直流變頻壓縮機性能實驗研究及探討

趙 洋，李 欣，李志強，鄧雨婷

(中家院(北京)檢測認證有限公司，北京 100176)

1 引言

當前，直流變頻壓縮機已經(jīng)被廣泛應用于空調(diào)、熱泵熱水器、冰箱及冷柜等小型制冷家電。直流變頻壓縮機的核心技術(shù)在于采用稀土永磁材料制作而成的轉(zhuǎn)子，在運行過程中，定子可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永磁磁場直接作用，在實現(xiàn)壓縮機運轉(zhuǎn)的同時，避免了轉(zhuǎn)子上的銅損鐵損。據(jù)估計，直流變頻壓縮機的工作效率比交流壓縮機高5%～10%，采用直流變頻技術(shù)的制冷家電與交流相比約節(jié)省電費15%[1]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)學者就如何提高直流變頻壓縮機效率方面已做了大量研究。鄭曉峰等針對R410A變頻壓縮機建立了全新測試工況，縮小了壓機檢測數(shù)據(jù)與實際工況數(shù)據(jù)的偏差度[2]；張華俊等研究了直流變頻轉(zhuǎn)子壓縮機的排氣通道上斜切口角度對其制冷量、輸入功率、性能系數(shù)、排氣溫度等的影響[3]；劉興旺等從理論上分析了轉(zhuǎn)速對直流變頻渦旋壓縮機單位曲柄轉(zhuǎn)角下的排氣量、壓縮結(jié)束時內(nèi)壓力及單位質(zhì)量有效氣體獲得的多變壓縮能量頭的影響規(guī)律[4]。然而，目前國內(nèi)學者并未給出直流變頻壓縮機的制冷量、耗電量和COP等性能參數(shù)與轉(zhuǎn)速的直接關(guān)系，也并未使用理論計算與實驗分析相結(jié)合的手段對差異原因進行分析。因此，有必要進一步探討直流變頻壓縮機轉(zhuǎn)速對性能參數(shù)的影響，以求對壓縮機的進一步研發(fā)提供指引作用。

2 實驗布置與方法

根據(jù)標準GB/T 5773-2016中的要求，壓縮機檢測方法主要分為制冷劑流量法、第二制冷劑量熱器法、滿液式制冷劑量熱器法和干式制冷劑量熱器法。標準規(guī)定應選擇X法和Y法組合的方式進行壓縮機性能測試，本次試驗遵循GB/T 5773-2016的要求，采用制冷劑流量法和第二制冷劑量熱器法對壓縮機性能進行綜合測定。

圖1為試驗系統(tǒng)布置圖，在上述測試方法中，同時通過流量計和量熱罐對系統(tǒng)的質(zhì)量流量進行測定和計算，進而通過溫度計、壓力表對各點制冷劑焓值進行測量，并以焓差法進行壓縮機制冷量的計算。第二方面，壓縮機供電端設置有電壓、電流實時采集裝置，可進行壓縮機供電功率的采集，進而通過供電量和制冷量對壓縮機COP進行計算。最后，壓縮機控制端還設有調(diào)速模塊，用以實現(xiàn)壓縮機不同轉(zhuǎn)速的設置。

1.被測壓縮機 2.冷凝器 3.集液器 4.過冷器15.干燥過濾器 6.觀察鏡 7.流量計 8.過冷器29.過熱器 10.油分 11.量熱罐圖1 壓縮機檢測試驗系統(tǒng)布置

本次試驗對象為冰箱用直流變頻壓縮機，轉(zhuǎn)速分別取950 r/min、1300 r/min、1600 r/min、2000 r/min、3000 r/min和4000 r/min，冷卻方式為自然冷卻。具體試驗工況如表1所示。

表1 壓縮機試驗工況

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 制冷量與耗電量

如圖2所示，冰箱用直流變頻壓縮機在不同轉(zhuǎn)速下的制冷量成線性遞增的關(guān)系；耗電量大部分成線性遞增，在2000～3000 r/min范圍內(nèi)增長率有小幅變化。

根據(jù)壓縮機制冷量計算公式

Q1=60nυ

Q0=3.6[(h2-h1)/v]Q1

υ——壓縮機吸氣容積，m3/h

n——壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min

h1、h2——壓縮機吸氣口氣體焓值、蒸發(fā)器進口氣液混合物焓值，kJ/kg

v——壓縮機吸氣口氣體比容，m3/kg

Q1——壓縮機排氣量，m3/r

Q0——壓縮機制冷量，W

從理論公式可以看出，在工況穩(wěn)定后，蒸發(fā)溫度、冷凝溫度及過冷溫度不變，即壓縮機吸氣口氣體焓值h1、蒸發(fā)器進口氣液混合物焓值h2和壓縮機吸氣口氣體比容v為定值；另一方面，壓縮機吸氣容積υ為壓縮機自身屬性參數(shù)，因此公式中的變量僅為壓縮機轉(zhuǎn)速n和制冷量Q0，且二者呈正比關(guān)系。圖2所示實測結(jié)果基本驗證了理論公式中的結(jié)論，即制冷量隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的提升呈線性增長。

在耗電量方面，由于該壓縮機采用的是直流變頻電機，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與耗電量關(guān)系式

P=nT/9550

P——電機的輸入功率，即壓縮機耗電量，kW

n——電機的轉(zhuǎn)速，即壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min

T——電機的轉(zhuǎn)矩，N·m

由公式看出，壓縮機或電機的耗電量P與電機的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T成正比關(guān)系，然而實測所得壓縮機轉(zhuǎn)速與耗電量基本成線性關(guān)系，由此可以推測在壓縮機轉(zhuǎn)速變化并穩(wěn)定運行之后，其轉(zhuǎn)矩基本維持不變，即變頻壓縮機穩(wěn)定運行時的控制方法為定轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)速越大耗電量越高；另一方面，圖2所示變頻壓縮機運行在2000～3000 r/min之間時耗電量略低于理論公式所得的耗電量，其原因推測為：低轉(zhuǎn)速時壓縮機電機維持穩(wěn)定運行所需的轉(zhuǎn)矩較大，而高轉(zhuǎn)速時壓縮機電機所消耗的摩擦損失較大。因此可以判斷，該變頻壓縮機在2000～3000 r/min時所需扭矩和摩擦損失為最有利狀態(tài)，即2000～3000 r/min為最有利運行轉(zhuǎn)速。

3.2 性能系數(shù)

根據(jù)圖3所顯示的實測COP結(jié)果可知，直流變頻壓縮機在1500～3000 r/min時達到COP最大值，在1500 r/min之前隨著轉(zhuǎn)速的減小COP逐漸減小，直至轉(zhuǎn)速小于最低轉(zhuǎn)速時壓縮機停機；在3000 r/min之后隨著轉(zhuǎn)速的增大COP逐漸減小，直至轉(zhuǎn)速達到壓縮機最大轉(zhuǎn)速。

根據(jù)COP計算公式

COP=Q0/P

Q0——壓縮機制冷量，W

P——壓縮機耗電量，W

結(jié)合試驗結(jié)果可以得知，由于制冷量隨轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，而耗電量隨轉(zhuǎn)速成波動線性關(guān)系，造成COP產(chǎn)生浮動的原因主要在于耗電量的非完全線性變化。根據(jù)3.1小節(jié)的結(jié)論，2000～3000 r/min為壓縮機能耗最有利運行轉(zhuǎn)速，因此在此段轉(zhuǎn)速下試驗所得的COP值最大。另外，從COP的試驗結(jié)果還可以看出，直流變頻壓縮機在高轉(zhuǎn)速時的性能系數(shù)較之在低轉(zhuǎn)速時更有優(yōu)勢。

4 結(jié)論

根據(jù)標準GB/T 5773-2016中的試驗方法對國內(nèi)某知名廠家的直流變頻冰箱壓縮機進行性能試驗，結(jié)合理論公式的推導，可得出以下結(jié)論：

(1)直流變頻壓縮機的制冷量隨轉(zhuǎn)速的增加呈線性增加，且線性關(guān)系可保持穩(wěn)定。

(2)直流變頻壓縮機的耗電量隨轉(zhuǎn)速的增加呈基本線性增長，在2000～3000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間，達到最優(yōu)電利用效率，且壓縮機電機穩(wěn)定運行時的控制方式為定轉(zhuǎn)矩控制。

(3)直流變頻壓縮機的性能系數(shù)(COP)，僅受到耗電量波動的影響，在2000～3000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間達到最大值，與最優(yōu)電利用效率區(qū)間一致。