直流变频压缩机性能实验研究及探讨

2021-10-19李志强邓雨婷

压缩机技术 2021年4期

赵洋，李欣，李志强，邓雨婷

(中家院(北京)检测认证有限公司，北京 100176)

1 引言

当前，直流变频压缩机已经被广泛应用于空调、热泵热水器、冰箱及冷柜等小型制冷家电。直流变频压缩机的核心技术在于采用稀土永磁材料制作而成的转子，在运行过程中，定子可产生旋转磁场与转子永磁磁场直接作用，在实现压缩机运转的同时，避免了转子上的铜损铁损。据估计，直流变频压缩机的工作效率比交流压缩机高5%～10%，采用直流变频技术的制冷家电与交流相比约节省电费15%[1]。现阶段，国内学者就如何提高直流变频压缩机效率方面已做了大量研究。郑晓峰等针对R410A变频压缩机建立了全新测试工况，缩小了压机检测数据与实际工况数据的偏差度[2]；张华俊等研究了直流变频转子压缩机的排气通道上斜切口角度对其制冷量、输入功率、性能系数、排气温度等的影响[3]；刘兴旺等从理论上分析了转速对直流变频涡旋压缩机单位曲柄转角下的排气量、压缩结束时内压力及单位质量有效气体获得的多变压缩能量头的影响规律[4]。然而，目前国内学者并未给出直流变频压缩机的制冷量、耗电量和COP等性能参数与转速的直接关系，也并未使用理论计算与实验分析相结合的手段对差异原因进行分析。因此，有必要进一步探讨直流变频压缩机转速对性能参数的影响，以求对压缩机的进一步研发提供指引作用。

2 实验布置与方法

根据标准GB/T 5773-2016中的要求，压缩机检测方法主要分为制冷剂流量法、第二制冷剂量热器法、满液式制冷剂量热器法和干式制冷剂量热器法。标准规定应选择X法和Y法组合的方式进行压缩机性能测试，本次试验遵循GB/T 5773-2016的要求，采用制冷剂流量法和第二制冷剂量热器法对压缩机性能进行综合测定。

图1为试验系统布置图，在上述测试方法中，同时通过流量计和量热罐对系统的质量流量进行测定和计算，进而通过温度计、压力表对各点制冷剂焓值进行测量，并以焓差法进行压缩机制冷量的计算。第二方面，压缩机供电端设置有电压、电流实时采集装置，可进行压缩机供电功率的采集，进而通过供电量和制冷量对压缩机COP进行计算。最后，压缩机控制端还设有调速模块，用以实现压缩机不同转速的设置。

1.被测压缩机 2.冷凝器 3.集液器 4.过冷器15.干燥过滤器 6.观察镜 7.流量计 8.过冷器29.过热器 10.油分 11.量热罐图1 压缩机检测试验系统布置

本次试验对象为冰箱用直流变频压缩机，转速分别取950 r/min、1300 r/min、1600 r/min、2000 r/min、3000 r/min和4000 r/min，冷却方式为自然冷却。具体试验工况如表1所示。

表1 压缩机试验工况

3 试验结果与分析

3.1 制冷量与耗电量

如图2所示，冰箱用直流变频压缩机在不同转速下的制冷量成线性递增的关系；耗电量大部分成线性递增，在2000～3000 r/min范围内增长率有小幅变化。

根据压缩机制冷量计算公式

Q1=60nυ

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

υ——压缩机吸气容积，m3/h

n——压缩机转速，r/min

h1、h2——压缩机吸气口气体焓值、蒸发器进口气液混合物焓值，kJ/kg

v——压缩机吸气口气体比容，m3/kg

Q1——压缩机排气量，m3/r

Q0——压缩机制冷量，W

从理论公式可以看出，在工况稳定后，蒸发温度、冷凝温度及过冷温度不变，即压缩机吸气口气体焓值h1、蒸发器进口气液混合物焓值h2和压缩机吸气口气体比容v为定值；另一方面，压缩机吸气容积υ为压缩机自身属性参数，因此公式中的变量仅为压缩机转速n和制冷量Q0，且二者呈正比关系。图2所示实测结果基本验证了理论公式中的结论，即制冷量随着压缩机转速的提升呈线性增长。

在耗电量方面，由于该压缩机采用的是直流变频电机，根据电机转速与耗电量关系式

P=nT/9550

P——电机的输入功率，即压缩机耗电量，kW

n——电机的转速，即压缩机转速，r/min

T——电机的转矩，N·m

由公式看出，压缩机或电机的耗电量P与电机的转速n和转矩T成正比关系，然而实测所得压缩机转速与耗电量基本成线性关系，由此可以推测在压缩机转速变化并稳定运行之后，其转矩基本维持不变，即变频压缩机稳定运行时的控制方法为定转矩控制，转速越大耗电量越高；另一方面，图2所示变频压缩机运行在2000～3000 r/min之间时耗电量略低于理论公式所得的耗电量，其原因推测为：低转速时压缩机电机维持稳定运行所需的转矩较大，而高转速时压缩机电机所消耗的摩擦损失较大。因此可以判断，该变频压缩机在2000～3000 r/min时所需扭矩和摩擦损失为最有利状态，即2000～3000 r/min为最有利运行转速。

3.2 性能系数

根据图3所显示的实测COP结果可知，直流变频压缩机在1500～3000 r/min时达到COP最大值，在1500 r/min之前随着转速的减小COP逐渐减小，直至转速小于最低转速时压缩机停机；在3000 r/min之后随着转速的增大COP逐渐减小，直至转速达到压缩机最大转速。

根据COP计算公式

COP=Q0/P

Q0——压缩机制冷量，W

P——压缩机耗电量，W

结合试验结果可以得知，由于制冷量随转速成线性关系，而耗电量随转速成波动线性关系，造成COP产生浮动的原因主要在于耗电量的非完全线性变化。根据3.1小节的结论，2000～3000 r/min为压缩机能耗最有利运行转速，因此在此段转速下试验所得的COP值最大。另外，从COP的试验结果还可以看出，直流变频压缩机在高转速时的性能系数较之在低转速时更有优势。