變頻與數(shù)碼渦旋比較

參考書(shū)目：制冷壓縮機(jī)（第2版） 機(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速有多種方式：通過(guò)機(jī)械或電磁變速機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)。這是一種外置式的調(diào)節(jié)方式，多用于開(kāi)啟式壓縮機(jī)，即在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓縮機(jī)主軸之間串聯(lián)一變速機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速不變，但可以通過(guò)變速機(jī)構(gòu)改變壓縮機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速。典型的應(yīng)用實(shí)例就是汽車空調(diào)壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)的軸端用一電磁離合器根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的大小改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，離合器通過(guò)傳動(dòng)帶與發(fā)動(dòng)機(jī)相連。通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)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(shí)壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)，在制冷空調(diào)領(lǐng)域一般為直流無(wú)刷、無(wú)位置傳感器稀土永磁電動(dòng)機(jī)。其轉(zhuǎn)子上嵌有數(shù)個(gè)永磁體，以磁鐵的磁場(chǎng)代替普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)磁場(chǎng)。由于避免了交流電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)導(dǎo)致的各種電磁損失，這種壓縮機(jī)具有較高的效率。變頻調(diào)節(jié)原理電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)屬于電力拖動(dòng)專業(yè)的范疇。這里僅以較為典型、較為簡(jiǎn)單的第②種調(diào)節(jié)方式一變頻調(diào)節(jié)為例，簡(jiǎn)單介紹變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的有關(guān)知識(shí)。從電動(dòng)機(jī)理論可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源輸入頻率的關(guān)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；P—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。假定s、P為常量，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。壓縮機(jī)的輸氣量與電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)了輸氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)，也就達(dá)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(guò)整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后再通過(guò)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(jī)的電動(dòng)機(jī)為三相電動(dòng)機(jī)。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(guān)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(jī)的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨空調(diào)器的負(fù)荷（而不是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速）變化。并且 PWM方式還具有主電路簡(jiǎn)單及隨負(fù)荷變化的響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)。圖6-3A所示為房間空調(diào)器用變頻器的結(jié)構(gòu)框圖，它由整流器、逆變器、微機(jī)和數(shù)字信號(hào)控制電路等四部分組成。溫度傳感器測(cè)出的房間溫度、換熱器溫度等信號(hào)被送入微機(jī)，經(jīng)運(yùn)算后將信息送入數(shù)字信號(hào)控制電路，進(jìn)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(lái)的直流電轉(zhuǎn)換為頻率可變的交流電，去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。逆變器輸出的交流電頻率根據(jù)實(shí)測(cè)的房間溫度及設(shè)定溫度等參數(shù)經(jīng)邏輯運(yùn)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(jī)低頻下的運(yùn)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(shù)，以提高壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(jī)所需的變頻電源并提供給壓縮機(jī)。變頻控制器實(shí)現(xiàn)控制的手段主要有降低頻率和運(yùn)行停止兩種。對(duì)于一些參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)需要調(diào)節(jié)的條件時(shí)，控制器首先改變壓縮機(jī)的頻率，只有當(dāng)不能完成調(diào)節(jié)時(shí)才采用停機(jī)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(jī)。2、變頻壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)廣泛應(yīng)用于采用轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的房間空調(diào)器中。轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(jī)與普通轉(zhuǎn)子式定速壓縮機(jī)相比，結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別是電動(dòng)機(jī)。變頻壓縮機(jī)使用的是三相交流變頻電動(dòng)機(jī)，直流調(diào)速壓縮機(jī)使用的是稀土永磁、無(wú)刷、無(wú)位置傳感器的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，而定速壓縮機(jī)使用的是普通單相或三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。三相交流變頻電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上有很大的變化，既要考慮電力拖動(dòng)原理方面的變化，又需考慮制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)的特殊性，如低頻起動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩提升技術(shù)等，但其外觀與普通三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比并沒(méi)有太大的差別。直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)則與普通三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)完全不同，它是依靠電子定子所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與置于轉(zhuǎn)子上的永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)兩者之間的相互作用拖動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，在外觀上就與三相異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)完全不同。圖 6-4所示為用于轉(zhuǎn)子式直流調(diào)速壓縮機(jī)上的幾種直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。本書(shū)不對(duì)電動(dòng)機(jī)及其設(shè)計(jì)作過(guò)多討論。（1）壓縮機(jī)的壓頻曲線變頻壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)要求輸入的電壓與運(yùn)轉(zhuǎn)頻率之間具有一定的關(guān)系，即所謂的壓頻曲線。壓縮機(jī)出廠時(shí)，制造廠都向用戶提供壓縮機(jī)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(jī)的壓頻曲線。3、變頻調(diào)節(jié)的特點(diǎn)變頻調(diào)節(jié)的最大特點(diǎn)是其節(jié)能優(yōu)勢(shì)，這一優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在三個(gè)方面。第一，按照額定負(fù)荷設(shè)計(jì)的制冷空調(diào)系統(tǒng)在壓縮機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)質(zhì)量流量減少，換熱器面積相對(duì)變大，使得傳熱溫差減少，降低了能耗。第二，當(dāng)溫度達(dá)到用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度后，變頻壓縮機(jī)采用降低轉(zhuǎn)速的方式使得制冷量和用戶負(fù)荷在目標(biāo)溫度達(dá)到平衡，而后一直維持低速運(yùn)轉(zhuǎn)，不需要停機(jī)。避免了頻繁停、開(kāi)機(jī)時(shí)較大的起動(dòng)電流造成的損失。第三，當(dāng)制冷空調(diào)裝置停機(jī)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(huì)通過(guò)節(jié)流裝置逐漸達(dá)到壓力平衡。再開(kāi)機(jī)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(kāi)、停機(jī)，也就減少了這部分損失。變頻調(diào)節(jié)的其他優(yōu)點(diǎn)包括控制精度高、溫度波動(dòng)小、舒適性好；剛開(kāi)機(jī)時(shí)可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，迅速達(dá)到目標(biāo)溫度；可以實(shí)現(xiàn)卸載（低速）起動(dòng)，起動(dòng)電流小，不存在起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊等。其缺點(diǎn)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(wèn)題。6.5數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)，也采用吸氣回流的原理調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的制冷量。這種渦旋式壓縮機(jī)具有軸向浮動(dòng)的特性，兩個(gè)渦旋盤(pán)依靠靜盤(pán)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?jiǎn)适Ш螅褪チ耸箿u旋盤(pán)貼合在一起的驅(qū)動(dòng)力，兩個(gè)渦旋盤(pán)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(wú)法壓縮，壓縮機(jī)輸氣量基本為 0。這樣就產(chǎn)生了數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)調(diào)節(jié)制冷量的基本原理：人為控制靜盤(pán)背后的氣體壓力，使兩個(gè)渦旋盤(pán)脫離，吸入的氣體由于渦旋盤(pán)間較大的軸向間隙又回流至吸氣口，壓縮機(jī)保持空轉(zhuǎn)但無(wú)排氣，制冷量為 0。對(duì)應(yīng)于壓縮機(jī)正常工作的“負(fù)載狀態(tài)”，此時(shí)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(jī)的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。背壓依靠一個(gè)電子閥控制，當(dāng)電子閥關(guān)閉時(shí)，壓縮機(jī)處于負(fù)載狀態(tài)，正常工作，制冷量為100%。當(dāng)電子閥開(kāi)啟時(shí)，背壓降低，壓縮機(jī)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(kāi)停調(diào)節(jié)的特征，最大的區(qū)別是壓縮機(jī)不停機(jī)，因此也沒(méi)有開(kāi)庭損失，但壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)也將消耗一定的能量。根據(jù)前述的對(duì)開(kāi)停調(diào)節(jié)的討論，很容易理解，在控制上應(yīng)確保卸載時(shí)間不應(yīng)太長(zhǎng)，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?fù)載狀態(tài)和卸載狀態(tài)的時(shí)間比例即可得到不同的制冷量，從而實(shí)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(méi)有變頻調(diào)節(jié)的各種缺點(diǎn)，但其調(diào)節(jié)范圍最大只能夠達(dá)到100%。另外，控制背壓的電磁閥是極為關(guān)鍵的零件，電磁閥的實(shí)效將直接導(dǎo)致壓縮機(jī)的失效。數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)變?nèi)萘靠刂圃頂?shù)碼渦旋壓縮機(jī)的控制循環(huán)周期包括一段“負(fù)載期”和一段“卸載期”。在負(fù)載期運(yùn)行時(shí)，渦旋盤(pán)提供壓縮機(jī)全部的容量，如圖 6-25A所示。在卸載期間，由于壓縮機(jī)的柔性設(shè)計(jì)，兩個(gè)渦旋盤(pán)在軸向有一個(gè)微量分離。由于這種渦旋盤(pán)的分離，就不再有制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)，因此也就沒(méi)有負(fù)荷，如圖6-25B所示。這樣，在負(fù)載期間，壓縮機(jī)可輸出 100%的容量，而在卸載期間就不作輸出。由負(fù)載期和卸載期的時(shí)間平均來(lái)確定壓縮機(jī)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(fù)載時(shí)間占有周期時(shí)間的20%，即負(fù)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(shí)的調(diào)節(jié)原理。由此可見(jiàn)，由于動(dòng)盤(pán)和靜盤(pán)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(jī)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(shù)的特點(diǎn)數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)作為一種制冷量可調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1） 盡管在調(diào)節(jié)過(guò)程中壓縮機(jī)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(kāi)停調(diào)節(jié)的特征。與普通的開(kāi)停調(diào)節(jié)相比，數(shù)碼渦旋技術(shù)的區(qū)別是其調(diào)節(jié)過(guò)程的開(kāi)停頻率要快得多。從實(shí)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(jī)通過(guò)改變負(fù)載和卸載周期時(shí)間，在10%-100%負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)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(fù)荷響應(yīng)。這方面與普通的開(kāi)停調(diào)節(jié)又有本質(zhì)的區(qū)別，實(shí)際上具有變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的連續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù)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(jī)具有優(yōu)良的季節(jié)能效比（SEER）。其原因表現(xiàn)在幾個(gè)方面；首先，數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)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(kāi)停機(jī)時(shí)的能量損失；其次，調(diào)節(jié)過(guò)程中壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍處于額定轉(zhuǎn)速，因此在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)具有良好的能效比（EER）；第三，調(diào)節(jié)過(guò)程中壓縮機(jī)滿負(fù)荷和空載運(yùn)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(jī)具有良好的回油特性。回油是制冷系統(tǒng)所必須解決的一個(gè)主要問(wèn)題。數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)有兩個(gè)因素使得回油容易實(shí)現(xiàn)：第一，油只在負(fù)載周期內(nèi)離開(kāi)壓縮機(jī)，在空載情況下離開(kāi)壓縮機(jī)的油很少；第二，壓縮機(jī)在負(fù)載內(nèi)滿負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)的氣體速度足以使油回全壓縮機(jī)。5） 和其他變?nèi)萘繅嚎s機(jī)（如變頻壓縮機(jī)）相比，數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)沒(méi)有變頻控制器導(dǎo)致的電磁兼容問(wèn)題，不會(huì)影響供電系統(tǒng)。變頻系統(tǒng)中伴隨著變頻信號(hào)轉(zhuǎn)換，會(huì)對(duì)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(huì)使供電系統(tǒng)的正弦電壓波形發(fā)生畸變，這將導(dǎo)致諸如降低電網(wǎng)的功率因數(shù)、使電容器和變壓器過(guò)熱、在熒光屏和示波器