基于堵转工况绕组温度分析的空调压缩机保护器选择方法

摘要：基于目前使用传统经验选配的方法，快速或一次性选配成功率低的情况，本文提出了基于堵转工况绕组温度分析的空调压缩机保护器选择方法，该方法提高了空调压缩机保护器一次性选配成功率，有效缩短产品研发的周期。

关键词：堵转温升;压缩机保护器;选配成功率

1保护器选择方法分析

1.1 方法概述

保护器选配需要兼顾安全可靠性，也要满足性能需求，目前各压缩机公司对于堵转温升的实验要求大同小异。目前行业内选配保护器多依据经验和保护器参数比对，依据经验即新压缩机参考已经批量生产的相似排量及电流的压缩机选配的保护器，参数比对即堵转电流对应保护器动作时间变化规律（ST 值），选取相同或相近 ST 值的保护器进行实验。由于各个电机绕组及线路方式的不同，实验中绕组温升的速率不同，产生的能量也不同，当然保护器动作时间及绕组的最大温升也不同，用经验及原先数据对比的方法，很可能会导致绕组烧毁，选配失败。

1.2 主绕组堵转电流与时间关系公式推导

1.2.1 实验条件

我们进行堵转温升实验，实验放置在风速不大于 0.5m/s 的环境实验箱中进行;鉴于 3 匹及以下空调压缩机堵转电流在 100A 以下，电压不超 300V，因为压降会造成堵转电流波动，压降越大电流下降也越大，故电源选用 60KVA 的变频稳压电源，以确保实验中电压、电流的真实稳定性。由于堵转温度实验测量绕组的最高温度在 200-250℃，为了确保精度，所以选用直径为 1.0-1.2mm 的 T 型热电偶。

1.2.2 主绕组堵转电流随温度变化分析

主绕组电流公式如下：

其中，代表主绕组启动总电阻，代表主绕组启动总漏抗。可以认为只要了解，找到启动总漏抗 Xmst 的变化规律，主绕组电流随温度变化规律也就迎刃而解了。主绕组的漏电抗 Xmst 主要由绕组自身的电感和磁介质磁导率，他们随着温度的变化也按一定的规律变化，通常磁介质电感器件的温度系数 ，是通过下列公式进行计算得到的：

为电感量;为温度为时的电感量;为温度为时的电感量。

也近似与磁介质磁导率的温度系数：

其中，为磁导率;为温度为时的磁导率;为温度为时的磁导率。

因为相同结构、材料的电机，电感的溫度系数、磁介质磁导率变化规律也是一样的。那么就可以假设，它的漏抗X 变化规律也是一样的。 通过以上分析，存在温度系数，使得以下公式成立：

这样就得到了主绕组电流对应温度变化的关系。

1.2.3 主绕组温升对应时间关系计算

本文认为，转速为 0 转时测得的电流确定为电机的启动电流。假设电流、电压计算以 1 秒为一个步进单位，考虑到启动瞬间采集波动，从 开始采样计算，即电流、电压第一个值取的有效值， …以此类推;温度也采用对应电流、电压采样时间的进行记录，…。本文通过大量实验、计算结果的删选、比较来确定，设定主绕组漏抗与主绕组电流两者的差值百分比的公式为：

下标cal 为计算相关参数; 下标 test为实验相关参数。

通过计算，最终选取系数时测试与推算值重合度最高。

因此有单位时间内主绕组温升公式：

采用上式即可使用迭代法进行计算。

2绕组温升的余量分析及实际应用

2.1 实验条件和实验对象

保护器的目的是在绕组达到温度上限之前切断电源的作用，我们通过设定在相同环境温度，极限电压偏差工况时的比对实验，到达绕组所允许的最温度所需要的时间，则是余量分析通过堵转实验得到的数据。

对于国内 220V/50Hz 的空调压缩机来说，以常规工况环境温度 20℃，U=206.8V 为例，考虑到设备实际精度，根据 IEC 决议对设备电压的要求情况做以下两种电压条件的研究：

（1）设备下限电压 0.985×U 为 203.7V

（2）设备上限电压 1.015×U 为 209.9V

2.2 计算值对比分析

从计算角度来说，主要就是初始值的差异，从而引起结果的不同，电压的差异引起最主要的因素就是压缩机堵转初始电流Imst 的不同，使得初始漏抗Xmst0也相应发生变化，因为温度相同，所以初始电阻Rm0不变。分别加（0.985×U）、（U）（1.015×U）不同电压时，绕组最高温度达到 200℃所需要的时间，计算值对比结果见图1。

从计算来分析，是随着电压偏差的比例以及通电总时间线性变化的，一般保护器 ST 的参考值时间精度都在 1s。例如，保护器生产厂家会标出 ST值，在 20℃环境温度时，压缩机在 25A 稳定持续通电时，保护器所需要的动作时间是 10～15s，当然这些都是合格的产品，对于合格品，保护器厂家给出的是一个范围，动作时间、动作温度等参数都落在这个范围内的称之为合格品，实验中我们使用的都是极限品的保护器，目的就是保证所有合格品能够及时起到保护作用，所以理论偏差在 1s-2s 间是完全可靠的。

2.3 实际应用

在国内知名某空调压缩机研发制造公司，原先单相空调压缩机保护器堵转温度实验一次性选配成功的比例在 40%左右，二次实验选配成功的比例也在40%左右，还有 20%得至少 3 次以上才能选配成功的，开发进度受到影响。一般来说，和保护器选型相关的测试全部一次性顺利完成至少需要两周的时间，而且堵转温度实验通过的话，其余有些实验可以同时进行。目前根据本文提出的方法，一次性选配成功率在 70%左右，三次以上才能选配成功的情况几乎没有出现过。保护器选配成功率大大提升的同时，作为电器安全最重要的附件，保护器的顺利选配，也缩短了整个产品的开发周期。

3总结

基于目前空调压缩机选配保护器一次性成功率低，匹配周期长的问题，本文从堵转温度实验入手，给出了主绕组堵转电流与时间、主绕组温升与所需时间的关系公式，并在某压缩机企业保护器选配中得到应用，保护器一次性选配成功率提高了 30%左右。

参考文献

[1]电动制冷压缩机过载保护器的选用[J]. 黄智航. 电机电器技术. 2004（03）

[2]空气源热泵低温适应性研究的现状及进展[J]. 柴沁虎，马国远. 能源工程. 2002（05）

作者简介：杨辰轶（1991年2月24日），男，汉，上海，本科，助理工程师，单位：上海海立电器有限公司.

（上海海立电器有限公司 上海 201206）