呂　肖，鄒　偉，徐立軍

( 中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室 質(zhì)量安全檢測(cè)中心，廣東 廣州 510610 )

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

呂肖，鄒偉，徐立軍

( 中國(guó)賽寶實(shí)驗(yàn)室 質(zhì)量安全檢測(cè)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(diǎn)介紹其在制冷壓縮機(jī)中的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其前景進(jìn)行了展望。

[關(guān)鍵詞]變頻技術(shù)；制冷壓縮機(jī)；應(yīng)用

收稿日期：2015-7-28

作者簡(jiǎn)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(rèn)證和研究工作。Email：lyuxiao@ceprei.biz

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)04-087-05

中圖分類號(hào)：TN830.2；TB652文獻(xiàn)標(biāo)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(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，資源短缺的矛盾日益顯現(xiàn)。經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式也由粗放型向集約型開(kāi)始轉(zhuǎn)變，政府對(duì)產(chǎn)品能效的認(rèn)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(duì)市場(chǎng)的最新需求。變頻技術(shù)應(yīng)用在空調(diào)主機(jī)領(lǐng)域中，以其良好的綜合性能表現(xiàn)，產(chǎn)品市場(chǎng)份額逐年擴(kuò)大。其特性如下[1]：

1)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(dòng)方式為變頻軟啟動(dòng)，啟動(dòng)平滑，消除機(jī)械的沖擊力，保護(hù)機(jī)械設(shè)備；有效地減少了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)大電流的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命；啟動(dòng)電流小，減少電源設(shè)備容量。

3)變頻調(diào)速保護(hù)功能齊全，自動(dòng)化程度高、可靠性高，減少了設(shè)備維護(hù)、檢修費(fèi)用。變頻器具有失電、過(guò)壓、欠壓及電機(jī)過(guò)流自動(dòng)保護(hù)功能，能有效地實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

2變頻技術(shù)

無(wú)論是家用空調(diào)系統(tǒng)中的氟機(jī)還是商用空調(diào)中的水機(jī)，作為電制冷產(chǎn)品四大件之一的壓縮機(jī)，其變頻技術(shù)一直被視為變頻主機(jī)的核心技術(shù)，因?yàn)樽冾l壓縮機(jī)的性能最終決定著整個(gè)產(chǎn)品乃至整個(gè)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(guò)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(jī)根據(jù)其電機(jī)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(jī)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(jī)極對(duì)數(shù)。

由式(1)可知，通常改變電機(jī)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(jī)床和起重設(shè)備中，在空調(diào)電機(jī)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(duì)其他2種方式而言，改變電源的頻率更方便，且低速時(shí)電機(jī)功率大大降低。因此，早期的交流變頻技術(shù)是通過(guò)變頻器改變電機(jī)輸入電源的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。這種調(diào)速方式在改變頻率大小的同時(shí)，電機(jī)定子的電壓必須隨之發(fā)生變化，即在變頻的同時(shí)要變壓。這種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法稱為VVVF(variablevoltagevariablefrequency)，簡(jiǎn)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(shí)直流變頻是一個(gè)錯(cuò)誤的叫法，因?yàn)橹绷饕褵o(wú)頻率可言。市場(chǎng)上通常將使用BLDC(無(wú)刷直流)電機(jī)和PMSM(永磁同步)電機(jī)的調(diào)速方案稱為直流變速。這2種電機(jī)的轉(zhuǎn)子都為永磁體，其主要不同點(diǎn)是2種電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)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(jī)的調(diào)速技術(shù)統(tǒng)一稱為直流變速技術(shù)。BLDC電機(jī)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(wú)刷電機(jī)本體截面圖

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

轉(zhuǎn)子由一定極對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，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(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)。這種通過(guò)改變矢量磁場(chǎng)的速度調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)，即通常所說(shuō)的直流變速技術(shù)。

2.3空調(diào)運(yùn)用變頻技術(shù)的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)空調(diào)企業(yè)在近30年的發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)相互合作和自主創(chuàng)新，取得了不小的進(jìn)步：家用空調(diào)已走過(guò)由定頻、交流變頻、直流變頻等階段，成熟邁入全直流變頻時(shí)代；輕型商用機(jī)組的變頻技術(shù)在多聯(lián)機(jī)領(lǐng)域中發(fā)揮得淋漓盡致；大型商用變頻機(jī)組(含磁懸浮機(jī)組)也開(kāi)始在市場(chǎng)上攻城拔寨，逐步得到業(yè)主的認(rèn)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(jī)的發(fā)展?fàn)顩r

在空調(diào)主機(jī)產(chǎn)品中，壓縮機(jī)的功率占主機(jī)功率的90%左右，確保壓縮機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。由于往復(fù)式壓縮機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)限制了變頻特性的發(fā)揮，故關(guān)于變頻壓縮機(jī)的性能研究主要集中在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)等回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)上。接下來(lái)，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(yàn)，對(duì)當(dāng)前變頻壓縮機(jī)的性能及市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

3.1變頻轉(zhuǎn)子式

對(duì)于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究,西安交通大學(xué)的張華俊、袁秀玲等人對(duì)不同的變頻滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試,并獲得有關(guān)結(jié)論。壓縮機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí),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(duì)制冷量的影響隨頻率的升高而降低；斜切口角度對(duì)輸入功率的影響隨頻率的升高而升高[3]。

市場(chǎng)方面，2014年度轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的總出貨量約1.5億臺(tái)，其中變頻機(jī)5000多萬(wàn)臺(tái)，各廠家變頻壓縮機(jī)的出貨量見(jiàn)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(jī)技術(shù)日漸成熟并開(kāi)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(jī)產(chǎn)量(萬(wàn)臺(tái))

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

3.2變頻渦旋式

對(duì)于渦旋變頻壓縮機(jī),廣州萬(wàn)寶壓縮機(jī)有限公司的廖全平結(jié)合工程實(shí)踐中的許多實(shí)例,得出渦旋變頻壓縮機(jī)的特點(diǎn):隨著頻率的增大,渦旋變頻壓縮機(jī)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(xué)的劉興旺等在理論結(jié)合試驗(yàn)的前提下，得出轉(zhuǎn)速引起的動(dòng)靜渦旋齒間的泄漏量的變化是引起變頻渦旋壓縮機(jī)壓縮性能變化的根本原因。要提高變頻渦旋壓縮機(jī)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(lái)，海立、凌達(dá)、比澤爾等企業(yè)紛紛涉足投產(chǎn)渦旋壓縮機(jī)。行業(yè)普遍認(rèn)為有兩個(gè)方面的原因：一方面，渦旋壓縮機(jī)市場(chǎng)具有相對(duì)好的利潤(rùn)空間，畢竟渦旋壓縮機(jī)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(duì)較高的利潤(rùn)水平；另一方面，渦旋壓縮機(jī)市場(chǎng)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(jī)提供了用武之地，渦旋式壓縮機(jī)成長(zhǎng)空間已經(jīng)被打開(kāi)。

3.3變頻螺桿式

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)并且銷售螺桿式制冷壓縮機(jī)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(tái)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(shí)的深入，變頻螺桿制冷壓縮機(jī)的市場(chǎng)份額逐步增加。近年來(lái)，各螺桿壓縮機(jī)的生產(chǎn)廠家相繼系列化推出變頻螺桿制冷壓縮機(jī)，歐系、臺(tái)系產(chǎn)品占據(jù)相對(duì)的優(yōu)勢(shì)。除以上企業(yè)之外，對(duì)于傳統(tǒng)的主機(jī)廠家，其壓縮機(jī)技術(shù)更勝一籌，約克、開(kāi)利自主開(kāi)發(fā)的變頻螺桿式冷水機(jī)組始終走在行業(yè)的前端。尤其是開(kāi)利公司推出的三螺桿變頻壓縮機(jī)被視為近年來(lái)制冷設(shè)備領(lǐng)域少有的技術(shù)亮點(diǎn)之一，該技術(shù)榮獲中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)頒發(fā)的“2012節(jié)能中國(guó)十大應(yīng)用新技術(shù)”獎(jiǎng)。

結(jié)合目前變頻螺桿制冷壓縮機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀，變頻螺桿制冷壓縮機(jī)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(jì)，充分發(fā)揮變頻螺桿制冷壓縮機(jī)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(jī)的油壓功耗，同時(shí)確保轉(zhuǎn)子嚙合時(shí)形成油膜所需的油量；

3)改變常規(guī)螺桿制冷壓縮機(jī)的吸氣冷卻電機(jī)的方式，減少吸氣壓損；

4)應(yīng)用小游隙、高精度的滾動(dòng)軸承，提高零件設(shè)計(jì)與加工精度，減少轉(zhuǎn)子壓縮腔運(yùn)動(dòng)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(jī)的啟動(dòng)性能更好；

3.4變頻離心式

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

由于離心式冷水機(jī)組的特定工作原理，在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)流量減小至最小流量點(diǎn)時(shí)，容易發(fā)生離心機(jī)特有的現(xiàn)象——喘振，喘振是壓縮機(jī)一種不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，將出現(xiàn)氣流周期性振蕩現(xiàn)象，帶給壓縮機(jī)嚴(yán)重的損壞，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。喘振是離心式壓縮機(jī)這種速度式壓縮機(jī)本身的固有特性[8]，這也是變頻離心式壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制方面要克服的核心問(wèn)題?？衫玫某墒旒夹g(shù)有：熱氣旁通、進(jìn)口導(dǎo)葉控制、可轉(zhuǎn)動(dòng)式擴(kuò)壓器和可移動(dòng)式擴(kuò)壓腔等等[9]。

目前推出變頻離心式壓縮機(jī)技術(shù)的主要廠家見(jiàn)表2。與以往歐美市場(chǎng)獨(dú)大的情形不同，國(guó)內(nèi)民族品牌擁有或掌握了自己的壓縮機(jī)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(jī)和美的超高效氣浮直驅(qū)變頻離心機(jī)。

表2變頻離心式壓縮機(jī)品牌一覽

技術(shù)體系品牌歐美約克、開(kāi)利、麥克維爾、頓漢布什、丹佛斯日本日立、荏原、三菱重工韓國(guó)LG、世紀(jì)重工臺(tái)灣東元、漢鐘國(guó)內(nèi)美的、格力

以磁懸浮變頻離心機(jī)為例，它采用了直流變頻技術(shù)，取消了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用磁懸浮軸承規(guī)避了油潤(rùn)滑等措施，使離心式冷水機(jī)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(jī)組100%負(fù)荷下COP隨冷卻水溫度變化曲線

4結(jié)論

制冷空調(diào)主機(jī)采用變頻壓縮機(jī)低頻起動(dòng)方式后,可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，起動(dòng)電流小,對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊作用,啟動(dòng)后以最大能力進(jìn)行快速制冷或制熱運(yùn)行，滿足負(fù)荷要求后,自動(dòng)降低運(yùn)行能力，以維持負(fù)荷穩(wěn)定狀態(tài)，控制精度高，可減少停機(jī)壓力損失，有效避免定速壓縮機(jī)頻繁開(kāi)?，F(xiàn)象。在多數(shù)時(shí)間里，變頻控制使得機(jī)組的制冷量(或制熱量)與負(fù)荷需求相當(dāng)，且在低速、低壓比條件下具有良好的運(yùn)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(jī)，變頻壓縮機(jī)的發(fā)展已成為未來(lái)的主流趨勢(shì)。

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