直流变频涡旋压缩机技术及系统回油方式

文章编号：CAR075

直流变频涡旋压缩机技术及系统回油方式

郎贤明孙玉萍曲准德

(大连三洋压缩机有限公司研发中心大连 116033)

摘要随着国际国内对于环保和节能的要求不断提高，在空调用压缩机领域直流变频技术和R410A冷媒受到越来越多的重视，大连三洋压缩机有限公司针对市场开发了直流变频涡旋压缩机，本文主要介绍三洋直流变频压缩机的关键技术及并联使用的空调系统中不同压缩机之间油平衡问题。

关键词直流变频涡旋压缩机油平衡

TECHNOLOGY OF DC FREQUENCY CONVERSION SCROLL

COMPRESSOR & OIL BALANCE

Lang Xianming Sun Yuping Qu zhunde

(Dalian SANYO Compressor Co., Ltd. R &D Center Dalian 116033)

Abstract With the development of protecting environment and energy conservation in China and the world, compressor of DC frequency conversion and refrigerant R410A now is more popular in refrigerator and air-conditioner.The scroll compressor of DC frequency conversion is exploited in Dalian SANYO compressor Co. ltd. Key technology of the DC frequency conversion scroll compressor and oil balance applications in parallel circuits of the refrigeratory in this paper.

Keywords DC frequency conversion Scroll compressor Oil balance

0 引言

相对于往复、转子式等压缩机，涡旋式制冷压缩机是20世纪80年代才发展起来的一种新型容积式压缩机，具有效率高、体积小、质量轻、噪声低、结构简单且运转平稳等特点，现在已经大量、广泛的应用于空调、制冷等领域，随着国际国内对于节能和环保的要求不断提高，迫切需要对现有使用三相感应电机涡旋压缩机进行更新换代。为了满足这些新的要求，出现许多新的技术和解决方案，这其中，直流变频技术正越来越引起大家重视，它是利用直流永磁电机低损耗和正弦波矢量控制实现整个压缩机的高效率，同时，变频技术在空调上尤其是中央空调上的优势还在于压缩机可以根据环境的要求平滑调整输出冷量，减少频繁起停造成的额

项目来源：企业重点开发项目

作者简介：郎贤明（1977-）男中级工程师外电力损耗。直流变频电机又称为IPMSM内嵌磁石永磁同步电机，其控制采用目前最好的矢量控制方式，能实现低振动、低噪音、高效率，其效率比传统感应电机高5%~10%，另外它的转速范围广，能在20~120Hz频率下运行，成本低，工艺简单。通过试验台测试比交流电机性能有大幅度提高（见图1）。另直流变频技术已在日本家用空调中广泛应用，系统控制方案成熟。由于R410A冷媒由于具有更好的环保特性在日本、欧洲等国家广泛使用。因此，采用R410A冷媒的直流变频涡旋压缩机将成为市场新的热点。近期，大连三洋压缩机有限公司推出了内部高压结构直流变频涡旋压缩机。本文重点介绍其关键技术和并联系统设计回油解决方案。

图1 直流变频电机和交流感应电机效率对比

1 直流变频电机技术

无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性，同时又对整流电进行变频，所以又名直流变频，国际通用名词为BLDC 。无刷直流电机的运转效率、低速转矩、转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好。直流变频电机转子内部嵌入永磁铁（如图2），工作时，电机定子产生的旋转磁场与转子永久磁铁磁场相互作用使转子运行，不存在定子旋转磁场对转子的电磁感应作用。目前性能最好的永磁铁是以稀土钕铁硼（Nd-Fe-B ）材料为代表的稀土永磁铁，其磁能积是原来广泛使用的铁氧体的十倍以上，相同条件下电机体积更小。三洋直流变频电机使用的就是这种永磁铁。直流电机定子根据绕组的不同有分布式和集中式两种，这两种直流电机和交流电机的性能主要区别有（见图3）:

●采用薄电磁钢板可以降低定子铁损；

●由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，

所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；

●由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗；

●集中式绕线，线圈端部变小(约40%)，铜的用量大幅降低，可额外降低定子铜损；

●在不同频率下，电机的效率变化幅度小。 ●低频转矩大，低速可以达到理论转矩输出，激活转矩可以达到两倍或更高；

一般定频空调室内温度控制依靠压缩机的启、停来调节，在负荷变化较大的多联系统中，压缩机频繁的启停会造成额外的能量损耗，引起电网的波动增大。直流变频空调在变负荷工况下，通过控制加在直流变频电机线圈上电压和频率来控制压缩机的出力，使压缩机的出力根据负载的变化而变化，这样可以达到节能的目的。

图2 三洋直流电机转子和定子

因为稀土类永磁铁在高温下会发生不可逆减磁，所以在运转过程中需要保证转子温度不能过高，这里是利用排气对电机进行降温，需要对冷凝器的最高冷凝温度加以限制。

此外，直流变频电机可以通过提高电流波形与供电电压的波形相似性，电力可以被高效利用。

图3 交流和直流电机功耗对比

2 内部高压式结构

图4 三洋直流变频涡旋压缩机

图4为大连三洋压缩机有限公司的直流变频涡

旋压缩机的断面图，该压缩机有以下特点：

●采用了内部高压结构；

●压缩机涡旋部分为无齿顶密封圈的动涡旋盘浮动自磨合密封方式，针对于变频具有转速可调的特点，为保证涡旋齿顶的密封采用了动涡旋背压浮动的结构，能在不同工况下实现涡旋齿的有效密封，提高容积效率；

●利用高低压差和离心泵两种方式对摩擦面供油，变频压缩机低频率下运转非常容易造成润滑油供应不足，为了解决这一难题，有效利用压缩机的内部高压特点，通过曲轴下方的高压给油孔，向压力较低的中间压轴承部位供油，这样就消除了不同运转频率对供油的影响；

●采用环保的R410A新型冷媒，ODP值为0；

●采用稀土永磁电机、软式PWM控制来降低现有变频器所产生的金属噪音。

3 并联使用中的回油方式

多联系统中，通常都是一台变频压缩机和多台定频压缩机并联的方式使用，压缩机选择合理可以实现系统能力输出无级平滑调节（如图5所示），另外冷冻油对涡旋压缩机来说至关重要，不但可以润滑轴承和各个摩擦面，还可以减少相邻腔之间冷媒泄漏和降低压缩腔内气体的温度。冷冻油会随着气体的排出进入空调系统管路中重新凝结在油气分离器中，如果这部分油不能重新回到压缩机里，压缩机内部的油会越来越少，最终会导致压缩机故障。

图5 方便的无级调节

而对于并联系统来说，需要进一步实现各个压缩机之间的油位平衡。不同压缩机的吸、排气压力，吸、排气冷媒量总会存在一定的差异，这种差异将导致油返回过程中在不同压缩机间油的不均衡现象（包括不同负荷下，压缩机不同时开、停机的状态），为避免这种情况的发生，一种解决方案是让油从系统中全部回到压缩机中，再利用压缩机上的

油位传感器保证不同压缩机的油面平衡。但是由于现场安装和系统设计问题，实现起来难度较大；二是通过油分离器进行油的定向流动方法来解决，这是目前比较简单有效的方式，但是要求系统必须有专门的包括油分离器在内的回油系统。

现以一台变频和一台定频并联的方式介绍一下并联系统油分配方案，如图6所示，运转过程中当一台压缩机内油面高于预定高度时，由于压缩机壳体内为高压，油面高的压缩机内的油会被压到另外一台压缩机的吸气侧并进入压缩机内，当然要保证各种情况下的均油，还需要全面考虑的方案设计，本图只是简单原理示意。

图6 2台压缩机并联回油示意图

4 结论

综合以上论述，相比其它变容量方案，采用直流变频涡旋压缩机的空调系统具有以下优势：1）节能高效，全年能耗效率（APF）出色；

2）高效节能、省电耐用：普通空调每次启动压缩机，需用正常功耗的5-8倍，反复启动的耗电量大。而变频空调能以低速运转保持恒温。毋须反复启动，避免频繁开关压缩机造成的电力浪费和机械损耗，减少系统各部件故障率，另外变频空调能更精确地维持所设定的温度，波动小，负荷发生变化时，通过转速变化而不是频繁的停启压缩机来调整制冷量输出；

3）制冷（制热）速度快：变频空调可自动控制压缩机转速，制冷（制热）速度迅速加大，从启动到设定温度的时间比普通空调块30-60％，在不同转速下能效平稳；