：變頻技術；單螺桿制冷壓縮機；應用1弓丨言單螺桿制冷壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單，受力平衡性好、軸承壽命長、振動小、噪聲低等特點，目前已在制冷和空調(diào)工況中有很大的應用。由于應用場合和外界氣候條件的變化，單螺桿制冷壓縮機在設計過程中要求具有一定的制冷量調(diào)節(jié)功能以適應不同負荷工況的需要，達到節(jié)能、降耗的效果。

　　在已經(jīng)完成的工作中，國內(nèi)外學者對于能量調(diào)節(jié)機構(gòu)以及其工作原理都進行了系列的研究，提出了很多不同的技術用于調(diào)節(jié)單螺桿制冷壓縮機的冷量。日本三井精機制造的機器中*早使用薄膜式氣量調(diào)節(jié)器實現(xiàn)冷量的調(diào)節(jié)，該機構(gòu)可獨立安裝在進氣管上，對主機結(jié)構(gòu)沒有影響，但是結(jié)構(gòu)比較復雜，只在氣量經(jīng)常變動的小型螺桿壓縮機中使用。隨后，金光熹（1983對單螺桿制冷壓縮機中使用的轉(zhuǎn)動環(huán)式氣量調(diào)節(jié)機構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進行了研究，并提出了轉(zhuǎn)動環(huán)設計過程中各個結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法。B.Zimmern（1983，2000提出了通過滑閥來調(diào)節(jié)單螺桿制冷壓縮機氣量的方法，并對滑閥調(diào)節(jié)機構(gòu)進行了改進。之后，日本大金株式會社（28提出了一種滑閥的改造方案，即在滑閥的槽段開設凸臺，利用制冷劑氣體對凸臺產(chǎn)生的壓力來抑制閥體的旋轉(zhuǎn)，從而保證滑閥和螺桿轉(zhuǎn)子之間的間隙。在氣量調(diào)節(jié)方法的理論研究方面，周雷、林強、金光熹等（1998研究了單螺桿制冷壓縮機氣量調(diào)節(jié)中使用的轉(zhuǎn)動環(huán)式調(diào)節(jié)裝置和滑閥式調(diào)節(jié)裝置對壓縮機內(nèi)容積比、指示功率及比功率的影響。為了實現(xiàn)壓縮機內(nèi)容積比的變化的控制，以減小甚至避免附加能量損失，周雷和金光熹（1999又提出了一種分體滑閥結(jié)構(gòu)，但由于其調(diào)節(jié)機構(gòu)較復雜，未見其應用。2007年，美國VILTER公式提出了雙滑閥氣量調(diào)節(jié)機構(gòu)，并申請了專利。

　　雖然雙滑閥調(diào)節(jié)機構(gòu)理論上可消除因過壓縮造成的能量損失，但是需要用齒輪、齒條等傳動機構(gòu)分別控制滑閥的位移，穩(wěn)定性差，故目前在單螺桿壓縮機中使用較多的仍為單滑閥氣量調(diào)節(jié)機構(gòu)。

　　由此可見，目前單螺桿制冷壓縮機使用較多的氣量調(diào)節(jié)方式主要有以下幾種：薄膜式、轉(zhuǎn)動環(huán)式和滑閥式，而變頻技術在單螺桿制冷壓縮機中的使用還沒有公開的研究。

　　本文針對單螺桿制冷壓縮機的結(jié)構(gòu)和工作特點，對于變頻技術在單螺桿制冷壓縮機中應用可能出現(xiàn)的問題進行研究，分析了壓縮機啟動過程中由于壓縮腔內(nèi)的高壓力對于各個零部件強度的影響，并對比了采用變頻技術后，壓縮機在制冷和制熱2種工況下的能耗。通過分析，指出了變頻技術在單螺桿制冷壓縮機中應用的技術難點，并為以后開發(fā)新技術提供依據(jù)。

　　2變頻技術原理隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類的生產(chǎn)和生活對電能的需求越來越多，因此作為綠色節(jié)能的變頻技術在空調(diào)冷凍行業(yè)中的應用也正在興起。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率或者是電壓從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。目前在制冷機組中使用的變頻技術包括直流變頻和交流變頻。

　　交流變頻技術是通過變頻器改變電源頻率，從而改變壓縮機的轉(zhuǎn)速的一種技術。當在定子繞組上接入三相交流電時，電機轉(zhuǎn)速可用公http://www.cnki.net swin矣準sw矣準swmid準swmid矣準sw矣準s問題：（3）單螺桿制冷壓縮機在停機時，整個系統(tǒng)內(nèi)的壓力平衡，此時的壓力為沖灌壓力，該壓力遠遠高于壓縮機設計過程中的進氣壓力。若不卸載而直接啟動，那么壓縮腔內(nèi)的壓力將遠遠高于正常工況，這將對壓縮機主要零部件的強度帶來很大的考驗。

　　2單螺桿制冷壓縮機在設計完成后排氣孔口的位置是固定的。而在采用變頻技術對壓縮機的氣量進行調(diào)節(jié)來適應負荷變化時，壓比也將發(fā)生變化。但是由于排氣口位置固定，內(nèi)容積比不可調(diào)，導致內(nèi)外壓比不等，這將帶來額外的能量損失。

　　3啟動過程中內(nèi)部壓力過高除了對壓縮機內(nèi)部零部件的結(jié)構(gòu)強度產(chǎn)生影響之外，也將導致壓縮機的啟動力矩增大，電機啟動負載升高。

　　4轉(zhuǎn)速改變，對于軸承的運行特性也有很大影響。

　　4計算結(jié)果與分析下面針對某型號的單螺桿制冷壓縮機，從上節(jié)中前2個問題的角度分析了變頻技術對單螺桿制冷壓縮機的工作過程產(chǎn)生的影響。該型號壓縮機的參數(shù)如表1所示，使用的制冷劑為R134a.表1單螺桿制冷壓縮機的主要參數(shù)螺桿直徑星輪直徑中心距星輪齒寬4.1啟動過程壓縮腔內(nèi)高壓力由于制冷量的需求，冷水機組裝機完成后，當壓縮機處于停機狀態(tài)時，整個系統(tǒng)內(nèi)制冷劑處于平衡狀態(tài)，內(nèi)部壓力遠高于吸氣壓力。而當壓縮機啟動時，吸入的氣體為平衡態(tài)的制冷劑蒸氣，其壓力遠遠高于壓縮機的額定吸氣壓力。傳統(tǒng)的機械式卸載方案在調(diào)節(jié)氣量的同時還能起到啟動過程中卸載的作用。但是變頻技術是通過改變轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)氣量調(diào)節(jié)的，這就使得采用該種調(diào)節(jié)方案的單螺桿制冷壓縮機在啟動過程中存在啟動壓力高，各零部件受力大的特點。

　　下面我們對壓縮機在啟動狀態(tài)和正常運行狀態(tài)的受力情況進行分析。單螺桿壓縮機由于其結(jié)構(gòu)的特殊性一一星輪對稱布置及螺桿兩端由平衡孔連通，使得螺桿轉(zhuǎn)子在理論上不受軸向力和徑向力，因此我們在分析時重點討論星輪受力。

　　壓縮機工作過程中，星輪的作用力系如所示。氣體力Fg等于同時嚙合的3個星輪齒所受氣體力。

　　每個星輪齒的受力為A星輪分度角準swin進氣封閉角準swmid星輪齒前側(cè)嚙出齒槽時星輪轉(zhuǎn)角準swout星輪齒后側(cè)嚙出齒槽時星輪轉(zhuǎn)角（準sw.）―任意轉(zhuǎn)角位置處工作腔內(nèi)壓力p吸氣壓力Si―第i個星輪齒嚙入螺槽的面積b星輪齒寬Rsr―螺桿直徑Rsw――星輪直徑a中心距S―齒寬半角由可見，氣體力作用于星輪齒靠近齒頂位置處，該氣體力將產(chǎn)生一傾覆力矩。這個傾覆力矩需要靠星輪支架兩端的軸承產(chǎn)生的力矩來平衡。

　　離利用以上公式，分別計算了正常工況和啟動瞬間星輪上所受氣體力和傾覆力矩，計算結(jié)果如、3所示。

　　由、3可見，在啟動過程中星輪的受力遠表2壓縮機的工作參數(shù)參數(shù)制冷工況參數(shù)制熱工況冷凍水進出口溫度fc）12/7熱源水進出口溫度（c）15/7冷卻水進出口溫度（°c）30/35熱水進出口5聯(lián)只鵬孽4.2變工況附加能量損失單螺桿制冷壓縮機在設計完成之后，排氣孔口的位置是固定的。但是應用場合和外界氣候條件是不斷變化的，而變頻技術不能實現(xiàn)內(nèi)容積比的調(diào)節(jié)，這就使得壓縮機在不同工況下運行時，會由于內(nèi)外壓力比不等而產(chǎn)生附加的能量損失。所示為不同載荷工況下壓縮機的工作過程p-v圖。

　　從b和0可知，當壓縮機的內(nèi)外壓比不等時，必然存在額外的功耗損失?，F(xiàn)在對該壓縮機在制冷和制熱2種工況下運行時的耗功情況進行分析。表2所示為壓縮機在制冷和制熱2種工況下工作的工作參數(shù)。

　　星輪轉(zhuǎn)角（deg）星輪上傾覆力矩遠高于壓縮機正常運行時星輪的受力，*大可達到正常工況的2倍。同時由于氣體力所產(chǎn)生的傾覆力矩需要星輪支架兩側(cè)軸承來平衡，因此軸承的負載增加。

　　基于以上分析我們可以發(fā)現(xiàn)，在采用變頻技術進行氣量調(diào)節(jié)的單螺桿制冷壓縮機中，如果不設置卸荷裝置，那么就需要在設計過程中提高零部件的強度和軸承的承載能力。

　　根據(jù)表2中的工作參數(shù)，對壓縮機在不同轉(zhuǎn)速下的耗功進行分析。現(xiàn)有的設計方法中，冷水機組中的制冷壓縮機一般是按照制冷工況進行結(jié)構(gòu)設計。因此我們針對制冷工況設計的壓縮機計算了制熱工況下由于內(nèi)壓比的變化帶來的附加能量損失，計算結(jié)果如所示。

　　14W「+附加能量損失▲壓縮機制熱工況的附加能量損失通過與制熱工況按照正常壓縮工作的耗能比較發(fā)現(xiàn)，附加能量損失占總耗能的0.58%.由此看見，采用變頻技術進行氣量調(diào)節(jié)的壓縮機在工況變化時由于內(nèi)外容積比不同而產(chǎn)生的附加能量損失較小，可忽略不計。

　　5結(jié)論本文對變頻技術在單螺桿制冷壓縮機中的應用產(chǎn)生的問題進行了分析，通過分析得出以下結(jié)論：（3）采用變頻技術的單螺桿制冷壓縮機啟動過程中，星輪受力遠大于正常工況下的星輪受力，*大可達到正常工況的2倍；2應用場合和外界氣候條件變化時，由于內(nèi)外壓力比的不平衡將產(chǎn)生附加的能量損失，以制冷工況為基準設計的壓縮機在制熱工況下運行時的附加能量損失占總耗能的0.58%.通過以上分析可見，要將變頻技術應用于單螺桿制冷壓縮機，首先要解決的問題是啟動過程壓縮腔內(nèi)壓力過高的問題。