變頻技術(shù)在制冷壓縮機領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

呂　肖，鄒　偉，徐立軍

( 中國賽寶實驗室 質(zhì)量安全檢測中心，廣東 廣州 510610 )

變頻技術(shù)在制冷壓縮機領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

呂肖，鄒偉，徐立軍

( 中國賽寶實驗室 質(zhì)量安全檢測中心，廣東 廣州 510610 )

[摘要]本文概述了變頻技術(shù)的基本原理和分類，重點介紹其在制冷壓縮機中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，并對其前景進行了展望。

[關(guān)鍵詞]變頻技術(shù)；制冷壓縮機；應(yīng)用

收稿日期：2015-7-28

作者簡介：呂肖(1987-)，男，工程師，主要從事空調(diào)產(chǎn)品安全、性能及能效的認證和研究工作。Email：lyuxiao@ceprei.biz

文章編號：ISSN1005-9180(2015)04-087-05

中圖分類號：TN830.2；TB652文獻標示碼：B

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.016

Abstract：The basic principle and classification of inverter technology are introduced，especially its application and development status in refrigeration compressors，and prospects for its development.

Application Status of Inverter Technology Applied

in Refrigeration Compressor

LYU Xiao，ZOU Wei，XU Lijun

(Quality Safety Testing Center，China CEPREI Laboratory，Guangzhou 510610，China)

Keywords:Invertertechnology；Refrigerationcompressor；Application

1引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，資源短缺的矛盾日益顯現(xiàn)。經(jīng)濟發(fā)展模式也由粗放型向集約型開始轉(zhuǎn)變，政府對產(chǎn)品能效的認知及要求在不斷提高。眾多的制冷企業(yè)也在源源不斷的推出高性能的新品以應(yīng)對市場的最新需求。變頻技術(shù)應(yīng)用在空調(diào)主機領(lǐng)域中，以其良好的綜合性能表現(xiàn)，產(chǎn)品市場份額逐年擴大。其特性如下[1]：

1)可以實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍大、調(diào)整精度高，功率因數(shù)大、效率高、節(jié)能節(jié)電。

2)啟動方式為變頻軟啟動，啟動平滑，消除機械的沖擊力，保護機械設(shè)備；有效地減少了電機啟動時大電流的沖擊，延長了電機的使用壽命；啟動電流小，減少電源設(shè)備容量。

3)變頻調(diào)速保護功能齊全，自動化程度高、可靠性高，減少了設(shè)備維護、檢修費用。變頻器具有失電、過壓、欠壓及電機過流自動保護功能，能有效地實現(xiàn)電氣設(shè)備的安全可靠運行。

2變頻技術(shù)

無論是家用空調(diào)系統(tǒng)中的氟機還是商用空調(diào)中的水機，作為電制冷產(chǎn)品四大件之一的壓縮機，其變頻技術(shù)一直被視為變頻主機的核心技術(shù)，因為變頻壓縮機的性能最終決定著整個產(chǎn)品乃至整個制冷供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定。

變頻技術(shù)就是把直流電逆變成不同頻率的交流電，或是把交流變成直流再逆變成不同頻率的交流電，或是把直流變成交流再把交流變成直流。在這些變化過程中，一般只是頻率發(fā)生變化。

變頻技術(shù)可分成四大部分：交—直變頻技術(shù)、直—直變頻技術(shù)、直—交變頻技術(shù)、交—交變頻技術(shù)。變頻壓縮機根據(jù)其電機使用直流還是交流可分為直流變頻和交流變頻兩種變頻方式。

2.1交流變頻

由交流異步電機轉(zhuǎn)速公式[2]可知，

n1=60f(1-s)/P

(1)

式中：f是電流頻率，s是轉(zhuǎn)差率，P是電機極對數(shù)。

由式(1)可知，通常改變電機轉(zhuǎn)速的做法有3種：變頻調(diào)速、變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。而后2種調(diào)速方式一般應(yīng)用在機床和起重設(shè)備中，在空調(diào)電機調(diào)速方案中，大多數(shù)采用變頻調(diào)速方案。主要原因是相對其他2種方式而言，改變電源的頻率更方便，且低速時電機功率大大降低。因此，早期的交流變頻技術(shù)是通過變頻器改變電機輸入電源的頻率實現(xiàn)電機調(diào)速。這種調(diào)速方式在改變頻率大小的同時，電機定子的電壓必須隨之發(fā)生變化，即在變頻的同時要變壓。這種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法稱為VVVF(variablevoltagevariablefrequency)，簡稱為V/F變頻控制，如圖1所示。

圖1　交流變頻的 V-f 曲線

2.2直流變速

其實直流變頻是一個錯誤的叫法，因為直流已無頻率可言。市場上通常將使用BLDC(無刷直流)電機和PMSM(永磁同步)電機的調(diào)速方案稱為直流變速。這2種電機的轉(zhuǎn)子都為永磁體，其主要不同點是2種電機的反電動勢不同。BLDC為梯形波，PMSM為正弦波。為保持稱呼一致，文中該類型電機的調(diào)速技術(shù)統(tǒng)一稱為直流變速技術(shù)。BLDC電機的本體由定子和轉(zhuǎn)子兩大部件構(gòu)成，如圖2所示。

圖2　直流無刷電機本體截面圖

定子與感應(yīng)電機相似，由嵌在鐵芯中的單相或多相對稱線圈繞組構(gòu)成。

轉(zhuǎn)子由一定極對數(shù)的永磁體鑲嵌在鐵芯表面或內(nèi)部構(gòu)成。

位置傳感器將磁極位置信號轉(zhuǎn)變成電信號，控制定子繞組換相，使定子繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子的位置變化按一定次序換相，形成旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)。這種通過改變矢量磁場的速度調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的技術(shù)，即通常所說的直流變速技術(shù)。

2.3空調(diào)運用變頻技術(shù)的現(xiàn)狀

國內(nèi)空調(diào)企業(yè)在近30年的發(fā)展過程中，通過相互合作和自主創(chuàng)新，取得了不小的進步：家用空調(diào)已走過由定頻、交流變頻、直流變頻等階段，成熟邁入全直流變頻時代；輕型商用機組的變頻技術(shù)在多聯(lián)機領(lǐng)域中發(fā)揮得淋漓盡致；大型商用變頻機組(含磁懸浮機組)也開始在市場上攻城拔寨，逐步得到業(yè)主的認可及青睞，而且制造商數(shù)量在不斷增加，可稱得上百花齊放。

3變頻壓縮機的發(fā)展狀況

在空調(diào)主機產(chǎn)品中，壓縮機的功率占主機功率的90%左右，確保壓縮機高效穩(wěn)定運行至關(guān)重要。由于往復(fù)式壓縮機往復(fù)運動的特點限制了變頻特性的發(fā)揮，故關(guān)于變頻壓縮機的性能研究主要集中在滾動轉(zhuǎn)子壓縮機、渦旋壓縮機、螺桿壓縮機等回轉(zhuǎn)式壓縮機上。接下來，筆者將以相關(guān)可靠的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合自身多年的工作經(jīng)驗，對當前變頻壓縮機的性能及市場應(yīng)用進行簡要分析。

3.1變頻轉(zhuǎn)子式

對于滾動轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機的實驗研究,西安交通大學的張華俊、袁秀玲等人對不同的變頻滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機進行性能測試,并獲得有關(guān)結(jié)論。壓縮機在變頻運行時,制冷量、輸入功率隨著頻率的增大基本上呈線性遞增；而COP值隨頻率變化則呈拋物線型并在額定頻率附近維持較高值；余隙容積對制冷量的影響隨頻率的升高而降低；斜切口角度對輸入功率的影響隨頻率的升高而升高[3]。

市場方面，2014年度轉(zhuǎn)子式壓縮機的總出貨量約1.5億臺，其中變頻機5000多萬臺，各廠家變頻壓縮機的出貨量見表1[4]。此外，結(jié)合環(huán)保、高效等方面的要求，R290、R417A和CO2等工質(zhì)專用壓縮機技術(shù)日漸成熟并開始邁入商業(yè)化生產(chǎn)階段。

表12014年度各企業(yè)變頻轉(zhuǎn)子壓縮機產(chǎn)量(萬臺)

企業(yè)名稱出貨量美芝1697凌達1643松下萬寶626三菱電機397上海日立303大金181三星129三洋127LG117瑞智107合計5327

3.2變頻渦旋式

對于渦旋變頻壓縮機,廣州萬寶壓縮機有限公司的廖全平結(jié)合工程實踐中的許多實例,得出渦旋變頻壓縮機的特點:隨著頻率的增大,渦旋變頻壓縮機的制冷量幾乎呈線性遞增,而能效比則在比較大的頻率范圍內(nèi)幾乎不變[5]。蘭州理工大學的劉興旺等在理論結(jié)合試驗的前提下，得出轉(zhuǎn)速引起的動靜渦旋齒間的泄漏量的變化是引起變頻渦旋壓縮機壓縮性能變化的根本原因。要提高變頻渦旋壓縮機在低轉(zhuǎn)速下的壓縮性能，需從減小泄漏方面著手研究[6]。

2014年以來，海立、凌達、比澤爾等企業(yè)紛紛涉足投產(chǎn)渦旋壓縮機。行業(yè)普遍認為有兩個方面的原因：一方面，渦旋壓縮機市場具有相對好的利潤空間，畢竟渦旋壓縮機技術(shù)含量較高，不是所有企業(yè)都能涉足，因而能夠保持相對較高的利潤水平；另一方面，渦旋壓縮機市場前景被普遍看好，特別是制冷空調(diào)產(chǎn)業(yè)向高端轉(zhuǎn)型，為渦旋壓縮機提供了用武之地，渦旋式壓縮機成長空間已經(jīng)被打開。

3.3變頻螺桿式

目前國內(nèi)外生產(chǎn)并且銷售螺桿式制冷壓縮機的企業(yè)主要有比澤爾、萊富康、漢鐘、復(fù)盛、凱萊、格力、富士豪、大連冰山、煙臺冰輪、豪頓等等。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展及人們節(jié)能減排意識的深入，變頻螺桿制冷壓縮機的市場份額逐步增加。近年來，各螺桿壓縮機的生產(chǎn)廠家相繼系列化推出變頻螺桿制冷壓縮機，歐系、臺系產(chǎn)品占據(jù)相對的優(yōu)勢。除以上企業(yè)之外，對于傳統(tǒng)的主機廠家，其壓縮機技術(shù)更勝一籌，約克、開利自主開發(fā)的變頻螺桿式冷水機組始終走在行業(yè)的前端。尤其是開利公司推出的三螺桿變頻壓縮機被視為近年來制冷設(shè)備領(lǐng)域少有的技術(shù)亮點之一，該技術(shù)榮獲中國節(jié)能協(xié)會頒發(fā)的“2012節(jié)能中國十大應(yīng)用新技術(shù)”獎。

結(jié)合目前變頻螺桿制冷壓縮機的應(yīng)用現(xiàn)狀，變頻螺桿制冷壓縮機的發(fā)展還應(yīng)從以下方面繼續(xù)努力[7]：

1)采用可調(diào)的內(nèi)容積比的結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮變頻螺桿制冷壓縮機的性能；

2)精確控制量化轉(zhuǎn)子壓縮腔的噴油量，減少壓縮機的油壓功耗，同時確保轉(zhuǎn)子嚙合時形成油膜所需的油量；

3)改變常規(guī)螺桿制冷壓縮機的吸氣冷卻電機的方式，減少吸氣壓損；

4)應(yīng)用小游隙、高精度的滾動軸承，提高零件設(shè)計與加工精度，減少轉(zhuǎn)子壓縮腔運動部件間隙的泄漏；

5)提高轉(zhuǎn)子齒面加工精度，減少氣流摩擦損失；

6)向更低頻的范圍拓展，使得變頻螺桿制冷壓縮機的啟動性能更好；

3.4變頻離心式

壓縮機按種類可分為容積式和速度式，前面提到的幾種壓縮機可歸為容積式，而在制冷壓縮機領(lǐng)域，速度式壓縮機目前僅有離心式一種。但速度式壓縮機與生俱來的優(yōu)勢就是更適合變頻，在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，制冷劑的流量減少，工作壓頭降低，在部分負荷時性能更優(yōu)越。

由于離心式冷水機組的特定工作原理，在低負荷下運行時，當流量減小至最小流量點時，容易發(fā)生離心機特有的現(xiàn)象——喘振，喘振是壓縮機一種不穩(wěn)定的運行狀態(tài)。壓縮機發(fā)生喘振時，將出現(xiàn)氣流周期性振蕩現(xiàn)象，帶給壓縮機嚴重的損壞，會導(dǎo)致嚴重后果。喘振是離心式壓縮機這種速度式壓縮機本身的固有特性[8]，這也是變頻離心式壓縮機在結(jié)構(gòu)設(shè)計和運行控制方面要克服的核心問題?？衫玫某墒旒夹g(shù)有：熱氣旁通、進口導(dǎo)葉控制、可轉(zhuǎn)動式擴壓器和可移動式擴壓腔等等[9]。

目前推出變頻離心式壓縮機技術(shù)的主要廠家見表2。與以往歐美市場獨大的情形不同，國內(nèi)民族品牌擁有或掌握了自己的壓縮機技術(shù)，并取得了予以肯定的成就：格力光伏直驅(qū)變頻離心機和美的超高效氣浮直驅(qū)變頻離心機。

表2變頻離心式壓縮機品牌一覽

技術(shù)體系品牌歐美約克、開利、麥克維爾、頓漢布什、丹佛斯日本日立、荏原、三菱重工韓國LG、世紀重工臺灣東元、漢鐘國內(nèi)美的、格力

以磁懸浮變頻離心機為例，它采用了直流變頻技術(shù)，取消了齒輪傳動機構(gòu)，采用磁懸浮軸承規(guī)避了油潤滑等措施，使離心式冷水機組的性能得到了極大的提升和改善[10]，如圖3所示。

圖3　不同形式冷水機組100%負荷下COP隨冷卻水溫度變化曲線

4結(jié)論

制冷空調(diào)主機采用變頻壓縮機低頻起動方式后,可實現(xiàn)軟啟動，起動電流小,對電網(wǎng)無沖擊作用,啟動后以最大能力進行快速制冷或制熱運行，滿足負荷要求后,自動降低運行能力，以維持負荷穩(wěn)定狀態(tài)，控制精度高，可減少停機壓力損失，有效避免定速壓縮機頻繁開?，F(xiàn)象。在多數(shù)時間里，變頻控制使得機組的制冷量(或制熱量)與負荷需求相當，且在低速、低壓比條件下具有良好的運轉(zhuǎn)性能，能源效率得到提高。隨著變頻器成本日益降低、變頻控制技術(shù)日趨成熟，相比定頻壓縮機，變頻壓縮機的發(fā)展已成為未來的主流趨勢。

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