变频技术在制冷压缩机领域中的应用现状

吕　肖，邹　伟，徐立军

( 中国赛宝实验室 质量安全检测中心，广东 广州 510610 )

变频技术在制冷压缩机领域中的应用现状

吕肖，邹伟，徐立军

( 中国赛宝实验室 质量安全检测中心，广东 广州 510610 )

[摘要]本文概述了变频技术的基本原理和分类，重点介绍其在制冷压缩机中的应用和发展现状，并对其前景进行了展望。

[关键词]变频技术；制冷压缩机；应用

收稿日期：2015-7-28

作者简介：吕肖(1987-)，男，工程师，主要从事空调产品安全、性能及能效的认证和研究工作。Email：lyuxiao@ceprei.biz

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-087-05

中图分类号：TN830.2；TB652文献标示码：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

随着我国经济的高速发展，资源短缺的矛盾日益显现。经济发展模式也由粗放型向集约型开始转变，政府对产品能效的认知及要求在不断提高。众多的制冷企业也在源源不断的推出高性能的新品以应对市场的最新需求。变频技术应用在空调主机领域中，以其良好的综合性能表现，产品市场份额逐年扩大。其特性如下[1]：

1)可以实现无级调速，调速范围大、调整精度高，功率因数大、效率高、节能节电。

2)启动方式为变频软启动，启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备；有效地减少了电机启动时大电流的冲击，延长了电机的使用寿命；启动电流小，减少电源设备容量。

3)变频调速保护功能齐全，自动化程度高、可靠性高，减少了设备维护、检修费用。变频器具有失电、过压、欠压及电机过流自动保护功能，能有效地实现电气设备的安全可靠运行。

2变频技术

无论是家用空调系统中的氟机还是商用空调中的水机，作为电制冷产品四大件之一的压缩机，其变频技术一直被视为变频主机的核心技术，因为变频压缩机的性能最终决定着整个产品乃至整个制冷供热系统的稳定。

变频技术就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流变成直流再逆变成不同频率的交流电，或是把直流变成交流再把交流变成直流。在这些变化过程中，一般只是频率发生变化。

变频技术可分成四大部分：交—直变频技术、直—直变频技术、直—交变频技术、交—交变频技术。变频压缩机根据其电机使用直流还是交流可分为直流变频和交流变频两种变频方式。

2.1交流变频

由交流异步电机转速公式[2]可知，

n1=60f(1-s)/P

(1)

式中：f是电流频率，s是转差率，P是电机极对数。

由式(1)可知，通常改变电机转速的做法有3种：变频调速、变极调速和变转差率调速。而后2种调速方式一般应用在机床和起重设备中，在空调电机调速方案中，大多数采用变频调速方案。主要原因是相对其他2种方式而言，改变电源的频率更方便，且低速时电机功率大大降低。因此，早期的交流变频技术是通过变频器改变电机输入电源的频率实现电机调速。这种调速方式在改变频率大小的同时，电机定子的电压必须随之发生变化，即在变频的同时要变压。这种调节转速的方法称为VVVF(variablevoltagevariablefrequency)，简称为V/F变频控制，如图1所示。

图1　交流变频的 V-f 曲线

2.2直流变速

其实直流变频是一个错误的叫法，因为直流已无频率可言。市场上通常将使用BLDC(无刷直流)电机和PMSM(永磁同步)电机的调速方案称为直流变速。这2种电机的转子都为永磁体，其主要不同点是2种电机的反电动势不同。BLDC为梯形波，PMSM为正弦波。为保持称呼一致，文中该类型电机的调速技术统一称为直流变速技术。BLDC电机的本体由定子和转子两大部件构成，如图2所示。

图2　直流无刷电机本体截面图

定子与感应电机相似，由嵌在铁芯中的单相或多相对称线圈绕组构成。

转子由一定极对数的永磁体镶嵌在铁芯表面或内部构成。

位置传感器将磁极位置信号转变成电信号，控制定子绕组换相，使定子绕组中的电流随着转子的位置变化按一定次序换相，形成旋转磁场，驱动永磁转子不断旋转。这种通过改变矢量磁场的速度调节电机转速的技术，即通常所说的直流变速技术。

2.3空调运用变频技术的现状

国内空调企业在近30年的发展过程中，通过相互合作和自主创新，取得了不小的进步：家用空调已走过由定频、交流变频、直流变频等阶段，成熟迈入全直流变频时代；轻型商用机组的变频技术在多联机领域中发挥得淋漓尽致；大型商用变频机组(含磁悬浮机组)也开始在市场上攻城拔寨，逐步得到业主的认可及青睐，而且制造商数量在不断增加，可称得上百花齐放。

3变频压缩机的发展状况

在空调主机产品中，压缩机的功率占主机功率的90%左右，确保压缩机高效稳定运行至关重要。由于往复式压缩机往复运动的特点限制了变频特性的发挥，故关于变频压缩机的性能研究主要集中在滚动转子压缩机、涡旋压缩机、螺杆压缩机等回转式压缩机上。接下来，笔者将以相关可靠的数据为基础，结合自身多年的工作经验，对当前变频压缩机的性能及市场应用进行简要分析。

3.1变频转子式

对于滚动转子式变频压缩机的实验研究,西安交通大学的张华俊、袁秀玲等人对不同的变频滚动转子式压缩机进行性能测试,并获得有关结论。压缩机在变频运行时,制冷量、输入功率随着频率的增大基本上呈线性递增；而COP值随频率变化则呈抛物线型并在额定频率附近维持较高值；余隙容积对制冷量的影响随频率的升高而降低；斜切口角度对输入功率的影响随频率的升高而升高[3]。

市场方面，2014年度转子式压缩机的总出货量约1.5亿台，其中变频机5000多万台，各厂家变频压缩机的出货量见表1[4]。此外，结合环保、高效等方面的要求，R290、R417A和CO2等工质专用压缩机技术日渐成熟并开始迈入商业化生产阶段。

表12014年度各企业变频转子压缩机产量(万台)

企业名称出货量美芝1697凌达1643松下万宝626三菱电机397上海日立303大金181三星129三洋127LG117瑞智107合计5327

3.2变频涡旋式

对于涡旋变频压缩机,广州万宝压缩机有限公司的廖全平结合工程实践中的许多实例,得出涡旋变频压缩机的特点:随着频率的增大,涡旋变频压缩机的制冷量几乎呈线性递增,而能效比则在比较大的频率范围内几乎不变[5]。兰州理工大学的刘兴旺等在理论结合试验的前提下，得出转速引起的动静涡旋齿间的泄漏量的变化是引起变频涡旋压缩机压缩性能变化的根本原因。要提高变频涡旋压缩机在低转速下的压缩性能，需从减小泄漏方面着手研究[6]。

2014年以来，海立、凌达、比泽尔等企业纷纷涉足投产涡旋压缩机。行业普遍认为有两个方面的原因：一方面，涡旋压缩机市场具有相对好的利润空间，毕竟涡旋压缩机技术含量较高，不是所有企业都能涉足，因而能够保持相对较高的利润水平；另一方面，涡旋压缩机市场前景被普遍看好，特别是制冷空调产业向高端转型，为涡旋压缩机提供了用武之地，涡旋式压缩机成长空间已经被打开。

3.3变频螺杆式

目前国内外生产并且销售螺杆式制冷压缩机的企业主要有比泽尔、莱富康、汉钟、复盛、凯莱、格力、富士豪、大连冰山、烟台冰轮、豪顿等等。随着变频技术的发展及人们节能减排意识的深入，变频螺杆制冷压缩机的市场份额逐步增加。近年来，各螺杆压缩机的生产厂家相继系列化推出变频螺杆制冷压缩机，欧系、台系产品占据相对的优势。除以上企业之外，对于传统的主机厂家，其压缩机技术更胜一筹，约克、开利自主开发的变频螺杆式冷水机组始终走在行业的前端。尤其是开利公司推出的三螺杆变频压缩机被视为近年来制冷设备领域少有的技术亮点之一，该技术荣获中国节能协会颁发的“2012节能中国十大应用新技术”奖。

结合目前变频螺杆制冷压缩机的应用现状，变频螺杆制冷压缩机的发展还应从以下方面继续努力[7]：

1)采用可调的内容积比的结构设计，充分发挥变频螺杆制冷压缩机的性能；

2)精确控制量化转子压缩腔的喷油量，减少压缩机的油压功耗，同时确保转子啮合时形成油膜所需的油量；

3)改变常规螺杆制冷压缩机的吸气冷却电机的方式，减少吸气压损；

4)应用小游隙、高精度的滚动轴承，提高零件设计与加工精度，减少转子压缩腔运动部件间隙的泄漏；

5)提高转子齿面加工精度，减少气流摩擦损失；

6)向更低频的范围拓展，使得变频螺杆制冷压缩机的启动性能更好；

3.4变频离心式

压缩机按种类可分为容积式和速度式，前面提到的几种压缩机可归为容积式，而在制冷压缩机领域，速度式压缩机目前仅有离心式一种。但速度式压缩机与生俱来的优势就是更适合变频，在转速发生变化时，制冷剂的流量减少，工作压头降低，在部分负荷时性能更优越。

由于离心式冷水机组的特定工作原理，在低负荷下运行时，当流量减小至最小流量点时，容易发生离心机特有的现象——喘振，喘振是压缩机一种不稳定的运行状态。压缩机发生喘振时，将出现气流周期性振荡现象，带给压缩机严重的损坏，会导致严重后果。喘振是离心式压缩机这种速度式压缩机本身的固有特性[8]，这也是变频离心式压缩机在结构设计和运行控制方面要克服的核心问题。可利用的成熟技术有：热气旁通、进口导叶控制、可转动式扩压器和可移动式扩压腔等等[9]。

目前推出变频离心式压缩机技术的主要厂家见表2。与以往欧美市场独大的情形不同，国内民族品牌拥有或掌握了自己的压缩机技术，并取得了予以肯定的成就：格力光伏直驱变频离心机和美的超高效气浮直驱变频离心机。

表2变频离心式压缩机品牌一览

技术体系品牌欧美约克、开利、麦克维尔、顿汉布什、丹佛斯日本日立、荏原、三菱重工韩国LG、世纪重工台湾东元、汉钟国内美的、格力

以磁悬浮变频离心机为例，它采用了直流变频技术，取消了齿轮传动机构，采用磁悬浮轴承规避了油润滑等措施，使离心式冷水机组的性能得到了极大的提升和改善[10]，如图3所示。

图3　不同形式冷水机组100%负荷下COP随冷却水温度变化曲线

4结论

制冷空调主机采用变频压缩机低频起动方式后,可实现软启动，起动电流小,对电网无冲击作用,启动后以最大能力进行快速制冷或制热运行，满足负荷要求后,自动降低运行能力，以维持负荷稳定状态，控制精度高，可减少停机压力损失，有效避免定速压缩机频繁开停现象。在多数时间里，变频控制使得机组的制冷量(或制热量)与负荷需求相当，且在低速、低压比条件下具有良好的运转性能，能源效率得到提高。随着变频器成本日益降低、变频控制技术日趋成熟，相比定频压缩机，变频压缩机的发展已成为未来的主流趋势。

参考文献5

[1] 陈刚，吴长菊.空调控制技术及发展方向的探讨[J].节能，2006，288(7)：10-13

[2] 王志远，徐志亮.空调器性能测试技术[M].北京：科学出版社，2009

[3] 张华俊，袁秀玲，等.滚动转子式变频压缩机的实验研究[J].制冷与空调，2004，4(2)：99-104

[4] 旋转变频压缩机竞争现新格局，产业在线，2015-3-23.http:∥acc.chinaiol.com/xzysj/p/0323/77151325.html

[5] 廖全平，李红旗.涡旋变频压缩机[J].流体机械，2002，30(2)：35-37

[6] 刘兴旺，姚淑婷，等.转速对变频涡旋压缩机压缩性能的影响研究[J].流体机械，2011，39(10)：4-9

[7] 文命清，李日华.变频螺杆制冷压缩机发展现状[J].制冷技术，2013，33(2)：48-51

[8] 徐忠.离心式压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1990

[9] 吕肖，陈亮.离心式冷水机组防喘振措施分析[J].制冷，2012，31(4)：65-69

[10] 国德防，祝建军.磁悬浮变频离心式机组在数据中心机房中的应用[A].数据中心机房中央空调解决方案——第七届中国制冷空调行业信息大会论文集[C].2014