通過對變頻渦旋壓縮機和數(shù)碼渦旋壓縮機從工作原理上進行分析，指出了各自適合的，并對當(dāng)前市場上流行的變頻和數(shù)碼工業(yè)冷水機組進行了綜合比較，闡述了這兩種工業(yè)冷水機各自的優(yōu)勢和不足，最后指出了進一步研究和推廣兩種工業(yè)冷水機需要解決的問題。
隨著我國工業(yè)發(fā)展水平的提高，高精度高節(jié)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場所。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)冷水機的耗電已占整個國民經(jīng)濟用電量的10%以上，而且隨著經(jīng)濟的發(fā)展，比例會逐漸提高。因此，對于工業(yè)冷水機而言，如何提高系統(tǒng)的效率已顯得越來越重要。這一要求使得開發(fā)可變?nèi)萘康墓I(yè)冷水機成為當(dāng)前的潮流?？勺?nèi)萘抗I(yè)冷水機有很好的發(fā)展市場。
迄今為止用于調(diào)節(jié)容量的壓縮機技術(shù)真正主導(dǎo)市場的只有變頻和數(shù)碼渦旋技術(shù)兩種，分別采用兩種完全不同的方式進行壓縮機容量調(diào)節(jié)，由此帶來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(diào)的概念，由于變頻空調(diào)具有許多優(yōu)點, 因此很快進入了發(fā)達國家的市場。而后 “海爾”、“美的”、“格力”等公司也相應(yīng)推出了變頻空調(diào)產(chǎn)品，并有代替目前使用的單頻空調(diào)的趨勢[2]。1990 年初，隨著渦旋壓縮機被研制出來，空調(diào)系統(tǒng)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 Corpland 公司于1993年提出了數(shù)碼渦旋壓縮機，在工業(yè)制冷設(shè)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(jié)能數(shù)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(dāng)今全封閉變頻壓縮機的變頻調(diào)節(jié)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力采用交流異步電機，由變頻器向電動機定子側(cè)線圈提供三相交流電流、產(chǎn)生回轉(zhuǎn)磁場,從而在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生了二次電流, 因回轉(zhuǎn)磁場和二次電流產(chǎn)生的電磁作用而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)。直流變頻壓縮機一般指壓縮機動力采用直流無刷電機，即BLDC電機。工作時,定子通入脈沖直流電,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子永久磁鐵的磁場相互作用,產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩,達到一定轉(zhuǎn)速[5]。此外，大功率變頻壓縮機逐漸引入更先進的變頻控制方式，壓縮機采用永磁同步調(diào)速電機，即PMSM電機。它們都通過將頻率電壓不可控的市電經(jīng)過整流逆變等電力電子變換得到頻率電壓可控的電源驅(qū)動壓縮機運轉(zhuǎn)，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(shù)碼渦旋壓縮機（圖2）利用渦旋壓縮機的軸向柔性技術(shù)，動靜渦盤能沿軸向脫離分開一段距離實現(xiàn)加載與卸載，即數(shù)碼 0和 1 的轉(zhuǎn)變（圖3）[1]。當(dāng)動靜渦盤處于密封狀態(tài)時，壓縮機 100％運行；當(dāng)動靜渦盤軸向脫離時，壓縮機吸－排氣腔導(dǎo)通，壓縮腔內(nèi)無壓縮，即壓縮機電機雖然運轉(zhuǎn)，但壓縮機不作功。通過組合 0 和 1 狀態(tài)的時間，即可實現(xiàn)任意比例的能力輸出。 圖2數(shù)碼渦旋壓縮機如下圖
圖3調(diào)節(jié)機構(gòu)如下圖
2 當(dāng)電磁閥處于常閉位置時，活塞上下側(cè)的壓力為排氣壓力，有一彈簧確保兩個渦盤共同加載。電磁閥通電時，調(diào)節(jié)室內(nèi)的排氣被釋放低壓吸氣管，它導(dǎo)致活塞上移，頂部渦盤也隨之上移。該動作使兩渦旋盤分隔，這樣無制冷劑流量通過渦旋盤；外接電磁閥斷電時，再次使壓縮機滿載，恢復(fù)壓縮機操作。動靜渦盤分離間距的幅度值約 1.0mm。
3、變頻和數(shù)碼渦旋壓縮機在工業(yè)冷水機中的主要應(yīng)用方案 3.1 變頻渦旋壓縮機在工業(yè)冷水機中的主要應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于工業(yè)冷水機系統(tǒng)中。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、壓縮機回油良好、控制方案簡單、壓縮機運行平穩(wěn)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(jié)隨著環(huán)境溫度的降低，傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的制熱量會迅速降低，而需求制熱量卻大大增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足冬季人們的實際需求。同時，外界溫度的下降，使系統(tǒng)的COP急劇降低，而壓縮比越來越大，壓縮機的排氣溫度迅速升高，導(dǎo)致壓縮機的損壞。由于變頻壓縮機可以超頻運行，所以可通過提高渦旋變頻壓縮機的運行頻率, 增加壓縮機單位時間內(nèi)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題。
3.2 數(shù)碼渦旋壓縮機在工業(yè)冷水機中的主要應(yīng)用方案
目前數(shù)碼渦旋工業(yè)冷水機的功率范圍為3匹~30匹，從數(shù)碼渦旋壓縮機的功率范圍可以看出,它主要應(yīng)用于高精度高節(jié)能型工業(yè)冷水機中。
4、變頻和數(shù)碼多聯(lián)空調(diào)機組的性能比較
機組運行范圍及調(diào)節(jié)性能
目前，變頻壓縮機運行范圍一般為30~115Hz。在高頻段，變頻壓縮機可以進一步提升運行頻率的方式，使變頻壓縮機輸出超過其額定能力。總體上看，變頻壓縮機可調(diào)節(jié)范圍位于其額定能力的48%~104%之間[7]。其能量調(diào)節(jié)須考慮到壓縮機頻率調(diào)整所需的時間，由于變頻壓縮機本身的動態(tài)特性限制，在調(diào)整能量時應(yīng)小于一定的速度，故調(diào)節(jié)為分步，分階段調(diào)節(jié)。
數(shù)碼壓縮機在全負荷時輸出能力為100%，不能實現(xiàn)超負荷運行。在低負荷輸出階段，理論上數(shù)碼壓縮機可以達到無限低的輸出能力，但在實際機組設(shè)計時要考慮負荷階段所需的最少時間及卸/負載周期過長導(dǎo)致的負面作用。數(shù)碼壓縮機要求負載時間不少于2.5s，以保證壓縮機具有穩(wěn)定的輸出能力，在此基礎(chǔ)上要求壓縮機卸/負載周期不大于30s，避免機組參數(shù)有過大的波動。一般情況下定義數(shù)碼壓縮機可調(diào)節(jié)范圍位于其額定能力的17%~100%之間[7]。由于數(shù)碼壓縮機通過調(diào)節(jié)卸/負載周期達到在瞬間調(diào)整輸出能力的目的，故其能量調(diào)節(jié)為數(shù)字化連續(xù)能量調(diào)節(jié)。
由于壓縮機具有以上不同的特性，導(dǎo)致兩種多聯(lián)空調(diào)機組有不同的特性。當(dāng)室內(nèi)能力需求增加，變頻機組可進行壓縮機的超頻運行以增加制冷或制熱能力，當(dāng)整機能力需求很少時，變頻機組由于其壓縮限制，必須維持在一個較高的輸出能力，從而導(dǎo)致維護系統(tǒng)穩(wěn)定運行的困難程度增加以及消耗過多的能源。而數(shù)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，由于其壓縮機可以低至其額定輸出能力的17%，基本可以滿足機組運行的最小負荷的要求[8]。在能量調(diào)節(jié)方面，數(shù)碼壓縮機的連續(xù)無級調(diào)節(jié)可以更加嚴格的控制室內(nèi)溫度，與變頻技術(shù)相比是一個提高,變頻渦旋壓縮機只能達到分步分階段調(diào)節(jié),如圖4。 
圖4 數(shù)碼渦旋與變頻系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)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(shù),它的高低直接反映工業(yè)冷水機的節(jié)能效果。數(shù)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(shù)碼與變頻系統(tǒng)能效比
從圖5可以看出, 從總體上數(shù)碼工業(yè)冷水機由于采用容量調(diào)節(jié)范圍大,又可數(shù)字化連續(xù)調(diào)節(jié)能量的數(shù)碼渦旋壓縮機,其在不同制冷能力下能效比較應(yīng)用變頻渦旋壓縮機的變頻工業(yè)冷水機要高.特別當(dāng)制冷能力高于15(KW)時,變頻工業(yè)冷水機的能效比劇烈下降而數(shù)碼工業(yè)冷水機略有上升。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因在于壓縮機的區(qū)別，限于壓縮機設(shè)計制造和變頻器控制性能，設(shè)計變頻壓縮機時一般會保證額定頻率段頻率最高并兼顧整個可運行頻率范圍。所以，一般的變頻工業(yè)冷水機在輸出適中的制冷能力時具有最佳的能效比,高于一定范圍能效就會下降。相對于變頻壓縮機，數(shù)碼壓縮機采用控制壓縮機卸載和負荷的時間比例來進行輸出調(diào)節(jié)，因此數(shù)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(dāng)輸出減少時能效比緩慢下降。
啟動及運行特性
數(shù)碼壓縮機在啟動時電流相對較大，等同于普通壓縮機的啟動特性。由于數(shù)碼壓縮機的周期卸/負載特性，數(shù)碼空調(diào)機組在運行的大部分區(qū)間里，各項主要參數(shù)如高壓、低壓、排氣溫度等都呈現(xiàn)周期性波動，從而給數(shù)碼機組的穩(wěn)定運行增添了一定的難度。
變頻壓縮機與數(shù)碼壓縮機在啟動及運行特性方面有較大的不同。變頻機組在啟動過程中采用變頻壓縮機低頻啟動，啟動電流較小，對電網(wǎng)基本沒有沖擊，有利于保證電網(wǎng)的穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行階段，壓縮機輸出功率一定，系統(tǒng)各項運行參數(shù)都處于穩(wěn)定狀態(tài)。
回油
回油是多蒸發(fā)器變轉(zhuǎn)速壓縮機系統(tǒng)的一個主要問題[9]。當(dāng)變頻空調(diào)機組處于低負荷狀態(tài)時，變頻壓縮機處于低頻狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流速減緩，在一定頻率下，制冷劑將沒有足夠的流速帶動壓縮機潤滑油從系統(tǒng)中回到壓縮機，經(jīng)過一段時間運行后，壓縮機油位可能降至一個危險的水平，這就要求變頻機組必須依靠油分離器或復(fù)雜的回油循環(huán)回油，以保證壓縮機的正常油位。
數(shù)碼渦旋壓縮機是一種獨特的壓縮機，理論上它無需油分離器或回油循環(huán)。數(shù)碼渦旋壓縮機靠外接電磁閥的開閉控制壓縮機的卸負載，在卸載周期內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流速幾乎為零，離開壓縮機的油很少；在負載周期內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流速接近滿負荷流速，足以使管路內(nèi)的油回到壓縮機。故相對于變頻工業(yè)冷水機，數(shù)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)冷水機的一個主要問題。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程中，電壓、電流發(fā)生劇變，產(chǎn)生高頻電磁噪聲，會對電網(wǎng)和工廠電器產(chǎn)生干擾作用。在世界上許多國家，尤其在歐洲，對任何系統(tǒng)可能散發(fā)的電磁干擾量有嚴格的限制。由于數(shù)碼渦旋壓縮機的加載和卸載是機械操作，數(shù)碼渦旋系統(tǒng)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所，適應(yīng)性更廣。
可靠性
工業(yè)冷水機的可靠性是研究開發(fā)的一個重要方面，在變頻工業(yè)冷水機系統(tǒng)內(nèi)，電子控制裝置一般很復(fù)雜。鑒于安裝的不確定性和天氣變化的極端性，復(fù)雜的電子控制裝置會影響系統(tǒng)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(shù)碼工業(yè)冷水機系統(tǒng)基本上是簡易系統(tǒng)，只需簡單的電子控制，故較變頻工業(yè)冷水機系統(tǒng)更加可靠。
小結(jié)
由于變頻渦旋壓縮機與數(shù)碼渦旋壓縮機在工作原理和結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，變頻工業(yè)冷水機與數(shù)碼工業(yè)冷水機有各自不同的應(yīng)用前景：變頻渦旋壓縮機可用于工業(yè)冷水機、低溫?zé)岜?、等多種工業(yè)冷水機中，數(shù)碼壓縮機由于其功率范圍而主要應(yīng)用于工業(yè)冷水機中。由于兩種壓縮機都主要應(yīng)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(diào)節(jié)性能、能效比、啟動及運行特性、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(tǒng)的不足，變頻技術(shù)應(yīng)著重解決低頻時提升能效比、電磁干擾等方面的問題，而數(shù)碼技術(shù)應(yīng)重點解決如何減少壓縮機啟動電流大以及運行時系統(tǒng)內(nèi)壓力波動等問題 。
參 考 文 獻
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