直流变频涡旋压缩机技术特征探讨

刘智亮，王凯音

摘要：本文对直流变频涡旋压缩机的特征进行了探讨。涡旋压缩机作为一种新型容积式压缩机，一边通过直流永磁电机降低电机损耗，另一边通过正弦波矢量提高电机效率。直流变频涡旋压缩机具有结构新颖、体积小、重量轻、运行平稳、噪音低，操作简便、寿命长等优异性能。它在技术上有无刷直流、高压结构、并联回油等特征，并拥有节能高效、制冷制热快、回油平衡简单等优势。

关键词：直流变频；涡旋压缩机；无刷直流；高压结构；并联回油

随着人们生活水平的提高、文化教育的发展，人们的环保意识和节能意识也有相应增强，这些意识同样应用到了机械工程技术上。涡旋压缩机，因为结构紧凑、体积小、振动小、压缩效率高、运行平稳、能耗低、寿命长，超越了传统压缩机，已经在空调、冰箱、热水器等家电设备领域得到了广泛应用。本文主要从涡旋压缩机容量调节的原理、直流变频涡旋压缩机技术及其特点等方面展开叙述。

一、涡旋压缩机容量调节的原理

当人们需要制冷时，能迅速将温度降低到指定温度；当人们需要制热时，又能迅速将温度提高到指定温度；且当达到指定温度时，即刻就能减少制冷供应或制热供应，平衡室内外热量，这便是制冷量可调的压缩机所追求的目标。而制冷量或供热量的增减，是通过压缩机转速的变动来调节制冷剂流量大小而达到的。其公式为0=n·r1·V·Dh（转速*吸气密度*排气量*制冷剂进、出蒸发器的比焓差）。从公式可以得出结论，改变压缩机转速、吸气密度或比焓差都可以改变制冷量。

按照工作原理来区分，压缩机可分为容积式制冷压缩机，以及速度式制冷压缩机。容积式制冷压缩机是通过容积的改变，周期性地将吸入的定量气体进行压缩。涡旋式压缩机就是其中一种。它主要由动涡旋盘和静涡旋盘互相啮合而成。两者呈渐开线形状，啮合时为月牙形柱体工作容积，两者相位差180°，形成封闭空间，中心有排气口。它们在相对公转运动时，在包括吸气、压缩、排气等各环节的运行在内，都会随着动盘转动一个角度，空间则被相应压缩。动盘不断旋转，就能连续改变其中的容积，达到不断压缩气体的目的。旋转0°，月牙空间最大；旋转180°，月牙空间最小。同时，运转中越到中心处压力越高。

涡旋压缩机节能、低噪、小巧、低耗、稳定、压缩率高，被誉为“新革命压缩机”和“无需维修压缩机”。单台排量2.1~78m3/h，功率(1~60)hp，多台并联最大可达120hp，冷量范围(1.70~417.5)kW[1]。小功率可与大功率转子式压缩机竞争，大功率可与螺杆式压缩机竞争，市场需求量从2012年开始长期增长。

二、直流变频涡旋压缩机技术

传统压缩机驱动型式有直流永磁电机拖动和变频电机拖动两种。永磁电机通过对称电流产生磁场，磁场旋转拖动永磁转子跟着一起转动。转动的过程中，电机电压和转速、转矩成正比，转速、转矩提高，则电压也提高。多用于1kW以下的压缩机中。变频电机拖动输出的电压则是由输入电压、变频器自身压降决定的，成本较高，多用于温度周期变化大的地方。

而涡旋式压缩机作为一种新型容积式压缩机，更新了直流变频技术，可称之为直流变频电机。

涡旋式制冷压缩机内嵌磁石永磁同步电机，一边通过直流永磁电机降低电机损耗，另一边通过正弦波矢量提高电机效率，更加能达到高效、低振、低噪的效果。例如，在空调技术应用，特别是中央空调的技术应用上，可以根据环境变化，对应地调整制冷量的输出，避免了频繁起停，减少了电力等方面的损耗。永磁电机效率超过95%，基本恒定在预设的转速范围内。电机从低频率开始启动，每个变频器设定的上升曲线斜率不同，到达设定转速的时间也不同。转矩如果相同，转速一旦提高，相应地电流值也会随之提高[2]。直流变频电机效率比传统感应电机高5到10个百分点，频率在20到120Hz内都可以运行。

三、直流变频涡旋压缩机技术的特征

（一）无刷直流

直流变频是有刷直流向无刷直流转变的结果。无刷直流电机既具备了有刷直流电机的性能，又能够对整流电做出变频处理，这也是直流变频名称的由来。

直流变频电机在运行时，定子的旋转磁场作用于转子永久磁铁磁场，这种相互作用是自动的，但定子旋转磁场并不会对转子电磁产生感应。其中的转子，由于无法使用交变磁通，因此就没有铜、铁方面的耗损。而定子使用的是薄电磁钢板，也可以使其减少铁的耗损。而且，励磁可以通过永磁体获取，就不再需要从电网吸取[3]。

直流变频电机通过控制直流电压的变转速来减少电流转变次数，提高电能转化效率，且不同频率对直流变频的效率影响不大。传统定频的温度依靠压缩机起停来调节，如果负荷变化大，会增加能量损耗，增大电网波动。直流变频即使改变负荷，通过控制电机线圈电压和频率，也能随着负载变化而变化，达到节能的效果。

（二）高压结构

直流变频涡旋压缩机内部采用高压结构。

动涡旋盘采用无齿顶密封圈、背压浮动的结构，是自磨合的密封方式，遇到变频的情况可以调节转速。在不同的工作情况下，动涡旋都能保证旋齿有效密封，大大提升了高压下的容积效率。

    高压结构也能促使压缩机不易产生润滑油供应不足的情况。通过高低压差，曲轴下方产生的高压给油孔会向中间压力低的轴承供油，即便不同的运转频率也不会对供油产生影响，很好解决了供应不足的问题。

（三）并联回油

多联系统一般采用一台变频压缩机并联多台定频压缩机的方式，输出无级平滑调节。而并联系统要避免不同压缩机间油的不均衡现象，比较多地采用油分离器、容积式齿轮泵、旁通油管等在内的回油系统，控制好油的流动方向，对回油做了特别管理，满足电机常规运转的需求。比如，容积式齿轮泵供油量稳定增长下，在一定速度内达到了线性增长，就能满足轴承各部位的供油和润滑需求。

涡旋压缩机有高压壳体和低压壳体两种体型。高压壳体型是将气体直接吸入压缩腔；低压壳体型是先进入压缩机腔体，经过冷却阶段，再向上端排放出去。单台压缩机往往使用的是离心供油。润滑油会受离心力的影响而流到各个摩擦面。

由于以上的功能特征，使用直流变频涡旋压缩机具有三个明显的优势：

第一，节能高效、耐用省电。其他压缩机频繁启动，功耗会增加4-7倍；而直流变频涡旋压缩机不用频繁起停，容易保持低速恒温运转，波动小，减少了电力和机械损耗，也降低了故障发生的频率。遇到负荷改变的情况时，可以通过转速相应地改变来调节输出制冷量。

第二，制冷/制热速度快。通过对压缩机转速的控制，制冷/制热速度大幅加快，从启动设备到达到设定温度比使用普通压缩机可以快30-60％，且在不同转速下能保持平稳的效果。

第三，回油平衡简单。直流变频涡旋压缩机相比于交流变频、有级卸载的压缩机，在容量调节技术上能效更高，控制更成熟，更能适应与时俱进的节能要求。

结束语：综上所述，直流变频涡旋压缩机具有环保节能、高效稳定、回油平衡简单等特点，可靠性高，易生产，使它成为市场主流压缩机之一。不少企业将它在低温、超低温领域拓展应用并取得了一定的成绩。我国目前在直流变频涡旋压缩机的研发上还处在上升期，要满足更多的环保节能要求，还需要继续创新，朝着更高效率的方向发展。

参考文献：

[1]姬红.涡旋式压缩机的工作原理及故障处理.[J].现代工业经济和信息化,2021（8）：205-206,208-208.

[2]周学友，姚文虎，钱坤.VZH088、117、170C系列直流变频涡旋压缩机技术简述.[J].制冷与空调,2020（3）：92-96.

[3]周学友，姚文虎，磁力涡旋压缩机永磁随变机构的力学特性.[J].西南交通大学学报,2022（3）：597-603.