家用多联机变频变容压缩机的高效化设计及应用.pdf

Articles论文64 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424家用多联机变频变容压缩机的高效化设计及应用High effi ciency design and application of variable-frequency and variable-volume compressor for multi-connected air-conditioner翟元彬1 田树丹2 ZHAI Yuanbin1 TIAN Shudan21.广东美芝制冷设备有限公司 广东佛山 528305；2.广东威灵电机制造有限公司 广东佛山 5283111.Guangdong Meizhi Compressor Co.,Ltd.Foshan 528305;2.Guangdong Welling Motor Manufacture Co.,Ltd.Foshan 528311摘 要：基于大数据分析的家用多联机低负荷运行冷量过剩、低频能效低的问题，通过对变容压缩机的容积比、泵体结构、切换机构等方面优化设计，优选电机槽极配合和绕线方式，结合绕组切换技术、变频器电控优化等技术，降低了压缩机的摩擦功耗、泄漏损失、排气阻力等，提升电机低频效率，降低变频器控制损耗，从而拓展了最小冷量输出，大幅提升了压缩机低频能效，应用于家用多联机系统可使低负荷能效提升20%。关键词：家用多联机；压缩机；变容；切换；高效；低负荷 Abstract:Based on big data analysis,analyzes the problems of excess capacity and low effi ciency in low-load household multi-line operation.By optimizing the volume ratio,pump structure,switching mechanism and other aspects of variable-volume compressor,optimizes the motor groove pole matching and winding mode,and combines winding switching technology,inverter electric control optimization and other technologies.Reduce the friction power consumption,leakage loss,exhaust resistance of the compressor,improve the low frequency effi ciency of the motor,reduce the frequency converter control loss,thus expanding the minimum cold output,greatly improve the low frequency energy effi ciency of the compressor,applied to the home multi-line system can make the low load energy effi ciency increased by 20%.Keywords:Multi-connected air-conditioner;Compressor;Variable-volume;Switching;High-effi ciency;Low-load中图分类号：TM925.12;TB657.1 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.05.0110 引言家用多联机因外形美观、节省空间的优点在国内家用空调市场销量逐年递增，已占到中央空调一半以上的市场份额。家用空调耗电量占我国家庭用电量的比重达到40%50%。根据大数据调查，我国家用中央空调单开1台室内机的运行时间占到了总运行时间的60%以上，运行12台内机的时间占总运行时间的87%1。因此家用多联机低负荷的能效水平对我国建筑能耗的影响非常大。变频多联机负荷设计通常是以全屋冷热负荷要求设计的，因此常规的压缩机在低负荷工况运行时，存在制冷量输出过剩和能效低的问题。为此行业内提出了变频变容压缩机技术，徐嘉2等人分析了变容压缩机在单缸低频的性能优势，阙沛祯3等人研究了变容压缩机作者简介：翟元彬（1992），男，工程师，学士学位。研究方向：制冷压缩机及空调技术。地址：广东省佛山市顺德区顺峰山工业开发区广东美芝制冷设备有限公司。Email：。在多联机系统的低负荷实验测试，廖四清4等人研究了定速变容压缩机在空调系统的实验测试，对解决上述问题提供了参考方向。但对于变容压缩机的进一步高效化设计尚未深入研究。本文针对变容压缩机的运行特性和结构原理进行了深入分析研究，通过优化设计使变容压缩机低负荷能效进一步提升，为下一步家用多联机APF能效水平提升提供了高效压缩机的设计指导。1 变容压缩机的工作原理变容压缩机具有两个气缸，其中具有正常和空载两种工作模式的下气缸为变容缸，以实现压缩机排气量变化。变容缸实现工作模式切换一般是通过控制作用在滑片两端的气体压力，使滑片Articles论文 65家电科技 Vol.5 2023 Issue 424压紧或脱离滚子，同时需要采用磁铁或销钉来控制滑片的释放或锁止。其中通过销钉控制滑片的变容方式，具有结构简单、可靠稳定的优点。如图1 a)所示，当压缩机在高负荷运行时为双缸运行模式，滑片尾部和销钉头部的压力为高压，销钉的尾部始终联通低压，销钉则会在压差作用下克服弹簧力压入到销钉孔内。然后滑片在尾部的高压推动下抵接在滚子上，从而隔绝高低压形成压缩腔。此时下气缸和上气缸一样可正常完成压缩排气过程。如图1 b)所示，变容压缩机在低负荷运行时，滑片尾部和销钉头部由高压切换为低压，滑片在滚子推动下退回到气缸的滑片槽内时，销钉因两端压力平衡在弹簧的作用下伸出销钉孔，伸入到滑片的凹槽内，滑片即被锁止在滑片槽内。此时下气缸无法形成隔绝的压缩腔，滚子在气缸内空转，下缸无法正常压缩，即为单缸运行模式。2 容积比的设计常规双缸压缩机在低频运行时，容积效率、机械效率和电机效率都比较低，因此低频性能衰减很大5，如图2所示。变容压缩机在双缸运行模式下，与常规压缩机性能基本相当。在单缸模式下工作容积减小，则相同转速范围下的最小负荷制冷量可以更小，制冷量的调节范围拓宽。同时在相同制冷量下变容压缩机单缸模式电机转速相比双缸有所提高，电机效率和容积效率大幅提高，因此在低负荷运行时变容压缩机单缸模式的性能远高于常规双缸压缩机。双缸变容压缩机在单缸运行时的工作容积与双缸容积的比值，称为容积比k。（1）其中，V1-单缸工作容积，即上气缸排量；V-双缸总排量，V2-下气缸排量。多联机在最小负荷运行时的制冷量Q1：（2）其中，f1-最低运行转速，q-单位制冷量。多联机全负荷运行时的额定制冷量Q：（3）其中，f-额定运行转速。（4）以目前市场上主流的5 HP家用多联机为例，额定制冷量为16 kW，最小负荷制冷量约为1 kW；其额定制冷运行转速为90 Hz，最低运行转速为15 Hz。则满足额定和最小负荷冷量的容积比：（5）采用的压缩机总排量约为42.0 cc，根据容积比k0.375，则变容压缩机设计单缸排量为15.75 cc，其变容缸排量为26.25 cc。a)双缸运行模式 b)单缸运行模式图1 变容压缩机的运行原理示意图图2 常规压缩机与变容压缩机制冷量和性能对比Articles论文66 家电科技 Vol.5 2023 Issue 4243 泵体结构的设计3.1 轴系设计常规的双缸压缩机上下气缸等排量设计，曲轴的主副轴径和上下偏心部直径一般设计都相等。在不等缸变容压缩机中，上气缸排量较小，上气缸和主轴承负载相比下气缸和副轴承较小。因此根据变容压缩机的运行特点，其泵体结构参数设计也不同于常规双缸压缩机。表1 压缩机泵体结构参数对比结构参数常规压缩机变容压缩机总排量（cm3）42.042.0上缸排量（cm3）21.015.75下缸排量（cm3）21.026.25上缸内径/高度（mm）60/2056/20下缸内径/高度（mm）60/2064/24主/副轴径（mm）21/1818/18上/下偏心部直径（mm）33/3328/30隔板内孔直径（mm）33.228.2上/下偏心量（mm）5.7/5.74.9/6.0如表1所示变容压缩机的泵体结构设计，上缸排量较下缸小，上缸内径和高度也较下缸小，主轴轴径和上偏心部直径都较常规压缩机减小。主轴承摩擦功耗：（6）其中，s-油膜粘度，与温度、压力相关；s-曲轴旋转角速度；R-曲轴主轴半径；hs-主轴承有效承载长度；Cs-轴承间隙（油膜厚度）；偏心部摩擦功耗：（7）其中，e-油膜粘度，与温度、压力相关；s-曲轴旋转角速度；r-滚子自转角速度；Re-曲轴偏心部半径；he-偏心部有效承载长度；Ce-偏心部与滚子内圆间隙（油膜厚度）；主轴轴径和上偏心部直径减小，可以大幅降低主轴承与曲轴、偏心部与滚子内圆的摩擦功耗6，压缩机输入功率可以降低2.4%。上偏心部减小的同时，隔板内径也可减小，从而增大滚子与隔板的密封距离，滚子端面泄漏减小，压缩机容积效率可提升。3.2 排气设计常规双缸压缩机为了均衡排气阻力和余隙容积，一般是上下气缸分别通过上下轴承单个排气孔排气。在不等缸的变容压缩机中，上气缸排量较小时仍可采用单排气结构，然而下气缸排量较大，下气缸高度相对较高时，采用单排气时即使增大排气孔直径，排气阻力仍然较大。为了改善气缸排气的流场，防止气缸过压缩问题，下气缸可采用双排气结构，将中间隔板设计为双层，上下隔板之间形成排气腔，在下隔板上设置排气孔，下气缸可以同时从下轴承和下隔板两个排气孔排气。下气缸采用双排气孔设计相比于单排气，压缩腔的流场更加平滑，排气过程压缩腔内的湍流区更小7，排气过压缩和压力脉动、排气阻力可以减小，指示效率提升，压缩机输入功率可以降低2.9%。3.3 切换机构设计下滑片尾部和销钉头部处在密封腔内，可以通过两个电磁阀的开闭分别将密封腔的压力切换为排气压力或吸气压力。在双缸运行模式下，联通排气管的电磁阀打开，联通吸气管的电磁阀关闭，下滑片尾部和销钉头部压力切换为高压。由于销钉尾部始终联通气缸吸气孔，销钉与销钉孔之间存在间隙，销钉头部的高压排气会通过间隙向销钉尾部的低压泄漏，并进入到下气缸的吸气孔，导致下气缸吸气量减小，吸气温度升高，从而导致制冷量降低、功率升高，压缩机性能下降。销钉与销钉孔间隙的泄漏量：（8）其中，D-销钉孔直径；h-销钉与销钉孔单边间隙，销钉与销钉孔可近似为同心装配；p-销钉头部与尾部的压力差；-流体动力粘度，气体粘度远小于液体粘度；L-密封长度，即销钉与销钉孔配合轴向长度。由此可得出，在压差一定的情况下，适当减小销钉与销钉孔的配合间隙，减小销钉孔直径，增大销钉长度，可以减少销钉孔的泄漏量8。此外，增大泄漏通道内的流体粘度，即流体由纯气体向气液两相转变也可以减少泄漏量。如图3所示，引入高压的位置从排气管改为壳体中部、壳体下部，含油量逐渐增大，压缩机COP先增大后减小。理论计算含油量增大，泄漏量应减小。但从壳体下部引入油量过多时，导致滑片往复运动过程压油，从而使滑片滚子接触力增大，摩擦功耗升高。因此可以将连接排气管的高压通道改为从压缩机壳体中部9，保持适当的含油量，降低销钉孔泄漏量的同时，使滑片运动处在合理的润滑区间，可使压缩机单缸低负荷性能提升3.0%。Articles论文 67家电科技 Vol.5 2023 Issue 424 4 变频电机的设计4.1 槽极配合设计压缩机变频电机的槽极配合有整数槽和分数槽两种设计，大排量压缩机一般选择整数槽分布卷的设计，在高转速和低噪声方面更有优势。而对于变容压缩机侧重于单缸低负荷的能效时，采用分数槽集中卷的设计，因绕线端部更紧凑，绕组铜损更小，电机效率比整数槽分布卷可提升1%左右。表2 不同槽极配合电机效率对比定子槽数1296转子极数86430 r/s效率（%）90.6591.1291.3860 r/s效率（%）91.8292.0892.32最低力波阶次432如表2所示，常见的分数槽电机效率6槽4极高于9槽6极高于12槽8极，但6槽4极最低力波阶次比较低，低频噪声振动比较差，综合考虑槽极配合选择9槽6极设计，电机效率可以相比12槽8极提高0.5%左右。4.2 绕组设计定子绕组设计有三角形接法和星形接法两种。如图4，两种不同绕组接法的电机效率对比所示，可以看出在低扭矩工况下三角形接法的电机效率高于星形接法，随着负荷加大，星形接法的电机效率要优于三角形接法。对于变容压缩机低负荷电机效率提升应选择三角形接法。如果要兼顾全负荷电机效率均最优，可以通过继电器实现压缩机电机三角形接法和星形接法的切换10，在压缩机低负荷单缸运行时，切换为三角形接法，低频电机效率高出2%左右；压缩机高负荷双缸运行时，切换为星形接法，高频电机效率也可高出1%左右。4.3 变频器电控设计在变容压缩机单缸运行时，压缩机功率较低，电机所需电压和电流比较低。变频器需要更大的调制占空比来控制输出电压11，变频器的调制效率相比高频运行时较低。通过提高电机反电势系数，同时优化电控参数，使其输出电压与电机低负载下反电动势波形匹配12，从而降低变频器调制占空比，降低变频器电子元件的功耗，压缩机性能可提升2.5%左右。5 家用多联机系统的应用通过大数据采集多联机长时间运行系统参数，总结出适合压缩机单体测试的低负荷工况，测试工况参数如表3所示。表3 低负荷工况参数表 （）工况蒸发温度冷凝温度吸气温度过冷温度低负荷工况10402438对采用上述优化设计的压缩机进行性能测试对比。如图5所示为压缩机单体性能测试数据对比。双缸模式制冷量最低至2000 W左右，单缸模式的制冷量可以低至600 W左右，可以减少因冷量过大引起的压缩机启停。在制冷量2600 W以下，单缸模式能效高于双缸模式，最大可以提升20%左右。因此在家用多联机单开一台内机时，变容压缩机采用单缸模式可以大幅降低整机功耗，更加节能环保。图5 低负荷工况单缸和双缸模式对比6 结论家用多联机大部分运行时间是在低负荷工况下，常规压缩机存在制冷量输出过大、低负荷性能低的问题，采用变容压缩机在单缸模图3 不同高压引入位置的含油量和压缩机COP图4 不同绕组接法的电机效率对比Articles论文68 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424式运行时可以降低制冷量最小输出，大幅提升低负荷性能。家用16 kW多联机的变容压缩机其单双缸容积比优选设计为k0.375。泵体结构设计通过减小曲轴主轴和上偏心部直径，降低摩擦功耗；下气缸采用双排气方式，降低排气阻力和余隙容积；切换机构的高压引入位置设计为壳体中部，保持适当含油量可以降低销钉孔泄漏。直流变频电机采用9槽6极的集中卷设计，采用三角形串联接法，适当提高反电动势系数，可以提升低负荷的电机效率和压缩机性能；结合三角形-星形绕组切换技术，可以兼顾高低频电机效率，提升整体性能。优化变频器电控参数，使其输出电压与电机低负载下反电动势波形匹配，可降低变频器功耗。采用优化设计的变容压缩机，在多联机低负荷工况下压缩机单体性能：单缸模式较同冷量下双缸模式可提升20%。参考文献1 成建宏,李红旗,苏玉海.中国制冷空调实际运行状况调研报告 第2章 多联机实际运行状况分析R.2020(06):6-23.2 徐嘉,胡余生,张荣婷,等.容积可变型转子压缩机研究进展综述J.制冷空调,2016(05):7-10.3 阙沛祯,魏会军,牛玉婷.多联机用压缩机的低负荷性能实验研究J.日用电器,2021(05):75-78,87.4 廖四清,区永东,曾令华,等.两档变容定速压缩机提升空调器SEER实验研究J.家电科技,2021(06):52-55.5 张勤奋.变频转子式压缩机低频能力异常衰减分析与研究J.家电科技,2022(zk):158-161.6 马国远,李红旗.旋转压缩机M.北京:机械工业出版社,2003.7 岳向吉.应用动网格技术模拟滚动转子压缩机的流动特性D.沈阳:东北大学,2011.8 晏刚.滚动转子式压缩机间隙泄漏两相流及其对压缩机性能的影响D.西安:西安交通大学,2003.9 向柳,胡艳军,阙沛祯,等.变容压缩机及空调系统P.广东:CN205918593U,2017-02-01.10 范杰.空调压缩机用永磁同步电动机绕组星形与三角形接法分析J.电机技术,2022(04):36-40,44.11 王乐三,尹磊,刘晓飞,等.家用空调变频控制器直流母线电压波动机理分析J.家电科技,2022(zk):378-381.12 郑立宇,张奎,徐飞,等.新一级高效变频压缩机创新设计研究J.家电科技,2020(zk):73-76.（责任编辑：张蕊）按照章节2.2中介绍方法，如果在一年中超过35的高温工况下使用2640 h（110天），电解电容寿命约为9.6年。对比表2，压缩机频率提升510 Hz，制冷量提升5%以上。根据国标空调能效等级中全年制冷运行只有1136 h，超过30的工况只有582 h，同时根据大部分的用户的实际使用情况，高温情况下可以提高压缩机运行频率，保持高制冷量，从而提高制冷速度，提升制冷效果。5 结论本文提出了一种无需更改硬件、实时估算电解电容寿命的方法，进而实现对压缩机运行频率的动态调节，解决了高温环境下压缩机最大运行频率受到电解电容寿命限制的问题。本文分析了电解电容寿命与其表面温度和温升的关联，使用室外机环境温度和IPM温度线性估算电解电容表面温度，采用母线纹波电压计算电解电容温升，进而实时估算电解电容寿命，保证制冷能力基础上按照用户使用习惯动态调节压缩机运行频率。高温工况下可以提升压缩机运行频率510 Hz，提升制冷量5%以上，有效提升用户制冷体验。参考文献1 巨世强.基于小电容功率变换器的永磁同步电机系统控制D.天津:天津工业大学,2021.2 卢西伟.城轨能馈式牵引供电系统的可靠性、疲劳损伤评估及维护维修方法研究D.北京:北京交通大学,2011.3 范凌云,乔志伟,唐雪瑾.常用电容器寿命研究J.日用电器,2021(07):34-38+48.4 沈文琪.温度、电压、谐波、涌流等对电容器寿命的影响J.电力电容器,2005(02):6-8+18.5 徐贝贝,高保华,刘聚科,等.空调器压缩机的控制方法以及空调器:中国,CN113685997AP.2021-11-23.6 厉跃明,何建,江筱琴.电力电子装置变频驱动用铝电解电容器J.电力电容器与无功补偿,2019,40(04):71-75.7 孙晓武.直流支撑电容器的纹波电流影响其温升的研究J.电力电容器与无功补偿,2020,41(04):76-80+97.8 GB 214552019房间空气调节器能效限定值及能效等级S.9 张洪浩,周婷,郭积晶,等.三电平逆变器直流侧支撑电容器纹波计算方法研究J.控制与信息技术,2020(05):40-45.10 王乐三,尹磊,刘晓飞,等.家用空调变频控制器直流母线电压波动机理分析J.家电科技,2022(zk):378-381.11 姚占辉.减小PFC变换器输出电流二倍工频纹波的控制策略研究D.成都:西南交通大学,2019.（责任编辑：马冀圆）表6 解除电解电容寿命限频后测试数据表工况A（27,19/35,24）B（32,23/43,26）C（35,26/53,28）更改前更改后更改前更改后更改前更改后压缩机频率对比（Hz）9810883916268电解电容实测表面温度（）55.957.961.463.366.968.6公式（15）估算表面温度（）/57.6/62.8/68.7电解电容实测内部温度（）59.462.163.766.968.870.95电解电容温升（）3.54.22.33.61.92.35公式（13）估算温升（）/4.3/3.4/2.65测试寿命（yr）8.46.76.85.04.94.1公式（2）估算寿命（yr）/6.7/5.3/3.9制冷量（W）728076996771711451265490制冷量提升5.8%5.1%7.1%（上接63页）