家用空调变频压缩机高温退磁及控制技术探究及改善_吴彬彬.pdf

第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G7 9-8 2收稿日期:2 0 2 2-0 5-3 1,修回日期:2 0 2 2-0 6-3 0作者简介:吴彬彬,硕士,主要从事压缩机、电机零部件评价及可靠性研究工作。家用空调变频压缩机高温退磁及控制技术探究及改善吴彬彬 程睿(广东美的制冷设备有限公司)摘 要 结合常见的旋转式压缩机内部结构,简要阐述了压缩机运行原理,结合稀土永磁材料的特性指出高温为压缩机退磁的主要因素;分析目前行业主流测温方式(将温度传感器置于排气管上)的各种缺点,提出将温度传感器置于压缩机顶部的优化方案。同时通过不同工况下温度检测效果对比试验验证了温度传感器置于压缩机顶部改善方案的优势,为应对压缩机高温退磁故障指明方向。关键词 直流变频;压缩机;钕铁硼;高温退磁T h em e c h a n i s ma n ds u p p r e s s i o nm e t h o do fh i g ht e m p e r a t u r ed e m a g n e t i z a t i o nf o r i n v e r t e rc o m p r e s s o rWuB i n b i n C h e n gR u i(G D M i d e aA i r-C o n d i t i o n i n gE q u i p m e n tC o.,L t d.)A B S T R A C T B r i e f l yd e s c r i b e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fc o m p r e s s o rw i t ht h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f r o t a r yc o m p r e s s o r.C o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so f r a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l s,p o i n to u t t h a th i g ht e m p e r a t u r e i st h em a i nf a c t o r f o rc o m p r e s s o rd e-m a g n e t i z a t i o n.L i s tt h es h o r t c o m i n g so ft h em a i n s t r e a mt e m p e r a t u r es e n s o ro nt h ee x-h a u s t,a n dp u t sf o r w a r dp u t t i n gt h es e n s o rt ot h et o po ft h ec o m p r e s s o r.A tt h es a m et i m e,t h r o u g ht h e t e m p e r a t u r ed e t e c t i o ne f f e c tu n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s,p r e s e n t t h ea d-v a n t a g e so f t h e i m p r o v e m e n ts c h e m eo fp l a c i n gt h et e m p e r a t u r es e n s o ro nt h et o po f t h ec o m p r e s s o r,a n dp u t t h ew a yt od e a lw i t ht h eh i g h-t e m p e r a t u r ed e m a g n e t i z a t i o nf a u l to ft h ec o m p r e s s o r.K E Y WO R D S D Ci n v e r t e r;c o m p r e s s o r;N d F e B;h i g ht e m p e r a t u r ed e m a g n e t i z a t i o n 随着人们生活质量的日益提高,消费者对空调器要求也越来越高。由简单的人为进行冷热调节的定频空调,到根据室内环境温度变化,进行自动提供所需要的冷量和热量,保证室内环境温度稳定的变频空调。变频空调主要是通过改变输入压缩机的电频率来改变压缩机转速,从而实现无级调速1。根据用户设置的温度,自动调节温度,在调节过程当中,压缩机始终在运行,只不过是转速有所变化,可以说是较为智能的空调。从而避免了传统定频空调的不断“开、停”调整室内温度。直流变频压缩机由永磁转子带来的高效率、大扭矩、低噪声等同时也存在着永磁体的失磁问题,失磁后导致电机本体过热和失步2,严重情况下高温导致绕组烧毁、冷冻油劣化、曲轴磨损。因此,对变频空调压缩机退磁机制进行研究并制定相关措施已刻不容缓,以改善压缩机市场品质,提高客户满意度。1 变频压缩机结构和工作原理1.1 压缩机的分类压缩机按其原理可分为容积型压缩机与速度型压缩机。容积型又分为往复式压缩机和回转式压缩机3。家用空调器压缩机基本都是容积型,其中又以回转式滚动转子压缩机为最多。按照电源形式又可以分为定频压缩机和变频压缩机。8 0 第2 3卷 随着各大行业纷纷将定速机型高能效化之后,从2 0 1 1年开始,提高变频产品的供应量几乎成为所有空调压缩机厂家的共同战略。各大企业均纷纷提高变频压缩机的占比。1.2 变频旋转式压缩机的工作原理旋转式压缩机与往复式压缩机相比较,制冷效率高4,可靠性好,体积小,重量轻,运转平稳,噪声低,振动小5。因此,家用空调大都采用此类压缩机。以变频滚动转子式压缩机为例,主要分为电机和气缸两大部分,二者通过曲轴连接。电机内部转子内嵌稀土永磁体,其利用转子位置传感器检测磁极具体位置,通过电子换向器驱动与定子绕组连接的功率开关器件,使定子绕组按照特定序列通电,从而在定子上产生旋转磁场,拖动永磁转子旋转。压缩机内部,一般电机在上,气缸在下。气缸无吸气阀片,吸气管直接通到泵体低压腔,经曲轴带动滚子旋转压缩成为高温高压的制冷剂蒸气顶开排气阀片,使得机壳内部为高压状态。这种结构的压缩机一般具有气流阻力较小,机械损失少,吸气过热低等优点。当前笔者所在单位使用的转子式压缩机均为高压腔结构。2 永磁体高温退磁机理分析影响永磁体材料磁性能稳定性因素主要有:化学因素、温度、外磁场、机械作用、与强磁性材料接触等。此外,还有永磁磁路系统本身的因素,如永磁体的尺寸比、工作气隙长度、磁路的饱和程度、永磁体工作点的选择等。在永磁体使用过程中,其所处环境温度的变化和系统产生的热量使永磁体工作温度变化对永磁体的性能产生影响,其影响可以用温度系数表示。温度系数代表了永磁材料的温度稳定性。在永磁体允许的工作范围内,其所处的环境温度每变化1,剩磁变化的百分比称为剩磁温度系数。钕铁硼永磁居里温度低,温度稳定性差,剩磁温度系数为-0.0 9 5%/K-0.1 5%/K,具有明显的高温退磁特性。钕铁硼在不同温度下的退磁曲线图1所示6,由于钕铁硼永磁材料居里温度低,温度稳定性较差,不可逆损失和温度系数都较高,导致高温下磁损失严重。3 高温退磁抑制方法研究排气温度保护属于空调压缩机温度保护中的图1 Y X G-2 4永磁体在不同温度下的退磁曲线和内禀退磁曲线一种类型。压缩机实际运行过程中,由于某些原因会使得排气温度超过正常值。不仅使压缩机功耗加大,也会使得润滑油结炭,性能下降,从而影响压缩机的正常运行。为防止排气温度过高,行业内普遍做法是在排气管上增加温度传感器7,检测和控制排气温度。但是市场关于压缩机转子退磁、骨架融化、铭牌发黄或发蓝等故障仍时有发生。系统漏堵与压缩机内部持续超高温度产生有关,而出现超高温却不保护,则与温度探测位置有关。当前变频压缩机无内置过载保护器,对壳体高温只能依靠系统外接的感温包来感应并保护停机。目前行业内基本上的操作是将感温包放置在排气管上1 2c m1 5c m处8,如图2所示。一旦系统堵或制冷剂泄漏导致无制冷剂流动传递温度或感温包脱落,都将导致整机无法准确感知压缩机的高温,无法起到保护功能。因此,必须准确、真实感知压缩机内部实际温度,并做好保护措施,防止压缩机持续高温导致转子退磁失效。图2 温度传感器布置在排气管上3.1 压缩机不同位置温度探测以某变频柜机最大风速制冷工况下,在压缩机和排气管上不同位置进行布置温度点,对比不同工况下各位置的温度采集结果如表1所示。通过试验结果可知:1)室内2 0室外5和室内3 2室外4 3开阀、系统制冷剂充注量和流动正常情况下,定子中部、压顶和排气管6c m、排 第1期吴彬彬 等:家用空调变频压缩机高温退磁及控制技术探究及改善8 1 气管1 2c m各处的温度基本一致;2)室内2 7室外3 5工况下关闭高低压阀制冷时,系统制冷剂无法正常流动,压中温度最高,压顶的温度比定中低约7。排 气 管6c m处 温 度 探 测 结 果 为1 1 7.7,此时与压中温度也相差2 3.9。随着离压顶位置越远,探测温度约低,在排气管1 8c m处时温度探测结果只有8 8.6,此时与压中最高温度相差5 3。由于压缩机排气管材料为铜,传热系数为4 0 1 W/(mk),压缩机外壳材质为低碳钢,传热系数为4 5 W/(mk),R 4 1 0 A饱和蒸汽在2 0时传热系数为1 6mW/(mk)。压缩机本体产生的热量通过制冷剂饱和蒸气传递到外壳和排气管上。碳钢的导热系数较制冷剂蒸气高,此时压缩机中部温度较压缩机顶部温度高,压缩机顶部温度较排气管上温度高。加之由于排气管铜的传热系数远优于低碳钢,随着排气管远离压缩机顶部,散热快温度也下降多,两方面原因导致系统漏开阀时压缩机顶部要高于排气管上温度。表1 不同工况不同位置温度对比位置点室内2 0/室外5室内3 2/室外2 3室内2 7/室外3 5压中1 1 0.51 1 2.41 4 1.6压底1 0 01 0 3.71 3 4.9压顶1 1 0.51 1 21 3 5排气管6c m处1 1 0.41 1 1.51 1 7.7排气管1 2c m处1 0 7.31 1 1.51 0 4.5排气管1 8c m处1 0 4.21 0 8.68 8.6MA X1 1 0.51 1 2.41 4 1.6M I N1 0 01 0 3.78 8.6MA X-M I N1 0.58.75 3注:1.室内2 0室外5制热和室内3 2室外4 3制冷工况为高低压阀打开状态,室内2 7/室外3 5 制冷工况为高低阀关闭状态;2.为防止高温损坏压缩机,在室内2 7/室外3 5 工况下,监测到定中为1 4 0时手动关机。由此可知,在系统制冷剂充注量和流动正常情况下,排气管采集温度基本可以用来反映压缩机内部温度。当系统堵或截止阀关闭导致系统制冷剂无法正常流动时,此时排气管上感知温度随着离压顶位置越远,探测温度越低,此时无法反映压缩机内部实际温度。3.2 解决方案为有效保护压缩机,防止压缩机高温故障,应尽量真实反映压缩机的最高温度。由试验可知,压缩机的最高温度在压缩机中部,但是由于压缩机中部位置为圆柱面,对固定架的焊接安装带来极大困难,焊接时易导致固定架变形无法紧固感温包。因此,此时选择将感温包布置在温度第二高位置-压缩机顶部平面上,如图3所示。同时采用固定架与感温包过盈配合卡住感温包,防止感温包松脱。感温包布置在压缩机顶部后,压缩机内部产生的高温直接传递到顶部感温包上,对压缩机内部温度检测比在排气管上准确和真实,同时操作简单,可大幅提高生产效率。图3 温度传感器布置在压缩机顶部3.3 效果验证为了比较感温