通過(guò)對變頻渦旋壓縮機和數碼渦旋壓縮機從工作原理上進(jìn)行分析，指出了各自適合的，并對當前市場(chǎng)上流行的變頻和數碼工業(yè)冷水機組進(jìn)行了綜合比較，闡述了這兩種工業(yè)冷水機各自的優(yōu)勢和不足，最后指出了進(jìn)一步研究和推廣兩種工業(yè)冷水機需要解決的問(wèn)題。
隨著(zhù)我國工業(yè)發(fā)展水平的提高，高精度高節能的工業(yè)冷水機已經(jīng)不再是一種奢侈品，早已走入人們生活的各個(gè)場(chǎng)所。據統計，工業(yè)冷水機的耗電已占整個(gè)國民經(jīng)濟用電量的10%以上，而且隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，比例會(huì )逐漸提高。因此，對于工業(yè)冷水機而言，如何提高系統的效率已顯得越來(lái)越重要。這一要求使得開(kāi)發(fā)可變容量的工業(yè)冷水機成為當前的潮流?？勺內萘抗I(yè)冷水機有很好的發(fā)展市場(chǎng)。
迄今為止用于調節容量的壓縮機技術(shù)真正主導市場(chǎng)的只有變頻和數碼渦旋技術(shù)兩種，分別采用兩種完全不同的方式進(jìn)行壓縮機容量調節，由此帶來(lái)了它們在許多方面的差異。1978 年，日本部分公司提出變頻空調的概念，由于變頻空調具有許多優(yōu)點(diǎn), 因此很快進(jìn)入了發(fā)達國家的市場(chǎng)。而后 “海爾”、“美的”、“格力”等公司也相應推出了變頻空調產(chǎn)品，并有代替目前使用的單頻空調的趨勢[2]。1990 年初，隨著(zhù)渦旋壓縮機被研制出來(lái)，空調系統的容量改變方式也得到很大發(fā)展[3]。全球最大的渦旋壓縮機廠(chǎng) Corpland 公司于1993年提出了數碼渦旋壓縮機，在工業(yè)制冷設備行業(yè)，香港安格斯集團（深圳市安格斯機械有限公司）于2010年8月完成了高精度高節能數碼渦旋工業(yè)冷水機的樣機測試，計劃于2011年全面推出 該款機型。
以下對數碼渦旋和變頻渦旋兩種工業(yè)冷水機做了比較，分析它們各自的優(yōu)勢及不足。
2 變頻渦旋與數碼渦旋壓縮機的工作原理
渦旋變頻壓縮機由于采用了變頻器（工作原理如圖1所示）, 因此其轉速隨頻率變化而產(chǎn)生不同的輸氣量，從而使制冷、制熱量增大或減小。當今全封閉變頻壓縮機的變頻調節有交流變頻和直流變頻兩種方式。交流變頻壓縮機一般指壓縮機動(dòng)力采用交流異步電機，由變頻器向電動(dòng)機定子側線(xiàn)圈提供三相交流電流、產(chǎn)生回轉磁場(chǎng),從而在轉子側產(chǎn)生了二次電流, 因回轉磁場(chǎng)和二次電流產(chǎn)生的電磁作用而產(chǎn)生回轉。直流變頻壓縮機一般指壓縮機動(dòng)力采用直流無(wú)刷電機，即BLDC電機。工作時(shí),定子通入脈沖直流電,產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)與轉子永久磁鐵的磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生所需的轉矩,達到一定轉速[5]。此外，大功率變頻壓縮機逐漸引入更先進(jìn)的變頻控制方式，壓縮機采用永磁同步調速電機，即PMSM電機。它們都通過(guò)將頻率電壓不可控的市電經(jīng)過(guò)整流逆變等電力電子變換得到頻率電壓可控的電源驅動(dòng)壓縮機運轉，從而控制壓縮機吸排氣量和能力輸出[6]。
圖1 變頻控制器工作原理圖
數碼渦旋壓縮機（圖2）利用渦旋壓縮機的軸向柔性技術(shù)，動(dòng)靜渦盤(pán)能沿軸向脫離分開(kāi)一段距離實(shí)現加載與卸載，即數碼 0和 1 的轉變（圖3）[1]。當動(dòng)靜渦盤(pán)處于密封狀態(tài)時(shí)，壓縮機 100％運行；當動(dòng)靜渦盤(pán)軸向脫離時(shí)，壓縮機吸－排氣腔導通，壓縮腔內無(wú)壓縮，即壓縮機電機雖然運轉，但壓縮機不作功。通過(guò)組合 0 和 1 狀態(tài)的時(shí)間，即可實(shí)現任意比例的能力輸出。 圖2數碼渦旋壓縮機如下圖
圖3調節機構如下圖
2 當電磁閥處于常閉位置時(shí)，活塞上下側的壓力為排氣壓力，有一彈簧確保兩個(gè)渦盤(pán)共同加載。電磁閥通電時(shí)，調節室內的排氣被釋放低壓吸氣管，它導致活塞上移，頂部渦盤(pán)也隨之上移。該動(dòng)作使兩渦旋盤(pán)分隔，這樣無(wú)制冷劑流量通過(guò)渦旋盤(pán)；外接電磁閥斷電時(shí)，再次使壓縮機滿(mǎn)載，恢復壓縮機操作。動(dòng)靜渦盤(pán)分離間距的幅度值約 1.0mm。
3、變頻和數碼渦旋壓縮機在工業(yè)冷水機中的主要應用方案 3.1 變頻渦旋壓縮機在工業(yè)冷水機中的主要應用方案
3.1.1 工業(yè)冷水機
工業(yè)冷水機是渦旋變頻壓縮機應用的主要形式之一，它主要以風(fēng)冷式變頻工業(yè)冷水機、水冷式變頻工業(yè)冷水機等形式應用于工業(yè)冷水機系統中。其優(yōu)點(diǎn)主要表現在系統結構簡(jiǎn)單、壓縮機回油良好、控制方案簡(jiǎn)單、壓縮機運行平穩等方面
3.1.2 熱泵低溫制熱運行
在我國北方冬季采暖季節隨著(zhù)環(huán)境溫度的降低，傳統熱泵系統的制熱量會(huì )迅速降低，而需求制熱量卻大大增加，從而導致系統無(wú)法滿(mǎn)足冬季人們的實(shí)際需求。同時(shí)，外界溫度的下降，使系統的COP急劇降低，而壓縮比越來(lái)越大，壓縮機的排氣溫度迅速升高，導致壓縮機的損壞。由于變頻壓縮機可以超頻運行，所以可通過(guò)提高渦旋變頻壓縮機的運行頻率, 增加壓縮機單位時(shí)間內的排氣量,從而使更多地制冷劑參與循環(huán)，以緩解熱泵在低溫環(huán)境下制熱性能衰減問(wèn)題。
3.2 數碼渦旋壓縮機在工業(yè)冷水機中的主要應用方案
目前數碼渦旋工業(yè)冷水機的功率范圍為3匹~30匹，從數碼渦旋壓縮機的功率范圍可以看出,它主要應用于高精度高節能型工業(yè)冷水機中。
4、變頻和數碼多聯(lián)空調機組的性能比較
機組運行范圍及調節性能
目前，變頻壓縮機運行范圍一般為30~115Hz。在高頻段，變頻壓縮機可以進(jìn)一步提升運行頻率的方式，使變頻壓縮機輸出超過(guò)其額定能力?？傮w上看，變頻壓縮機可調節范圍位于其額定能力的48%~104%之間[7]。其能量調節須考慮到壓縮機頻率調整所需的時(shí)間，由于變頻壓縮機本身的動(dòng)態(tài)特性限制，在調整能量時(shí)應小于一定的速度，故調節為分步，分階段調節。
數碼壓縮機在全負荷時(shí)輸出能力為100%，不能實(shí)現超負荷運行。在低負荷輸出階段，理論上數碼壓縮機可以達到無(wú)限低的輸出能力，但在實(shí)際機組設計時(shí)要考慮負荷階段所需的最少時(shí)間及卸/負載周期過(guò)長(cháng)導致的負面作用。數碼壓縮機要求負載時(shí)間不少于2.5s，以保證壓縮機具有穩定的輸出能力，在此基礎上要求壓縮機卸/負載周期不大于30s，避免機組參數有過(guò)大的波動(dòng)。一般情況下定義數碼壓縮機可調節范圍位于其額定能力的17%~100%之間[7]。由于數碼壓縮機通過(guò)調節卸/負載周期達到在瞬間調整輸出能力的目的，故其能量調節為數字化連續能量調節。
由于壓縮機具有以上不同的特性，導致兩種多聯(lián)空調機組有不同的特性。當室內能力需求增加，變頻機組可進(jìn)行壓縮機的超頻運行以增加制冷或制熱能力，當整機能力需求很少時(shí)，變頻機組由于其壓縮限制，必須維持在一個(gè)較高的輸出能力，從而導致維護系統穩定運行的困難程度增加以及消耗過(guò)多的能源。而數碼機組從輸出能力的能力上不具備超負荷運行的特性，在低負荷運行時(shí)，由于其壓縮機可以低至其額定輸出能力的17%，基本可以滿(mǎn)足機組運行的最小負荷的要求[8]。在能量調節方面，數碼壓縮機的連續無(wú)級調節可以更加嚴格的控制室內溫度，與變頻技術(shù)相比是一個(gè)提高,變頻渦旋壓縮機只能達到分步分階段調節,如圖4。 
圖4 數碼渦旋與變頻系統能量調節的比較
能效比
能效比(EER)是衡量工業(yè)冷水機性能優(yōu)劣的重要參數,它的高低直接反映工業(yè)冷水機的節能效果。數碼工業(yè)冷水機與變頻工業(yè)冷水機的能效比如圖5所示。
圖5 不同制冷能力數碼與變頻系統能效比
從圖5可以看出, 從總體上數碼工業(yè)冷水機由于采用容量調節范圍大,又可數字化連續調節能量的數碼渦旋壓縮機,其在不同制冷能力下能效比較應用變頻渦旋壓縮機的變頻工業(yè)冷水機要高.特別當制冷能力高于15(KW)時(shí),變頻工業(yè)冷水機的能效比劇烈下降而數碼工業(yè)冷水機略有上升。產(chǎn)生以上現象的主要原因在于壓縮機的區別，限于壓縮機設計制造和變頻器控制性能，設計變頻壓縮機時(shí)一般會(huì )保證額定頻率段頻率最高并兼顧整個(gè)可運行頻率范圍。所以，一般的變頻工業(yè)冷水機在輸出適中的制冷能力時(shí)具有最佳的能效比,高于一定范圍能效就會(huì )下降。相對于變頻壓縮機，數碼壓縮機采用控制壓縮機卸載和負荷的時(shí)間比例來(lái)進(jìn)行輸出調節，因此數碼工業(yè)冷水機能效比隨輸出的制冷能力的增加而增加,當輸出減少時(shí)能效比緩慢下降。
啟動(dòng)及運行特性
數碼壓縮機在啟動(dòng)時(shí)電流相對較大，等同于普通壓縮機的啟動(dòng)特性。由于數碼壓縮機的周期卸/負載特性，數碼空調機組在運行的大部分區間里，各項主要參數如高壓、低壓、排氣溫度等都呈現周期性波動(dòng)，從而給數碼機組的穩定運行增添了一定的難度。
變頻壓縮機與數碼壓縮機在啟動(dòng)及運行特性方面有較大的不同。變頻機組在啟動(dòng)過(guò)程中采用變頻壓縮機低頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流較小，對電網(wǎng)基本沒(méi)有沖擊，有利于保證電網(wǎng)的穩定。當系統進(jìn)入穩定運行階段，壓縮機輸出功率一定，系統各項運行參數都處于穩定狀態(tài)。
回油
回油是多蒸發(fā)器變轉速壓縮機系統的一個(gè)主要問(wèn)題[9]。當變頻空調機組處于低負荷狀態(tài)時(shí)，變頻壓縮機處于低頻狀態(tài)，系統內制冷劑流速減緩，在一定頻率下，制冷劑將沒(méi)有足夠的流速帶動(dòng)壓縮機潤滑油從系統中回到壓縮機，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運行后，壓縮機油位可能降至一個(gè)危險的水平，這就要求變頻機組必須依靠油分離器或復雜的回油循環(huán)回油，以保證壓縮機的正常油位。
數碼渦旋壓縮機是一種獨特的壓縮機，理論上它無(wú)需油分離器或回油循環(huán)。數碼渦旋壓縮機靠外接電磁閥的開(kāi)閉控制壓縮機的卸負載，在卸載周期內，系統內制冷劑流速幾乎為零，離開(kāi)壓縮機的油很少；在負載周期內，系統內制冷劑流速接近滿(mǎn)負荷流速，足以使管路內的油回到壓縮機。故相對于變頻工業(yè)冷水機，數碼工業(yè)冷水機回油更加容易。
電磁干擾
電磁干擾是變頻工業(yè)冷水機的一個(gè)主要問(wèn)題。變頻工業(yè)冷水機中的變頻壓縮機須采用大功率整流和逆變器件，在電壓整流和逆變過(guò)程中，電壓、電流發(fā)生劇變，產(chǎn)生高頻電磁噪聲，會(huì )對電網(wǎng)和工廠(chǎng)電器產(chǎn)生干擾作用。在世界上許多國家，尤其在歐洲，對任何系統可能散發(fā)的電磁干擾量有嚴格的限制。由于數碼渦旋壓縮機的加載和卸載是機械操作，數碼渦旋系統產(chǎn)生的電磁干擾可忽略不計，具有更好的電磁兼容性，可用于通訊機房等精密場(chǎng)所，適應性更廣。
可靠性
工業(yè)冷水機的可靠性是研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要方面，在變頻工業(yè)冷水機系統內，電子控制裝置一般很復雜。鑒于安裝的不確定性和天氣變化的極端性，復雜的電子控制裝置會(huì )影響系統的可靠性。如果采用各種旁通裝置，如熱氣旁通管和液體旁通管，可靠性將更難保證[10]。數碼工業(yè)冷水機系統基本上是簡(jiǎn)易系統，只需簡(jiǎn)單的電子控制，故較變頻工業(yè)冷水機系統更加可靠。
小結
由于變頻渦旋壓縮機與數碼渦旋壓縮機在工作原理和結構上的區別，變頻工業(yè)冷水機與數碼工業(yè)冷水機有各自不同的應用前景：變頻渦旋壓縮機可用于工業(yè)冷水機、低溫熱泵、等多種工業(yè)冷水機中，數碼壓縮機由于其功率范圍而主要應用于工業(yè)冷水機中。由于兩種壓縮機都主要應用于工業(yè)冷水機中，本文主要針對兩種工業(yè)冷水機的運行范圍及調節性能、能效比、啟動(dòng)及運行特性、回油、電磁干擾、可靠性等方面詳細分析了各自的優(yōu)勢和不足。針對各自系統的不足，變頻技術(shù)應著(zhù)重解決低頻時(shí)提升能效比、電磁干擾等方面的問(wèn)題，而數碼技術(shù)應重點(diǎn)解決如何減少壓縮機啟動(dòng)電流大以及運行時(shí)系統內壓力波動(dòng)等問(wèn)題 。
參 考 文 獻
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