變頻與數(shù)碼渦旋比較

參考書目：制冷壓縮機（第2版） 機械工業(yè)出版社吳業(yè)正李紅旗張華等編著容積式制冷壓縮機的容量調(diào)節(jié)有吸氣節(jié)流調(diào)節(jié)、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、改變工作容積調(diào)節(jié)等方式。調(diào)節(jié)壓縮機的轉(zhuǎn)速有多種方式：通過機械或電磁變速機構調(diào)節(jié)。這是一種外置式的調(diào)節(jié)方式，多用于開啟式壓縮機，即在驅(qū)動機構和壓縮機主軸之間串聯(lián)一變速機構，驅(qū)動機構的轉(zhuǎn)速不變，但可以通過變速機構改變壓縮機主軸的轉(zhuǎn)速。典型的應用實例就是汽車空調(diào)壓縮機，在壓縮機的軸端用一電磁離合器根據(jù)空調(diào)負荷的大小改變壓縮機的轉(zhuǎn)速，離合器通過傳動帶與發(fā)動機相連。通過改變電動機頻率調(diào)節(jié)，即變頻調(diào)節(jié)。采用直流調(diào)速原理調(diào)節(jié)，即直流變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。此時壓縮機的電動機是直流電動機，在制冷空調(diào)領域一般為直流無刷、無位置傳感器稀土永磁電動機。其轉(zhuǎn)子上嵌有數(shù)個永磁體，以磁鐵的磁場代替普通感應電動機的感應磁場。由于避免了交流電動機在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應磁場導致的各種電磁損失，這種壓縮機具有較高的效率。變頻調(diào)節(jié)原理電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)屬于電力拖動專業(yè)的范疇。這里僅以較為典型、較為簡單的第②種調(diào)節(jié)方式一變頻調(diào)節(jié)為例，簡單介紹變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的有關知識。從電動機理論可知，電動機的轉(zhuǎn)速與電源輸入頻率的關系為n=6。f（I）P （6-1）式中f一電源輸入頻率，單位為Hz；s一電動機轉(zhuǎn)差率；P—電動機極對數(shù)。假定s、P為常量，電動機的轉(zhuǎn)速與電源輸入頻率成正比。很顯然只要改變頻率就可改變電動機的轉(zhuǎn)速。壓縮機的輸氣量與電動機的轉(zhuǎn)速近似成正比，若電源頻率連續(xù)變化，則轉(zhuǎn)速連續(xù)變化，從而實現(xiàn)了輸氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，也就達到了制冷量連續(xù)調(diào)節(jié)的目的。使頻率發(fā)生連續(xù)變化的裝置是變頻器，它首先通過整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后再通過逆變器將直流電經(jīng)控制電路轉(zhuǎn)換為頻率可變的交流電。交流變頻壓縮機的電動機為三相電動機。因此，變頻器的輸出為三相電源，并可連續(xù)改變?nèi)嘟涣鬏敵龅念l率，且其輸出電壓與頻率之間存在一定的關系。變頻器有電流源型和電壓源型兩種，又可根據(jù)控制電路調(diào)制方式分為脈寬調(diào)制方式（PWM方式）和脈幅調(diào)制方式（PAM方式）?？照{(diào)器用制冷壓縮機的電動機變頻器多采用電壓源型PWM方式，即采用“電壓/頻率”接近恒定的控制系統(tǒng)，從而使最大轉(zhuǎn)矩在很寬的頻率范圍內(nèi)維持恒定，電動機的轉(zhuǎn)矩隨空調(diào)器的負荷（而不是電動機的轉(zhuǎn)速）變化。并且 PWM方式還具有主電路簡單及隨負荷變化的響應特性好等優(yōu)點。圖6-3A所示為房間空調(diào)器用變頻器的結構框圖，它由整流器、逆變器、微機和數(shù)字信號控制電路等四部分組成。溫度傳感器測出的房間溫度、換熱器溫度等信號被送入微機，經(jīng)運算后將信息送入數(shù)字信號控制電路，進行波形成形處理，然后送入逆變器，在逆變器中將整流器送來的直流電轉(zhuǎn)換為頻率可變的交流電，去驅(qū)動電動機。逆變器輸出的交流電頻率根據(jù)實測的房間溫度及設定溫度等參數(shù)經(jīng)邏輯運算確定。圖6-3B所示為變頻器電壓波形圖，交流電波形經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)PWM方式逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可變的“電壓/頻率”接近恒定的交流電。為了改變壓縮機低頻下的運轉(zhuǎn)特性，往往在其輸出壓頻曲線的起始段采取電壓提升技術，以提高壓縮機電動機的驅(qū)動力矩。變頻控制器的主要作用是將普通交流電源轉(zhuǎn)換為變頻壓縮機所需的變頻電源并提供給壓縮機。變頻控制器實現(xiàn)控制的手段主要有降低頻率和運行停止兩種。對于一些參數(shù)，當出現(xiàn)需要調(diào)節(jié)的條件時，控制器首先改變壓縮機的頻率，只有當不能完成調(diào)節(jié)時才采用停機的方式。而另一種參數(shù)只要出現(xiàn)需要調(diào)節(jié)的條件就意味著出現(xiàn)了異常情況，需要立即停機。2、變頻壓縮機變頻調(diào)節(jié)廣泛應用于采用轉(zhuǎn)子式壓縮機的房間空調(diào)器中。轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機與普通轉(zhuǎn)子式定速壓縮機相比，結構上的最大區(qū)別是電動機。變頻壓縮機使用的是三相交流變頻電動機，直流調(diào)速壓縮機使用的是稀土永磁、無刷、無位置傳感器的直流調(diào)速電動機，而定速壓縮機使用的是普通單相或三相異步感應電動機。三相交流變頻電動機在設計上有很大的變化，既要考慮電力拖動原理方面的變化，又需考慮制冷壓縮機驅(qū)動與運轉(zhuǎn)的特殊性，如低頻起動與運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩提升技術等，但其外觀與普通三相異步感應電動機相比并沒有太大的差別。直流調(diào)速電動機則與普通三相異步感應電動機完全不同，它是依靠電子定子所產(chǎn)生的感應磁場與置于轉(zhuǎn)子上的永磁體所產(chǎn)生的磁場兩者之間的相互作用拖動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)，在外觀上就與三相異步感應電動機完全不同。圖 6-4所示為用于轉(zhuǎn)子式直流調(diào)速壓縮機上的幾種直流調(diào)速電動機。本書不對電動機及其設計作過多討論。（1）壓縮機的壓頻曲線變頻壓縮機的電動機要求輸入的電壓與運轉(zhuǎn)頻率之間具有一定的關系，即所謂的壓頻曲線。壓縮機出廠時，制造廠都向用戶提供壓縮機所需的壓頻曲線供用戶參考。圖 6-5所示為一種變頻壓縮機的壓頻曲線。3、變頻調(diào)節(jié)的特點變頻調(diào)節(jié)的最大特點是其節(jié)能優(yōu)勢，這一優(yōu)勢表現(xiàn)在三個方面。第一，按照額定負荷設計的制冷空調(diào)系統(tǒng)在壓縮機低速運行時，壓縮機質(zhì)量流量減少，換熱器面積相對變大，使得傳熱溫差減少，降低了能耗。第二，當溫度達到用戶設定的目標溫度后，變頻壓縮機采用降低轉(zhuǎn)速的方式使得制冷量和用戶負荷在目標溫度達到平衡，而后一直維持低速運轉(zhuǎn)，不需要停機。避免了頻繁停、開機時較大的起動電流造成的損失。第三，當制冷空調(diào)裝置停機以后，處于冷凝壓力的高壓部分和處于蒸發(fā)壓力的低壓部分會通過節(jié)流裝置逐漸達到壓力平衡。再開機以后又需要重新建立這一壓差，從而造成能量損失。變頻調(diào)節(jié)由于避免了頻繁的開、停機，也就減少了這部分損失。變頻調(diào)節(jié)的其他優(yōu)點包括控制精度高、溫度波動小、舒適性好；剛開機時可以高速運轉(zhuǎn)，迅速達到目標溫度；可以實現(xiàn)卸載（低速）起動，起動電流小，不存在起動對電網(wǎng)的沖擊等。其缺點是成本高，變頻器本身存在一定的能耗，而且存在電磁兼容和電磁干擾問題。6.5數(shù)碼渦旋式壓縮機數(shù)碼渦旋式壓縮機的結構其他調(diào)節(jié)方式中較為特別的是一種數(shù)碼渦旋式壓縮機，也采用吸氣回流的原理調(diào)節(jié)壓縮機的制冷量。這種渦旋式壓縮機具有軸向浮動的特性，兩個渦旋盤依靠靜盤背后的氣體壓力在軸向緊緊貼合在一起，保持氣體的密封以壓縮氣體。氣體背壓喪失后，就失去了使渦旋盤貼合在一起的驅(qū)動力，兩個渦旋盤將脫離，出現(xiàn)較大的軸向間隙，吸入的氣體將因內(nèi)部泄露而無法壓縮，壓縮機輸氣量基本為 0。這樣就產(chǎn)生了數(shù)碼渦旋壓縮機調(diào)節(jié)制冷量的基本原理：人為控制靜盤背后的氣體壓力，使兩個渦旋盤脫離，吸入的氣體由于渦旋盤間較大的軸向間隙又回流至吸氣口，壓縮機保持空轉(zhuǎn)但無排氣，制冷量為 0。對應于壓縮機正常工作的“負載狀態(tài)”，此時可稱為“卸載狀態(tài)”。圖6-23和圖6-24所示分別為這種壓縮機的外觀和內(nèi)部結構圖。背壓依靠一個電子閥控制，當電子閥關閉時，壓縮機處于負載狀態(tài)，正常工作，制冷量為100%。當電子閥開啟時，背壓降低，壓縮機處于卸載狀態(tài)，制冷量為0。從這種意義上講，此調(diào)節(jié)方式又帶有開停調(diào)節(jié)的特征，最大的區(qū)別是壓縮機不停機，因此也沒有開庭損失，但壓縮機空轉(zhuǎn)也將消耗一定的能量。根據(jù)前述的對開停調(diào)節(jié)的討論，很容易理解，在控制上應確保卸載時間不應太長，否則制冷系統(tǒng)高、低壓平衡后將造成額外的能量損失?？刂曝撦d狀態(tài)和卸載狀態(tài)的時間比例即可得到不同的制冷量，從而實現(xiàn)制冷量調(diào)節(jié)的目的。數(shù)碼渦旋的調(diào)節(jié)方式不需要變頻控制器，沒有變頻調(diào)節(jié)的各種缺點，但其調(diào)節(jié)范圍最大只能夠達到100%。另外，控制背壓的電磁閥是極為關鍵的零件，電磁閥的實效將直接導致壓縮機的失效。數(shù)碼渦旋式壓縮機變?nèi)萘靠刂圃頂?shù)碼渦旋壓縮機的控制循環(huán)周期包括一段“負載期”和一段“卸載期”。在負載期運行時，渦旋盤提供壓縮機全部的容量，如圖 6-25A所示。在卸載期間，由于壓縮機的柔性設計，兩個渦旋盤在軸向有一個微量分離。由于這種渦旋盤的分離，就不再有制冷劑通過壓縮機，因此也就沒有負荷，如圖6-25B所示。這樣，在負載期間，壓縮機可輸出 100%的容量，而在卸載期間就不作輸出。由負載期和卸載期的時間平均來確定壓縮機的平均輸出容量。假定額定制冷量為10KW，控制周期為20S，若要輸出5KW的能力（總能力的50%），則負載時間占有周期時間的20%，即負載4S，卸載16S即可，以此類推。圖6-26所示為能力分別為50%和20%時的調(diào)節(jié)原理。由此可見，由于動盤和靜盤在軸向具有“分合自如”的柔性特性，使得數(shù)碼渦旋式壓縮機的輸出呈現(xiàn)滿載“1”和空載“0”的循環(huán)，也就是呈現(xiàn)為“0-1”的數(shù)碼特性。數(shù)碼渦旋技術的特點數(shù)碼渦旋式壓縮機作為一種制冷量可調(diào)節(jié)的壓縮機，具有以下幾個特點：1） 盡管在調(diào)節(jié)過程中壓縮機并未停轉(zhuǎn)，但其制冷量輸出為0和100%兩檔，從調(diào)節(jié)的輸出特性上具有開停調(diào)節(jié)的特征。與普通的開停調(diào)節(jié)相比，數(shù)碼渦旋技術的區(qū)別是其調(diào)節(jié)過程的開停頻率要快得多。從實現(xiàn)調(diào)節(jié)的方式上，又具有改變泄露系數(shù)的特征。2） 數(shù)碼渦旋式壓縮機通過改變負載和卸載周期時間，在10%-100%負荷范圍內(nèi)實現(xiàn)了制冷量連續(xù)可調(diào)，可以提供精確的室溫控制和快速的負荷響應。這方面與普通的開停調(diào)節(jié)又有本質(zhì)的區(qū)別，實際上具有變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的連續(xù)調(diào)節(jié)技術特征。3） 由于其制冷量連續(xù)可調(diào)的特性，數(shù)碼渦旋式壓縮機具有優(yōu)良的季節(jié)能效比（SEER）。其原因表現(xiàn)在幾個方面；首先，數(shù)碼渦旋式壓縮機具有較寬的制冷量調(diào)節(jié)范圍，啟停次數(shù)很少，避免了開停機時的能量損失；其次，調(diào)節(jié)過程中壓縮機運轉(zhuǎn)時仍處于額定轉(zhuǎn)速，因此在部分負荷運行時具有良好的能效比（EER）；第三，調(diào)節(jié)過程中壓縮機滿負荷和空載運轉(zhuǎn)的切換周期很短，避免了制冷系統(tǒng)高、低壓平衡造成的損失。4） 數(shù)碼渦旋式壓縮機具有良好的回油特性?；赜褪侵评湎到y(tǒng)所必須解決的一個主要問題。數(shù)碼渦旋式壓縮機有兩個因素使得回油容易實現(xiàn)：第一，油只在負載周期內(nèi)離開壓縮機，在空載情況下離開壓縮機的油很少；第二，壓縮機在負載內(nèi)滿負荷運行，此時的氣體速度足以使油回全壓縮機。5） 和其他變?nèi)萘繅嚎s機（如變頻壓縮機）相比，數(shù)碼渦旋式壓縮機沒有變頻控制器導致的電磁兼容問題，不會影響供電系統(tǒng)。變頻系統(tǒng)中伴隨著變頻信號轉(zhuǎn)換，會對周圍環(huán)境釋放出電源頻率的 3、5、7、9、11、...倍的高頻諧波。由于高頻諧波的疊加，會使供電系統(tǒng)的正弦電壓波形發(fā)生畸變，這將導致諸如降低電網(wǎng)的功率因數(shù)、使電容器和變壓器過熱、在熒光屏和示波器