家用直流變頻空調器用轉子式壓縮機安全運行范圍的確定方法及試驗驗證

倫成鋼

（西安慶安制冷設備股份有限公司，陜西西安710075）

1 引言

為進一步提升直流變頻轉子式壓縮機的產品競爭力，結合用戶要求，在現有直流機產品和定速機可靠性考核的基礎上，進行了直流變頻壓縮機安全運行范圍確定的分析、研究和試驗驗證工作。

通過分析、研究，明確了直流機產品運行范圍確定的依據；通過試驗驗證，確定了相應極限點試驗的可行性和合理性，確定了直流變頻壓縮機開發的可靠性考核的可信性。

2 直流變頻壓縮機安全工作范圍的確定

2.1 直流變頻壓縮機安全工作區域的理論分析

根據直流變頻壓縮機的實際應用領域（家用空調、冷凍冷藏或熱泵等）的工作條件，以及可能遇到的極限高低溫熱源的溫度、制冷劑種類、壓縮機結構特點（能夠承受的最大壓比、最高排氣溫度；軸承的最大承載能力、潤滑要求等限制）和壓縮機的運轉速度范圍等條件來確定出吸氣壓力（蒸發溫度） 范圍和排氣壓力（冷凝溫度） 范圍，確定基本的安全運行范圍，通過試驗確定最終的可靠安全運行范圍。

下面以1～3hp家用空調器為例，分別針對采用R407C、R22、R410A三種制冷工質，在T1氣候類型條件下，以直流變頻轉子式壓縮機為對象，分析安全工作區域的理論確定方法，并通過試驗進行驗證。

2.1.1 吸氣壓力（蒸發溫度）范圍的確定

根據家用小型空調器（電機輸出功率不大于3hp）在制冷、制熱時可能遇到的低溫熱源的極限溫度及換熱溫差，找出蒸發溫度范圍，確定出如圖1所示的吸氣壓力（蒸發溫度）和運轉頻率（轉速）的關系曲線。

圖1中，MAX線是指制冷時可能遇到的最大吸氣壓力（蒸發溫度）范圍線；MIN線是指制熱時可能遇到的最小吸氣壓力（蒸發溫度） 范圍線。這樣就給定了壓縮機設計的吸氣壓力（蒸發溫度）范圍。所以，在實際運行時，壓縮機的實際吸氣壓力（蒸發溫度） 必須限制在這2條吸氣壓力（蒸發溫度）線之間的范圍內，如果超出，無法確保壓縮機安全工作；如果達不到，無法滿足空調器的使用要求。

當壓縮機運行頻率較小時，2條吸氣壓力（蒸發溫度）范圍線會發生變化：

在制熱運行時，當直流變頻壓縮機的運轉頻率（30Hz以下） 較小時，實際運行的系統高低壓壓差會變小，此時蒸發壓力會變高。此種情況表現在MIN線上為區域為FB（nB）至FO（nO）區域間，蒸發溫度由-25℃升至-7℃，可近似認為在此區間內蒸發溫度值是隨壓縮機運轉頻率值變化的一次函數。在制冷運行時，當壓縮機運轉頻率（在45 Hz以下）較小時，實際運行的系統高低壓壓差會變小，此時蒸發壓力會變高。此種情況表現在MAX線上為區域為45Hz（2700 r/min）至FO（nO）區域間，蒸發溫度由15℃升至22.6℃，可近似認為在此區間內蒸發溫度值是隨頻率值變化的一次函數。

而當直流變頻壓縮機運轉頻率很高（100 Hz以上）時，由于受到產品設計的最大電機軸功率限制，實際運行的系統高低壓壓差不會很大，此時蒸發壓力會變低，雖然轉速增大，但是吸氣密度下降，使得總功率未超過設計允許的最大電機軸功率限制。此種情況表現在MAX線上為區域為F1（n1）至F2（n2）區域間，蒸發溫度由15℃降至-1.6℃，可近似認為在此區間內蒸發溫度值是隨頻率值變化的一次函數。

2.1.2 排氣壓力（冷凝溫度）范圍的確定

根據家用小型空調器（輸入功率不大于3hp）在制冷、制熱時可能遇到的高溫熱源的極限溫度，找到最大冷凝溫度：65℃。依據吸氣壓力（蒸發溫度） 范圍與運轉頻率（轉速） 關系圖（圖1），確定出如圖2所示的最大排氣壓力（冷凝溫度）和運轉頻率（轉速）的關系曲線。具體方法如下：

在圖1所示吸氣壓力（蒸發溫度）范圍內，壓縮機所允許達到的最高排氣壓力確定原則：

T1氣候類型下、在相應高溫熱源溫度條件下、在任何情況下（無論制熱或制冷），滿足排氣壓力最大值小于65℃所對應的最高冷凝壓力、電機繞組溫度tm≤135℃、排氣溫度td≤120℃、壓縮機相電流峰值不超過直流電機退磁電流值等條件。

在上述這些原則的限制下，通過試驗實際測試來獲得不同的壓縮機在相應運行頻率下各自的最大排氣壓力極限值。

按照以上原則，通過壓縮機排氣壓力試驗得出排氣壓力（冷凝溫度） 與運轉頻率（轉速） 關系圖（圖2）。

2.1.3 直流變頻壓縮機安全運行范圍的確定

在確定了吸氣壓力（蒸發溫度） 與運轉頻率（轉速） 關系圖和排氣壓力（冷凝溫度） 與運轉頻率（轉速）關系圖后，根據指定的運行頻率，按圖1、圖2所提供的壓力～頻率對應數值，即可得到壓縮機在某一頻率下運行的安全運行范圍框架（即安全運行范圍圖中，蒸發壓力左右2條線0.23 MPa、1.15 MPa和冷凝壓力上面一條最大線4.15 MPa）。至此，安全運行范圍圖中，該運行頻率下的蒸發壓力的兩縱與冷凝壓力的一橫3條線確定，運行范圍大框架基本確立。

在30～120 Hz的運行范圍內，轉子式直流變頻壓縮機所能容許的最大壓比為7.5（防止冷媒排氣溫度過高），最小壓比為2（防止冷媒質量流量過大）。據此，以100 Hz運行頻率為例進行分析，可得到該運行頻率下的運行范圍為a-b-c-j-k。同理，對其他主要運轉頻率都進行分析，根據圖1、2中的排氣壓力、吸氣壓力范圍，對應的運行頻率確定出直流變頻壓縮機允許的安全運行范圍圖（如圖3）。

其中：f-g-h-i為18Hz運轉范圍，a-b-c-d-e為30 Hz運轉范圍，a-b-c-j-k為45～100 Hz運轉范圍，a-b-i-m-n為120 Hz運轉范圍。

圖1 吸氣壓力（蒸發溫度）與運轉頻率（轉速）關系圖（其中：A代表R407C工質；B代表R22工質；C代表R410A工質）

圖2 排氣壓力（冷凝溫度）與運轉頻率（轉速）關系圖

圖3 直流變頻壓縮機安全運行范圍圖

表1 直流變頻壓縮機安全運行范圍圖各極限點的說明（壓力為表壓，以下同）

與更高的頻率相比，由于在30 Hz運行頻率下，在j點電機還未到最大軸功率，可以拓展到d點（此時電機達到該頻率下的最大軸功率），所以安全運行范圍向右擴大，由45～100 Hz運行頻率的ab-c-j-k增大到a-b-c-d-e（即安全運行范圍增大了j-k-e-d的面積）。

同理，與其他頻率相比，由于120 Hz運行頻率下，電機運行受到所能承受的最大軸功率限制，所以安全運行范圍向左縮小，由45～100 Hz運行頻率的a-b-c-j-k縮小到a-b-i-m-n（即安全運行范圍縮小了i-m-n-e-k-j的面積）。

另外，在18 Hz運行頻率下，由于轉速很低，在空調系統中，壓縮機不會維持較高的高壓和壓比，所以安全運行范圍f-g-h-i向下、向右移動。為防止相對質量流量過大，影響潤滑，損害泵體零件，要求pd≥ps+0.2，所以有f-i界線。故18 Hz時安全運行范圍為f-g-h-i。

綜上所述，得到直流變頻壓縮機安全運行范圍如圖3所示。其中，各邊界點成為運行范圍的極限點，對其說明如表1（以45～100 Hz的運行范圍為例說明）。

圖3為家用空調用轉子式直流變頻壓縮機的典型安全運行范圍，是根據家用空調器的使用要求而確立。按APF（全年能效）標準要求所設計的直流變頻壓縮機在該安全運行范圍圖中的各極限點能否正常運行，需要通過摸底試驗去驗證。

表2 安全運行范圍各極限點的試驗工況條件

2.2 安全運行圖極限點試驗驗證

2.2.1 極限試驗點考核工況

根據圖3的安全運行范圍圖極限點的蒸發、冷凝壓力條件，將過熱度、過冷度均定為5℃，運行頻率主要考核低速和高速 （18 r/s、30 r/s、100 r/s和120 r/s），所確定部分極限試驗考核工況如表2所示。

2.2.2 測試方法

測試設備：壓縮機熱量計；

測試產品：用1hp直流變頻壓縮機進行了摸底測試；

測試要求：按所確定的試驗考核工況進行，每工況跑穩后，記錄測試數據。

2.2.3 極限試驗實測數據匯總分析，見表3

綜合壓縮機產品在量熱計上測試數據，可以得到壓縮機在相應的工況下的負荷（功率）、流量和排氣溫度等情況，據此分析如下：

（1） LL點，由于高低壓均低，壓差小，蒸發溫度低，壓縮機量熱計的現有配置無法對此工況進行正常測試，本文對此不再進行驗證。

（2） HPR點，由于蒸發溫度低，吸氣溫度低，實際測試中，吸氣溫度不穩定。

（3） HL點，在100 Hz時功率最大。HMF點，在100 Hz時流量最大。

（4） 比較HPR點與HPD點，兩者壓比接近，壓差相差較大；HPD點、100 Hz狀態下，排氣溫度最高。

（5） 從實測數據來看，HL（最大負荷點） 工況功率最大，流量大；HPR（最大壓比點） 工況壓比最大、流量小、功率小、排溫高；HPD（最大壓差點）工況壓差最大、流量小、功率大、排溫實際最高；HMF（最大流量點）工況流量最大。

（6） 各極限點工況下，壓縮機實際運行時的負荷、功率和排氣溫度等參數均未超過壓縮機的極限工作狀態。

表3 極限點試驗實測數據匯總

（7） 安全運行范圍試驗，應對各極限點工況條件分別進行，考察壓縮機在不同的轉速、壓比、壓差、排氣溫度和軸功率等條件下的可靠性。其中，考核最嚴格的工況為：HL-j 100 Hz、HMF-k 100 Hz、HPD-c 100 Hz和LL-j 18 Hz。

3 結論

（1） 本文根據空調器的實際運行情況，結合轉子式壓縮機的結構特點，分析研究了直流變頻轉子式壓縮機的安全運行范圍確定方法。

（2） 根據試驗摸底，得到了壓縮機在各極限點上的實際工作狀況（功率、流量和排氣溫度等）；從測試數據可以判斷目前設計的直流變頻壓縮機能夠適應安全運行范圍的極限點工況正常運行要求，說明了本文所述的方法所確定的直流變頻壓縮機安全運行范圍的可信性和可靠性。

（3） 壓縮機的安全運行范圍取決于制冷系統的運行范圍，壓縮機必須根據自身結構特點和系統使用要求進行適應性設計，才能滿足制冷系統的使用要求。安全運行范圍的確定，既要滿足在性能考核范圍內的高性能，又要滿足在制冷系統的運行范圍內可靠運行，需要找到兩者的平衡。