基于堵轉工況繞組溫度分析的空調壓縮機保護器選擇方法

摘要：基于目前使用傳統經驗選配的方法，快速或一次性選配成功率低的情況，本文提出了基于堵轉工況繞組溫度分析的空調壓縮機保護器選擇方法，該方法提高了空調壓縮機保護器一次性選配成功率，有效縮短產品研發的周期。

關鍵詞：堵轉溫升;壓縮機保護器;選配成功率

1保護器選擇方法分析

1.1 方法概述

保護器選配需要兼顧安全可靠性，也要滿足性能需求，目前各壓縮機公司對于堵轉溫升的實驗要求大同小異。目前行業內選配保護器多依據經驗和保護器參數比對，依據經驗即新壓縮機參考已經批量生產的相似排量及電流的壓縮機選配的保護器，參數比對即堵轉電流對應保護器動作時間變化規律（ST 值），選取相同或相近 ST 值的保護器進行實驗。由于各個電機繞組及線路方式的不同，實驗中繞組溫升的速率不同，產生的能量也不同，當然保護器動作時間及繞組的最大溫升也不同，用經驗及原先數據對比的方法，很可能會導致繞組燒毀，選配失敗。

1.2 主繞組堵轉電流與時間關系公式推導

1.2.1 實驗條件

我們進行堵轉溫升實驗，實驗放置在風速不大于 0.5m/s 的環境實驗箱中進行;鑒于 3 匹及以下空調壓縮機堵轉電流在 100A 以下，電壓不超 300V，因為壓降會造成堵轉電流波動，壓降越大電流下降也越大，故電源選用 60KVA 的變頻穩壓電源，以確保實驗中電壓、電流的真實穩定性。由于堵轉溫度實驗測量繞組的最高溫度在 200-250℃，為了確保精度，所以選用直徑為 1.0-1.2mm 的 T 型熱電偶。

1.2.2 主繞組堵轉電流隨溫度變化分析

主繞組電流公式如下：

其中，代表主繞組啟動總電阻，代表主繞組啟動總漏抗。可以認為只要了解，找到啟動總漏抗 Xmst 的變化規律，主繞組電流隨溫度變化規律也就迎刃而解了。主繞組的漏電抗 Xmst 主要由繞組自身的電感和磁介質磁導率，他們隨著溫度的變化也按一定的規律變化，通常磁介質電感器件的溫度系數 ，是通過下列公式進行計算得到的：

為電感量;為溫度為時的電感量;為溫度為時的電感量。

也近似與磁介質磁導率的溫度系數：

其中，為磁導率;為溫度為時的磁導率;為溫度為時的磁導率。

因為相同結構、材料的電機，電感的溫度系數、磁介質磁導率變化規律也是一樣的。那么就可以假設，它的漏抗X 變化規律也是一樣的。 通過以上分析，存在溫度系數，使得以下公式成立：

這樣就得到了主繞組電流對應溫度變化的關系。

1.2.3 主繞組溫升對應時間關系計算

本文認為，轉速為 0 轉時測得的電流確定為電機的啟動電流。假設電流、電壓計算以 1 秒為一個步進單位，考慮到啟動瞬間采集波動，從 開始采樣計算，即電流、電壓第一個值取的有效值， …以此類推;溫度也采用對應電流、電壓采樣時間的進行記錄，…。本文通過大量實驗、計算結果的刪選、比較來確定，設定主繞組漏抗與主繞組電流兩者的差值百分比的公式為：

下標cal 為計算相關參數; 下標 test為實驗相關參數。

通過計算，最終選取系數時測試與推算值重合度最高。

因此有單位時間內主繞組溫升公式：

采用上式即可使用迭代法進行計算。

2繞組溫升的余量分析及實際應用

2.1 實驗條件和實驗對象

保護器的目的是在繞組達到溫度上限之前切斷電源的作用，我們通過設定在相同環境溫度，極限電壓偏差工況時的比對實驗，到達繞組所允許的最溫度所需要的時間，則是余量分析通過堵轉實驗得到的數據。

對于國內 220V/50Hz 的空調壓縮機來說，以常規工況環境溫度 20℃，U=206.8V 為例，考慮到設備實際精度，根據 IEC 決議對設備電壓的要求情況做以下兩種電壓條件的研究：

（1）設備下限電壓 0.985×U 為 203.7V

（2）設備上限電壓 1.015×U 為 209.9V

2.2 計算值對比分析

從計算角度來說，主要就是初始值的差異，從而引起結果的不同，電壓的差異引起最主要的因素就是壓縮機堵轉初始電流Imst 的不同，使得初始漏抗Xmst0也相應發生變化，因為溫度相同，所以初始電阻Rm0不變。分別加（0.985×U）、（U）（1.015×U）不同電壓時，繞組最高溫度達到 200℃所需要的時間，計算值對比結果見圖1。

從計算來分析，是隨著電壓偏差的比例以及通電總時間線性變化的，一般保護器 ST 的參考值時間精度都在 1s。例如，保護器生產廠家會標出 ST值，在 20℃環境溫度時，壓縮機在 25A 穩定持續通電時，保護器所需要的動作時間是 10～15s，當然這些都是合格的產品，對于合格品，保護器廠家給出的是一個范圍，動作時間、動作溫度等參數都落在這個范圍內的稱之為合格品，實驗中我們使用的都是極限品的保護器，目的就是保證所有合格品能夠及時起到保護作用，所以理論偏差在 1s-2s 間是完全可靠的。

2.3 實際應用

在國內知名某空調壓縮機研發制造公司，原先單相空調壓縮機保護器堵轉溫度實驗一次性選配成功的比例在 40%左右，二次實驗選配成功的比例也在40%左右，還有 20%得至少 3 次以上才能選配成功的，開發進度受到影響。一般來說，和保護器選型相關的測試全部一次性順利完成至少需要兩周的時間，而且堵轉溫度實驗通過的話，其余有些實驗可以同時進行。目前根據本文提出的方法，一次性選配成功率在 70%左右，三次以上才能選配成功的情況幾乎沒有出現過。保護器選配成功率大大提升的同時，作為電器安全最重要的附件，保護器的順利選配，也縮短了整個產品的開發周期。

3總結

基于目前空調壓縮機選配保護器一次性成功率低，匹配周期長的問題，本文從堵轉溫度實驗入手，給出了主繞組堵轉電流與時間、主繞組溫升與所需時間的關系公式，并在某壓縮機企業保護器選配中得到應用，保護器一次性選配成功率提高了 30%左右。

參考文獻

[1]電動制冷壓縮機過載保護器的選用[J]. 黃智航.?電機電器技術. 2004（03）

[2]空氣源熱泵低溫適應性研究的現狀及進展[J]. 柴沁虎，馬國遠.?能源工程. 2002（05）

作者簡介：楊辰軼（1991年2月24日），男，漢，上海，本科，助理工程師，單位：上海海立電器有限公司.

（上海海立電器有限公司?上海?201206）