DC變頻壓縮機(jī)過載保護(hù)器應(yīng)用可行性分析

單彩俠 胡余生 陳東鎖 周林林

(珠海格力電器股份有限公司機(jī)電技術(shù)研究院 廣東珠海 519070)

1 引言

渦旋壓縮機(jī)具有效率高，轉(zhuǎn)矩變化小，可靠性高，噪音低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)部件少等優(yōu)點(diǎn)，近年來在空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用越來越廣泛。在我國節(jié)能減排宏觀布局下，變頻空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，政策主導(dǎo)下的變頻空調(diào)市場(chǎng)增長腳步加快。家用、商用中央空調(diào)的飛速發(fā)展，特別是多聯(lián)機(jī)空調(diào)在商場(chǎng)、餐館、娛樂等場(chǎng)所的廣泛運(yùn)用，給運(yùn)用在空調(diào)上的直流變頻渦旋壓縮機(jī)帶來了更大的需求。隨著家用、商用中央空調(diào)市場(chǎng)占有率的提高，空調(diào)系統(tǒng)在某些異常工況下運(yùn)行機(jī)率增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)故障率越來越高，這大大增加空調(diào)廠家售后維修成本。目前，市場(chǎng)上，變頻渦旋壓縮機(jī)一般依靠空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置的元器件對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行保護(hù)，而自身沒有保護(hù)元件。本文根據(jù)電機(jī)過載保護(hù)器原理及變頻壓縮機(jī)過載保護(hù)器設(shè)計(jì)難點(diǎn)、工作原理及不動(dòng)作現(xiàn)象，討論DC變頻渦旋壓縮機(jī)過載保護(hù)器的可行性。

2 壓縮機(jī)故障

空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通常會(huì)由于系統(tǒng)進(jìn)入雜質(zhì)、冷媒泄漏、異常高壓、電源不穩(wěn)定等異常導(dǎo)致壓縮機(jī)電機(jī)遭受過熱或者過流損壞。在售后故障壓縮機(jī)中，由于系統(tǒng)異常引起的壓縮機(jī)電機(jī)損壞現(xiàn)象占了絕大多數(shù)比例。壓縮機(jī)電機(jī)損壞現(xiàn)象如圖1、2所示。

3 過載保護(hù)器的工作原理及特性

3.1 過載保護(hù)器工作原理及分類

電機(jī)過載保護(hù)器一般是由接線柱、發(fā)熱絲、觸點(diǎn)、雙金屬片、動(dòng)片和外殼組成，其關(guān)鍵零件是雙金屬片、觸點(diǎn)和發(fā)熱絲（如圖3、4）。一般保護(hù)器里面充有保護(hù)氣體，主要起滅弧、導(dǎo)熱等作用。其中，雙金屬片由Cu、Fe、Cr、Ni和Zr，實(shí)際上有的是三金屬片組成，也有雙金屬片組成，具體結(jié)構(gòu)由生產(chǎn)廠家而定。壓縮機(jī)正常工作時(shí)，雙金屬片處于閉合狀態(tài)，過載保護(hù)器不會(huì)動(dòng)作；當(dāng)系統(tǒng)異常時(shí)，雙金屬片與觸點(diǎn)斷開，保護(hù)器及時(shí)切斷壓縮機(jī)電源，避免壓縮機(jī)發(fā)生故障。目前，定頻電機(jī)過載保護(hù)器具有溫度和電流雙重保護(hù)功能。

圖1 系統(tǒng)異常導(dǎo)致電機(jī)過熱燒毀現(xiàn)象

圖2 電機(jī)過流導(dǎo)致接線柱端子爆裂沖出及壓縮機(jī)漏電

圖3 過載保護(hù)器的結(jié)構(gòu)圖

圖4 雙金屬片的組成

圖5 過載保護(hù)器電流溫度特性曲線

圖6 渦旋壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域

圖7 壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)極限工況點(diǎn)，不同頻率運(yùn)轉(zhuǎn)電流曲線

圖8 三相過載電機(jī)保護(hù)器原理圖

3.2 過載保護(hù)器工作特性

過載保護(hù)器主要有三個(gè)特性：溫度動(dòng)作特性、電流時(shí)間特性及電流動(dòng)作特性。具體定義如表1所示。

通過表1可得知：電機(jī)過載保護(hù)動(dòng)作特性曲線是由溫度動(dòng)作曲線及電流動(dòng)作曲線擬合而成，如圖5所示。壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的電流及溫度值是選擇相應(yīng)過載保護(hù)器的關(guān)鍵參數(shù)。

4 過載保護(hù)器選型試驗(yàn)

新開發(fā)的壓縮機(jī)產(chǎn)品性能確定后，需通過以下相關(guān)試驗(yàn)，如表2所列試驗(yàn)項(xiàng)目,其中具體數(shù)值由X、Y、Z、N代替，可初步確定壓縮機(jī)過載保護(hù)器的型號(hào)。

根據(jù)表2數(shù)值初步選定的過載保護(hù)器，進(jìn)行壓縮機(jī)性能測(cè)試。判斷選用的過載保護(hù)器與壓縮機(jī)是否具有良好匹配性：明確電機(jī)低電壓運(yùn)行時(shí)線圈極限溫度；高電壓時(shí)過載保護(hù)器開關(guān)次數(shù)；額定電壓時(shí)壽命試驗(yàn)；運(yùn)轉(zhuǎn)電壓范圍內(nèi)，過載保護(hù)器動(dòng)作區(qū)域。

5 DC變頻過載保護(hù)器

5.1 變頻過載保護(hù)器設(shè)計(jì)難點(diǎn)

圖6所示是R410A渦旋壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域圖。為保證壓縮機(jī)壽命及可靠性，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需確保壓縮機(jī)在圖示的正常運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)。壓縮機(jī)在不同極限工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載不同。同時(shí)，變頻縮機(jī)運(yùn)行頻率為30～90Hz。因此，與定頻壓縮機(jī)相比，變頻渦旋壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)保護(hù)器時(shí)，不僅需要考慮運(yùn)行工況區(qū)域負(fù)載變化，還需考慮不同運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下，在極限工況運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)載。

圖7所示是某款直流變頻渦旋壓縮機(jī)，在運(yùn)轉(zhuǎn)范圍極限工況時(shí)，30Hz、90Hz頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流曲線圖。由此，可以看出壓縮機(jī)在90Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，4、5、6三個(gè)極限工況點(diǎn)時(shí)，壓縮機(jī)電流較大，遠(yuǎn)大于30Hz時(shí)，壓縮機(jī)在此工況點(diǎn)的運(yùn)行電流。因此，過載保護(hù)器電流值如按90Hz運(yùn)行電流設(shè)定，壓縮機(jī)在30Hz運(yùn)行時(shí)，異常工況下不能對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行保護(hù)。因此，變頻壓縮機(jī)過載保護(hù)器選型難點(diǎn)在于電流保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)的設(shè)置。

5.2 DC變頻保護(hù)器工作原理及作用

目前，廠家研發(fā)DC變頻保護(hù)器的工作原理：壓縮機(jī)經(jīng)過壓縮機(jī)外部的熱敏電阻或電流感應(yīng)器的信號(hào)由控制器（變頻器）控制壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，以控制器（變頻器）及壓縮機(jī)的控制為主。由此可知，變頻保護(hù)器動(dòng)作是由于壓縮機(jī)內(nèi)部溫度異常引起的。壓縮機(jī)發(fā)生異常時(shí)，直接檢測(cè)出壓縮機(jī)內(nèi)部溫度上升并及時(shí)斷開電源的一相。其原理如圖8所示，通過控制器檢測(cè)出壓縮機(jī)欠相異常運(yùn)轉(zhuǎn)，停止壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

DC變頻電機(jī)過載保護(hù)器能夠起到如下作用：

（1）防止壓縮機(jī)的燒損：由于異常電流或溫度上升而導(dǎo)致的電機(jī)線圈的絕緣劣化。

（2）保護(hù)電機(jī)的退磁：檢測(cè)出壓縮機(jī)內(nèi)部的溫度上升，保護(hù)溫度異常引起的退磁現(xiàn)象。

5.3 過載保護(hù)器無法保護(hù)現(xiàn)象

一般情況下，電機(jī)過載保護(hù)器選擇合適時(shí)，壓縮機(jī)電機(jī)遭受過熱或者過流時(shí)，保護(hù)器能夠切斷壓縮機(jī)電源，以保護(hù)壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)異常工況時(shí)，過載保護(hù)器不能及時(shí)動(dòng)作。如以下情況：

表1 過載保護(hù)器工作特性定義

表2 過載保護(hù)器選型試驗(yàn)

（1）冷媒過量：系統(tǒng)中冷媒過量帶來最直接的影響是壓縮機(jī)回液，過量回液導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)潤滑油稀釋及泵體液擊的風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)由于潤滑不良造成突然卡死。對(duì)這種現(xiàn)象，壓縮機(jī)過載保護(hù)器不動(dòng)作。

（2）壓縮機(jī)較長時(shí)間超出運(yùn)行區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)：空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需能夠保證壓縮機(jī)在正常范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)壓縮機(jī)超出運(yùn)行區(qū)域時(shí)，不能完全依賴過載保護(hù)器來保護(hù)壓縮機(jī)，如運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域外的超低溫工況。

6 結(jié)論

通過分析電機(jī)過載保護(hù)器原理、特性、變頻保護(hù)器設(shè)計(jì)難點(diǎn)及現(xiàn)有變頻保護(hù)器原理，可知DC變頻壓縮機(jī)應(yīng)用過載保護(hù)器是可行的，但需要注意以下問題：

（1）DC變頻保護(hù)器，只依據(jù)壓縮機(jī)內(nèi)部溫度對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)，而將電流保護(hù)由壓縮機(jī)控制器控制，這一做法將DC變頻電機(jī)在不同頻率、不同工況下，運(yùn)轉(zhuǎn)電流波動(dòng)大，電流極限值設(shè)定問題推給控制器設(shè)計(jì)，規(guī)避了過載保護(hù)器U/T特性確定問題，這就提高了控制器電流設(shè)計(jì)要求及可靠性要求。

（2）DC直流變頻壓縮機(jī)采用過載保護(hù)器，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)如下異常時(shí)：雜質(zhì)、冷媒泄漏或不足、異常高溫、電壓過高或過低等，可以提高壓縮機(jī)可靠性；但當(dāng)系統(tǒng)冷媒過多、壓縮機(jī)較長時(shí)間超出運(yùn)行區(qū)域等情況時(shí)，過載保護(hù)器就不能對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行保護(hù)。為降低壓縮機(jī)故障，需要系統(tǒng)中設(shè)置相關(guān)保護(hù)措施。