DC變頻壓縮機過載保護器應用可行性分析

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電技術研究院 廣東珠海 519070)

1 引言

渦旋壓縮機具有效率高，轉矩變化小，可靠性高，噪音低，運轉平穩，結構簡單，運動部件少等優點，近年來在空調系統上的應用越來越廣泛。在我國節能減排宏觀布局下，變頻空調能效標準應運而生，政策主導下的變頻空調市場增長腳步加快。家用、商用中央空調的飛速發展，特別是多聯機空調在商場、餐館、娛樂等場所的廣泛運用，給運用在空調上的直流變頻渦旋壓縮機帶來了更大的需求。隨著家用、商用中央空調市場占有率的提高，空調系統在某些異常工況下運行機率增加，導致壓縮機故障率越來越高，這大大增加空調廠家售后維修成本。目前，市場上，變頻渦旋壓縮機一般依靠空調系統設置的元器件對壓縮機進行保護，而自身沒有保護元件。本文根據電機過載保護器原理及變頻壓縮機過載保護器設計難點、工作原理及不動作現象，討論DC變頻渦旋壓縮機過載保護器的可行性。

2 壓縮機故障

空調系統在運行過程中，通常會由于系統進入雜質、冷媒泄漏、異常高壓、電源不穩定等異常導致壓縮機電機遭受過熱或者過流損壞。在售后故障壓縮機中，由于系統異常引起的壓縮機電機損壞現象占了絕大多數比例。壓縮機電機損壞現象如圖1、2所示。

3 過載保護器的工作原理及特性

3.1 過載保護器工作原理及分類

電機過載保護器一般是由接線柱、發熱絲、觸點、雙金屬片、動片和外殼組成，其關鍵零件是雙金屬片、觸點和發熱絲（如圖3、4）。一般保護器里面充有保護氣體，主要起滅弧、導熱等作用。其中，雙金屬片由Cu、Fe、Cr、Ni和Zr，實際上有的是三金屬片組成，也有雙金屬片組成，具體結構由生產廠家而定。壓縮機正常工作時，雙金屬片處于閉合狀態，過載保護器不會動作；當系統異常時，雙金屬片與觸點斷開，保護器及時切斷壓縮機電源，避免壓縮機發生故障。目前，定頻電機過載保護器具有溫度和電流雙重保護功能。

圖1 系統異常導致電機過熱燒毀現象

圖2 電機過流導致接線柱端子爆裂沖出及壓縮機漏電

圖3 過載保護器的結構圖

圖4 雙金屬片的組成

圖5 過載保護器電流溫度特性曲線

圖6 渦旋壓縮機運轉區域

圖7 壓縮機運轉極限工況點，不同頻率運轉電流曲線

圖8 三相過載電機保護器原理圖

3.2 過載保護器工作特性

過載保護器主要有三個特性：溫度動作特性、電流時間特性及電流動作特性。具體定義如表1所示。

通過表1可得知：電機過載保護動作特性曲線是由溫度動作曲線及電流動作曲線擬合而成，如圖5所示。壓縮機正常運行時，電機的電流及溫度值是選擇相應過載保護器的關鍵參數。

4 過載保護器選型試驗

新開發的壓縮機產品性能確定后，需通過以下相關試驗，如表2所列試驗項目,其中具體數值由X、Y、Z、N代替，可初步確定壓縮機過載保護器的型號。

根據表2數值初步選定的過載保護器，進行壓縮機性能測試。判斷選用的過載保護器與壓縮機是否具有良好匹配性：明確電機低電壓運行時線圈極限溫度；高電壓時過載保護器開關次數；額定電壓時壽命試驗；運轉電壓范圍內，過載保護器動作區域。

5 DC變頻過載保護器

5.1 變頻過載保護器設計難點

圖6所示是R410A渦旋壓縮機運轉區域圖。為保證壓縮機壽命及可靠性，空調系統運轉時，需確保壓縮機在圖示的正常運轉區域內。壓縮機在不同極限工況點運行時，負載不同。同時，變頻縮機運行頻率為30～90Hz。因此，與定頻壓縮機相比，變頻渦旋壓縮機在設計保護器時，不僅需要考慮運行工況區域負載變化，還需考慮不同運轉頻率下，在極限工況運轉的負載。

圖7所示是某款直流變頻渦旋壓縮機，在運轉范圍極限工況時，30Hz、90Hz頻率運轉時，壓縮機運轉電流曲線圖。由此，可以看出壓縮機在90Hz運轉時，4、5、6三個極限工況點時，壓縮機電流較大，遠大于30Hz時，壓縮機在此工況點的運行電流。因此，過載保護器電流值如按90Hz運行電流設定，壓縮機在30Hz運行時，異常工況下不能對壓縮機進行保護。因此，變頻壓縮機過載保護器選型難點在于電流保護動作點的設置。

5.2 DC變頻保護器工作原理及作用

目前，廠家研發DC變頻保護器的工作原理：壓縮機經過壓縮機外部的熱敏電阻或電流感應器的信號由控制器（變頻器）控制壓縮機的運轉，以控制器（變頻器）及壓縮機的控制為主。由此可知，變頻保護器動作是由于壓縮機內部溫度異常引起的。壓縮機發生異常時，直接檢測出壓縮機內部溫度上升并及時斷開電源的一相。其原理如圖8所示，通過控制器檢測出壓縮機欠相異常運轉，停止壓縮機的運轉。

DC變頻電機過載保護器能夠起到如下作用：

（1）防止壓縮機的燒損：由于異常電流或溫度上升而導致的電機線圈的絕緣劣化。

（2）保護電機的退磁：檢測出壓縮機內部的溫度上升，保護溫度異常引起的退磁現象。

5.3 過載保護器無法保護現象

一般情況下，電機過載保護器選擇合適時，壓縮機電機遭受過熱或者過流時，保護器能夠切斷壓縮機電源，以保護壓縮機正常運轉。但當空調系統出現異常工況時，過載保護器不能及時動作。如以下情況：

表1 過載保護器工作特性定義

表2 過載保護器選型試驗

（1）冷媒過量：系統中冷媒過量帶來最直接的影響是壓縮機回液，過量回液導致壓縮機內潤滑油稀釋及泵體液擊的風險。此時，壓縮機運轉時會由于潤滑不良造成突然卡死。對這種現象，壓縮機過載保護器不動作。

（2）壓縮機較長時間超出運行區域運轉：空調系統設計時，需能夠保證壓縮機在正常范圍內運行。當壓縮機超出運行區域時，不能完全依賴過載保護器來保護壓縮機，如運轉區域外的超低溫工況。

6 結論

通過分析電機過載保護器原理、特性、變頻保護器設計難點及現有變頻保護器原理，可知DC變頻壓縮機應用過載保護器是可行的，但需要注意以下問題：

（1）DC變頻保護器，只依據壓縮機內部溫度對電機進行保護，而將電流保護由壓縮機控制器控制，這一做法將DC變頻電機在不同頻率、不同工況下，運轉電流波動大，電流極限值設定問題推給控制器設計，規避了過載保護器U/T特性確定問題，這就提高了控制器電流設計要求及可靠性要求。

（2）DC直流變頻壓縮機采用過載保護器，當空調系統出現如下異常時：雜質、冷媒泄漏或不足、異常高溫、電壓過高或過低等，可以提高壓縮機可靠性；但當系統冷媒過多、壓縮機較長時間超出運行區域等情況時，過載保護器就不能對壓縮機進行保護。為降低壓縮機故障，需要系統中設置相關保護措施。