家用直流變頻空調(diào)器用轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍的確定方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

倫成鋼

（西安慶安制冷設(shè)備股份有限公司，陜西西安710075）

1 引言

為進(jìn)一步提升直流變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，結(jié)合用戶要求，在現(xiàn)有直流機(jī)產(chǎn)品和定速機(jī)可靠性考核的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了直流變頻壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍確定的分析、研究和試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

通過(guò)分析、研究，明確了直流機(jī)產(chǎn)品運(yùn)行范圍確定的依據(jù)；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了相應(yīng)極限點(diǎn)試驗(yàn)的可行性和合理性，確定了直流變頻壓縮機(jī)開(kāi)發(fā)的可靠性考核的可信性。

2 直流變頻壓縮機(jī)安全工作范圍的確定

2.1 直流變頻壓縮機(jī)安全工作區(qū)域的理論分析

根據(jù)直流變頻壓縮機(jī)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域（家用空調(diào)、冷凍冷藏或熱泵等）的工作條件，以及可能遇到的極限高低溫?zé)嵩吹臏囟取⒅评鋭┓N類、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（能夠承受的最大壓比、最高排氣溫度；軸承的最大承載能力、潤(rùn)滑要求等限制）和壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍等條件來(lái)確定出吸氣壓力（蒸發(fā)溫度） 范圍和排氣壓力（冷凝溫度） 范圍，確定基本的安全運(yùn)行范圍，通過(guò)試驗(yàn)確定最終的可靠安全運(yùn)行范圍。

下面以1～3hp家用空調(diào)器為例，分別針對(duì)采用R407C、R22、R410A三種制冷工質(zhì)，在T1氣候類型條件下，以直流變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)為對(duì)象，分析安全工作區(qū)域的理論確定方法，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1.1 吸氣壓力（蒸發(fā)溫度）范圍的確定

根據(jù)家用小型空調(diào)器（電機(jī)輸出功率不大于3hp）在制冷、制熱時(shí)可能遇到的低溫?zé)嵩吹臉O限溫度及換熱溫差，找出蒸發(fā)溫度范圍，確定出如圖1所示的吸氣壓力（蒸發(fā)溫度）和運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)速）的關(guān)系曲線。

圖1中，MAX線是指制冷時(shí)可能遇到的最大吸氣壓力（蒸發(fā)溫度）范圍線；MIN線是指制熱時(shí)可能遇到的最小吸氣壓力（蒸發(fā)溫度） 范圍線。這樣就給定了壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的吸氣壓力（蒸發(fā)溫度）范圍。所以，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)的實(shí)際吸氣壓力（蒸發(fā)溫度） 必須限制在這2條吸氣壓力（蒸發(fā)溫度）線之間的范圍內(nèi)，如果超出，無(wú)法確保壓縮機(jī)安全工作；如果達(dá)不到，無(wú)法滿足空調(diào)器的使用要求。

當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率較小時(shí)，2條吸氣壓力（蒸發(fā)溫度）范圍線會(huì)發(fā)生變化：

在制熱運(yùn)行時(shí)，當(dāng)直流變頻壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（30Hz以下） 較小時(shí)，實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)高低壓壓差會(huì)變小，此時(shí)蒸發(fā)壓力會(huì)變高。此種情況表現(xiàn)在MIN線上為區(qū)域?yàn)镕B（nB）至FO（nO）區(qū)域間，蒸發(fā)溫度由-25℃升至-7℃，可近似認(rèn)為在此區(qū)間內(nèi)蒸發(fā)溫度值是隨壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率值變化的一次函數(shù)。在制冷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（在45 Hz以下）較小時(shí)，實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)高低壓壓差會(huì)變小，此時(shí)蒸發(fā)壓力會(huì)變高。此種情況表現(xiàn)在MAX線上為區(qū)域?yàn)?5Hz（2700 r/min）至FO（nO）區(qū)域間，蒸發(fā)溫度由15℃升至22.6℃，可近似認(rèn)為在此區(qū)間內(nèi)蒸發(fā)溫度值是隨頻率值變化的一次函數(shù)。

而當(dāng)直流變頻壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率很高（100 Hz以上）時(shí)，由于受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最大電機(jī)軸功率限制，實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)高低壓壓差不會(huì)很大，此時(shí)蒸發(fā)壓力會(huì)變低，雖然轉(zhuǎn)速增大，但是吸氣密度下降，使得總功率未超過(guò)設(shè)計(jì)允許的最大電機(jī)軸功率限制。此種情況表現(xiàn)在MAX線上為區(qū)域?yàn)镕1（n1）至F2（n2）區(qū)域間，蒸發(fā)溫度由15℃降至-1.6℃，可近似認(rèn)為在此區(qū)間內(nèi)蒸發(fā)溫度值是隨頻率值變化的一次函數(shù)。

2.1.2 排氣壓力（冷凝溫度）范圍的確定

根據(jù)家用小型空調(diào)器（輸入功率不大于3hp）在制冷、制熱時(shí)可能遇到的高溫?zé)嵩吹臉O限溫度，找到最大冷凝溫度：65℃。依據(jù)吸氣壓力（蒸發(fā)溫度） 范圍與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)速） 關(guān)系圖（圖1），確定出如圖2所示的最大排氣壓力（冷凝溫度）和運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)速）的關(guān)系曲線。具體方法如下：

在圖1所示吸氣壓力（蒸發(fā)溫度）范圍內(nèi)，壓縮機(jī)所允許達(dá)到的最高排氣壓力確定原則：

T1氣候類型下、在相應(yīng)高溫?zé)嵩礈囟葪l件下、在任何情況下（無(wú)論制熱或制冷），滿足排氣壓力最大值小于65℃所對(duì)應(yīng)的最高冷凝壓力、電機(jī)繞組溫度tm≤135℃、排氣溫度td≤120℃、壓縮機(jī)相電流峰值不超過(guò)直流電機(jī)退磁電流值等條件。

在上述這些原則的限制下，通過(guò)試驗(yàn)實(shí)際測(cè)試來(lái)獲得不同的壓縮機(jī)在相應(yīng)運(yùn)行頻率下各自的最大排氣壓力極限值。

按照以上原則，通過(guò)壓縮機(jī)排氣壓力試驗(yàn)得出排氣壓力（冷凝溫度） 與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)速） 關(guān)系圖（圖2）。

2.1.3 直流變頻壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍的確定

在確定了吸氣壓力（蒸發(fā)溫度） 與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)速） 關(guān)系圖和排氣壓力（冷凝溫度） 與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)速）關(guān)系圖后，根據(jù)指定的運(yùn)行頻率，按圖1、圖2所提供的壓力～頻率對(duì)應(yīng)數(shù)值，即可得到壓縮機(jī)在某一頻率下運(yùn)行的安全運(yùn)行范圍框架（即安全運(yùn)行范圍圖中，蒸發(fā)壓力左右2條線0.23 MPa、1.15 MPa和冷凝壓力上面一條最大線4.15 MPa）。至此，安全運(yùn)行范圍圖中，該運(yùn)行頻率下的蒸發(fā)壓力的兩縱與冷凝壓力的一橫3條線確定，運(yùn)行范圍大框架基本確立。

在30～120 Hz的運(yùn)行范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子式直流變頻壓縮機(jī)所能容許的最大壓比為7.5（防止冷媒排氣溫度過(guò)高），最小壓比為2（防止冷媒質(zhì)量流量過(guò)大）。據(jù)此，以100 Hz運(yùn)行頻率為例進(jìn)行分析，可得到該運(yùn)行頻率下的運(yùn)行范圍為a-b-c-j-k。同理，對(duì)其他主要運(yùn)轉(zhuǎn)頻率都進(jìn)行分析，根據(jù)圖1、2中的排氣壓力、吸氣壓力范圍，對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率確定出直流變頻壓縮機(jī)允許的安全運(yùn)行范圍圖（如圖3）。

其中：f-g-h-i為18Hz運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，a-b-c-d-e為30 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，a-b-c-j-k為45～100 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，a-b-i-m-n為120 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。

圖1 吸氣壓力（蒸發(fā)溫度）與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)速）關(guān)系圖（其中：A代表R407C工質(zhì)；B代表R22工質(zhì)；C代表R410A工質(zhì)）

圖2 排氣壓力（冷凝溫度）與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率（轉(zhuǎn)速）關(guān)系圖

圖3 直流變頻壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍圖

表1 直流變頻壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍圖各極限點(diǎn)的說(shuō)明（壓力為表壓，以下同）

與更高的頻率相比，由于在30 Hz運(yùn)行頻率下，在j點(diǎn)電機(jī)還未到最大軸功率，可以拓展到d點(diǎn)（此時(shí)電機(jī)達(dá)到該頻率下的最大軸功率），所以安全運(yùn)行范圍向右擴(kuò)大，由45～100 Hz運(yùn)行頻率的ab-c-j-k增大到a-b-c-d-e（即安全運(yùn)行范圍增大了j-k-e-d的面積）。

同理，與其他頻率相比，由于120 Hz運(yùn)行頻率下，電機(jī)運(yùn)行受到所能承受的最大軸功率限制，所以安全運(yùn)行范圍向左縮小，由45～100 Hz運(yùn)行頻率的a-b-c-j-k縮小到a-b-i-m-n（即安全運(yùn)行范圍縮小了i-m-n-e-k-j的面積）。

另外，在18 Hz運(yùn)行頻率下，由于轉(zhuǎn)速很低，在空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)不會(huì)維持較高的高壓和壓比，所以安全運(yùn)行范圍f-g-h-i向下、向右移動(dòng)。為防止相對(duì)質(zhì)量流量過(guò)大，影響潤(rùn)滑，損害泵體零件，要求pd≥ps+0.2，所以有f-i界線。故18 Hz時(shí)安全運(yùn)行范圍為f-g-h-i。

綜上所述，得到直流變頻壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍如圖3所示。其中，各邊界點(diǎn)成為運(yùn)行范圍的極限點(diǎn)，對(duì)其說(shuō)明如表1（以45～100 Hz的運(yùn)行范圍為例說(shuō)明）。

圖3為家用空調(diào)用轉(zhuǎn)子式直流變頻壓縮機(jī)的典型安全運(yùn)行范圍，是根據(jù)家用空調(diào)器的使用要求而確立。按APF（全年能效）標(biāo)準(zhǔn)要求所設(shè)計(jì)的直流變頻壓縮機(jī)在該安全運(yùn)行范圍圖中的各極限點(diǎn)能否正常運(yùn)行，需要通過(guò)摸底試驗(yàn)去驗(yàn)證。

表2 安全運(yùn)行范圍各極限點(diǎn)的試驗(yàn)工況條件

2.2 安全運(yùn)行圖極限點(diǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 極限試驗(yàn)點(diǎn)考核工況

根據(jù)圖3的安全運(yùn)行范圍圖極限點(diǎn)的蒸發(fā)、冷凝壓力條件，將過(guò)熱度、過(guò)冷度均定為5℃，運(yùn)行頻率主要考核低速和高速 （18 r/s、30 r/s、100 r/s和120 r/s），所確定部分極限試驗(yàn)考核工況如表2所示。

2.2.2 測(cè)試方法

測(cè)試設(shè)備：壓縮機(jī)熱量計(jì)；

測(cè)試產(chǎn)品：用1hp直流變頻壓縮機(jī)進(jìn)行了摸底測(cè)試；

測(cè)試要求：按所確定的試驗(yàn)考核工況進(jìn)行，每工況跑穩(wěn)后，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

2.2.3 極限試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匯總分析，見(jiàn)表3

綜合壓縮機(jī)產(chǎn)品在量熱計(jì)上測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得到壓縮機(jī)在相應(yīng)的工況下的負(fù)荷（功率）、流量和排氣溫度等情況，據(jù)此分析如下：

（1） LL點(diǎn)，由于高低壓均低，壓差小，蒸發(fā)溫度低，壓縮機(jī)量熱計(jì)的現(xiàn)有配置無(wú)法對(duì)此工況進(jìn)行正常測(cè)試，本文對(duì)此不再進(jìn)行驗(yàn)證。

（2） HPR點(diǎn)，由于蒸發(fā)溫度低，吸氣溫度低，實(shí)際測(cè)試中，吸氣溫度不穩(wěn)定。

（3） HL點(diǎn)，在100 Hz時(shí)功率最大。HMF點(diǎn)，在100 Hz時(shí)流量最大。

（4） 比較HPR點(diǎn)與HPD點(diǎn)，兩者壓比接近，壓差相差較大；HPD點(diǎn)、100 Hz狀態(tài)下，排氣溫度最高。

（5） 從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，HL（最大負(fù)荷點(diǎn)） 工況功率最大，流量大；HPR（最大壓比點(diǎn)） 工況壓比最大、流量小、功率小、排溫高；HPD（最大壓差點(diǎn)）工況壓差最大、流量小、功率大、排溫實(shí)際最高；HMF（最大流量點(diǎn)）工況流量最大。

（6） 各極限點(diǎn)工況下，壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷、功率和排氣溫度等參數(shù)均未超過(guò)壓縮機(jī)的極限工作狀態(tài)。

表3 極限點(diǎn)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匯總

（7） 安全運(yùn)行范圍試驗(yàn)，應(yīng)對(duì)各極限點(diǎn)工況條件分別進(jìn)行，考察壓縮機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速、壓比、壓差、排氣溫度和軸功率等條件下的可靠性。其中，考核最嚴(yán)格的工況為：HL-j 100 Hz、HMF-k 100 Hz、HPD-c 100 Hz和LL-j 18 Hz。

3 結(jié)論

（1） 本文根據(jù)空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析研究了直流變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的安全運(yùn)行范圍確定方法。

（2） 根據(jù)試驗(yàn)摸底，得到了壓縮機(jī)在各極限點(diǎn)上的實(shí)際工作狀況（功率、流量和排氣溫度等）；從測(cè)試數(shù)據(jù)可以判斷目前設(shè)計(jì)的直流變頻壓縮機(jī)能夠適應(yīng)安全運(yùn)行范圍的極限點(diǎn)工況正常運(yùn)行要求，說(shuō)明了本文所述的方法所確定的直流變頻壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍的可信性和可靠性。

（3） 壓縮機(jī)的安全運(yùn)行范圍取決于制冷系統(tǒng)的運(yùn)行范圍，壓縮機(jī)必須根據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和系統(tǒng)使用要求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，才能滿足制冷系統(tǒng)的使用要求。安全運(yùn)行范圍的確定，既要滿足在性能考核范圍內(nèi)的高性能，又要滿足在制冷系統(tǒng)的運(yùn)行范圍內(nèi)可靠運(yùn)行，需要找到兩者的平衡。