán)境溫度的差值變小，冷凝溫度也變低，冷凝器溫度與環(huán)境溫度的差值變小。在經(jīng)過兩器的溫度變化后，壓縮機(jī)的COP變高，說明壓縮機(jī)的效率提高，冰箱也就節(jié)能。變頻壓縮機(jī)節(jié)能的關(guān)鍵是因?yàn)橹评淞孔冃『?，蒸發(fā)溫度上升，提高了壓縮機(jī)本身的制冷效率。

壓縮機(jī)在不同頻率下的制冷效率COP是不同的，從圖4中可以看出這種變化，在高轉(zhuǎn)速的情況下，COP下降比較多，這也與變頻板的功耗加大有關(guān)。

圖4 壓縮機(jī)在不同頻率下的制冷效率COP

4 冰箱在不同環(huán)境下的節(jié)能分析

根據(jù)變頻壓縮機(jī)節(jié)能的原理，制冷量小的時(shí)候產(chǎn)生較高的蒸發(fā)溫度，提高了壓縮機(jī)的制冷效率。冰箱一般處于一個(gè)多變的環(huán)境，在低溫環(huán)境下，周圍的熱負(fù)荷小，冰箱耗電小，而在高溫的環(huán)境下，冰箱的熱負(fù)荷大，冰箱壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間長，效率低，耗電大。

目前市場中所提及的變頻壓縮機(jī)節(jié)能，主要是針對(duì)目前的冰箱能耗測試標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)中要求環(huán)境溫度是25℃，按照此環(huán)境溫度下，變頻壓縮機(jī)比相同制冷效率COP的定頻壓縮機(jī)節(jié)能，但是對(duì)于在其它較高環(huán)境溫度下的節(jié)能情況如何，本論文通過對(duì)一個(gè)具體的無霜冰箱的對(duì)比計(jì)算分析，研究變頻壓縮機(jī)與定頻壓縮機(jī)在不同環(huán)境溫度情況下的節(jié)能情況。

通過采用自主開發(fā)的仿真軟件進(jìn)行不同設(shè)計(jì)計(jì)算分析，如圖5為某無霜冰箱的性能計(jì)算仿真模塊局部圖。

通過軟件的計(jì)算與實(shí)際測試結(jié)果對(duì)比，了解冰箱在25℃環(huán)境下的能耗差異，從而可以利用它進(jìn)行其它數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)如表1。

通過對(duì)25℃環(huán)境下的能耗分析后，能耗的計(jì)算與實(shí)測結(jié)果比較一致，可以采用軟件對(duì)定頻壓縮機(jī)與變頻壓縮機(jī)分別在不同的環(huán)境溫度下冰箱的節(jié)能情況進(jìn)行分析。

根據(jù)變頻壓縮機(jī)的特點(diǎn)，分別設(shè)定壓縮機(jī)在不同溫度下的運(yùn)行轉(zhuǎn)速不同，從而產(chǎn)生不同的制冷量與制冷效率，相關(guān)參數(shù)見表2。

分別按照定頻壓縮機(jī)的制冷量為190W，COP為1.9的性能參數(shù)與變頻壓縮機(jī)的參數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng)過軟件的計(jì)算后，可以計(jì)算出冰箱在不同的環(huán)境溫度下的能耗，如圖6?？紤]到冰箱的實(shí)際負(fù)荷不同，在不同的環(huán)境溫度下對(duì)變頻壓縮機(jī)可以選用不同的制冷量參數(shù)，因此對(duì)變頻壓縮機(jī)作出兩種選擇方案。通過計(jì)算后分析出變頻壓縮機(jī)的兩種方案與定頻壓縮機(jī)在不同環(huán)境下的節(jié)能比例，如圖7，同時(shí)也可以分別計(jì)算出冰箱在不同環(huán)境下的開機(jī)率，如圖8。

圖5 某無霜冰箱的性能計(jì)算仿真模塊局部圖

表1 冰箱在25℃環(huán)境下的能耗設(shè)計(jì)值與測試值對(duì)比

表2 變頻壓縮機(jī)在不同環(huán)境溫度下的參數(shù)選擇

通過上述數(shù)據(jù)的分析，在高溫環(huán)境下，如果壓縮機(jī)的制冷量過大，則開機(jī)率會(huì)小于定頻壓縮機(jī)的開機(jī)率，冰箱在高溫下反而不節(jié)能。通過對(duì)不同變頻方案的計(jì)算也可以看出，變頻壓縮機(jī)的性能參數(shù)更應(yīng)該與冰箱的具體負(fù)荷情況進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)才會(huì)更加節(jié)能。同時(shí)也說明提高變頻壓縮機(jī)的節(jié)能是盡量將壓縮機(jī)的制冷量與冰箱在不同的環(huán)境溫度下的熱負(fù)荷進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

圖6 冰箱在不同的環(huán)境溫度下的能耗

圖7 變頻壓縮機(jī)的兩種方案與定頻壓縮機(jī)在不同環(huán)境下的節(jié)能比例

5 結(jié)論

通過上述的分析，變頻壓縮機(jī)的節(jié)能應(yīng)盡量減少變頻壓縮機(jī)的高頻應(yīng)用，降低變頻板的功耗，同時(shí)利用變頻壓縮機(jī)的可調(diào)性，盡量將壓縮機(jī)的制冷量與冰箱的熱負(fù)荷相匹配，提高壓縮機(jī)的運(yùn)行率，盡量提高變頻壓縮機(jī)在各環(huán)境溫度下的節(jié)能效果。

圖8 冰箱在不同環(huán)境溫度下的開機(jī)率

通過仿真軟件的計(jì)算分析可知，變頻壓縮機(jī)與同水平的定頻壓縮機(jī)在能耗方面相比，可以達(dá)到12%以上的節(jié)能效果，在高溫環(huán)境下，也可以達(dá)到相同的能耗水平。

[1] 陳沛霖，岳孝方.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1990，7

* 浙江加西貝拉變頻壓縮機(jī)技術(shù)資料