直流变频型空调器实验研究

直流变频型空调器实验研究

1直流交流变频空调技术频繁降器具有能源利用率高、舒适度好等优点。已成为世界上的发展趋势，并已广泛应用于广泛使用。变频型空调器主要分为两大类,一类交流变频型空调,另一类直流变频型空调。众所周知,直流电没有频率,但在空调领域中,直流变频型空调已经成为一个公认的说法。从概念上来看,这种称法不很准确,但是由于人们已经形成了习惯,将使用交流压缩机的空调称为交流变频型空调,将使用直流压缩机的空调称为直流变频型空调。直流变频型空调是指利用微处理器产生PWM(pulsewidthmodulation)信号,然后通过智能功率模块(smartpowermodule-SPM)对无刷直流电机的输入电压进行调压调频控制,使转子转速与电机气隙磁场的旋转速度保持同步的控制方式的空调。直流变频型空调器主要的能量消耗在驱动压缩机上,直流变频型压缩机的驱动方法有两种:120°梯形波驱动和180°正弦波驱动。180°正弦波驱动技术也就是当前国际领先的永磁同步电动机无传感器三相矢量控制技术,目前在国内只有个别厂家掌握这项技术。本文对采用此种控制技术的直流变频空调不作深入探讨,只对市场上较为常见的120°梯形波驱动的直流变频型空调进行重点研究。2005年3月1日实施的GB/T7725-2004中规定,制冷季节能源消耗效率(seasonalenergyefficiencyratio-SEER)是衡量变频型空调器在制冷运行时能耗的标准。本文从提高SEER的角度入手,着重分析直流变频型空调启动特性、不同工作频率的能耗分析及工作频率的设定和制冷剂充注量对直流变频型空调器性能的影响,并在实验的基础上,经过总结归纳,最终得出提高直流变频型空调器SEER的方法和规律,为从事变频型空调器研究和开发的专业技术人员提供一些参考。2制冷季节能耗变频型空调器制冷计算时所用性能参数如表1所示。SEER=CSTLCSTE(1)SEER=CSΤLCSΤE(1)式中CSTE——制冷季节耗电量CSTL——制冷季节总负荷结合GB/T7725-2004和SEER计算方法及其所需的参数可以分析得出,在CSTE一定的条件下,尽量增大CSTL可以提高SEER;或者在CSTL一定的条件下,减小CSTE也可以提高SEER。对于直流变频型空调器,提高SEER最为有效的措施就是合理地控制和匹配制冷循环过程,改善每个工作频率下的能效比(EER),并严格把握制冷剂的充注量。3实验系统和设备3.1制器来实现调节采用图1所示的实验装置作为被测对象,并采用控制器来实现调节压缩机转速和电子膨胀阀的开度,从而得到所要测量的过程参数。被测对象为某一品牌的直流型变频空调器,其额定性能数据如表2所示。3.2各种排污液见图1采用了房间型量热计利用空气焓值法对直流变频型空调器进行能力测量实验(见图2)。实验条件依据GB/T7725-2004的要求设定,在T1气候类型制冷工况条件下,室内侧干湿球温度分别为27±1.0℃和19±0.5℃,室外侧干湿球温度分别为35±1.0℃和24±0.5℃。4结果与分析4.1空调启动过程中频率段数对cte运行的影响120°梯形波驱动的直流变频型空调器频率变化是断续的,如图4所示,一般在整个运行频率范围内可以分为5段、7段、9段等,根据不同的要求可以有不同的频率段划分。当然,频率段数越多越接近无级变频,温度控制的效果也就越好,舒适性也会相应改善。但是,当频率段数过多时,将造成控制程序复杂,系统可靠性降低,控制效果反而会变差。因此,频率段数应该折中选择,一般选择5～10段区间内较为适宜。从图3压缩机频率变化曲线可以看出,空调在启动过程中经历了三个频率,且缓慢增大,这就避免了压缩机突加给定电压而产生的阶跃响应,延长了压缩机的使用寿命,也在很大程度上有助于减轻对电网的冲击,降低启动能量,减小对电网的污染,从而降低了整个系统的能耗,使得CSTE下降,SEER提高。从图3电子膨胀阀变化曲线可以看出,该系统在停机时,电子膨胀阀处于关断状态,这样就阻止了系统中工质迁移现象的发生,即冷凝器中常温高压的液体将逐渐流入蒸发器,使蒸发器的温度和压力都升高。再次开机时,要重新建立压差也需要消耗压缩机额外一部分能量。另外,在系统开机的很短时间内,电子膨胀阀迅速增大到最大,然后再随压缩机频率的变化而变化,这个过程可以避免压缩机带载启动现象的发生,即在停机的期间为了防止工质迁移,电子膨胀阀切断高低压侧,这虽然维持了蒸发器的低温低压,但再次启动时,压缩机处于带载启动,电流冲击大,也会增加能量损失。因此,在实现相同的制冷量的前提下,直流变频型空调器的电子膨胀阀控制策略减小了不必要的损耗,使得SEER值变大。4.2定额频率的选取图5为直流变频型空调器在各个频率段测得的EER关系曲线,从该曲线的变化趋势可看出,当工作频率处于30Hz附近时,系统的EER处于最大值;当工作频率过高或者过低,系统的EER都将下降,而且高频比低频下降的幅度要大。因此,这就为提高直流变频型空调的性能提出了改进的方向,即额定频率或者中间频率的选定尽量接近EER最大值处,在保证能在较大范围内实现变频的前提下,最大最小频率的选取尽量靠近中间频率或者额定频率,这就会使整个工作频率范围内的EER均增大,SEER也相应的提高。作者对额定频率分别选定在55Hz和71Hz的SEER进行了计算,计算结果如表2所示。其他工作频率均已合理地分布在额定频率两侧。从表3可以看出,工作频率的选定对SEER的影响很大,额定频率选择较小时,SEER明显较高,而额定频率选择较大时,SEER相对较低。尽管工作频率的选定对系统性能影响很大,但工作频率的选择并不是随意的,而是要充分考虑其他相关因素。如果额定频率设计的过高,在实际使用中,空调器虽然在小负荷条件下室温控制精度较高,但因大部分时间工作在中、高频区域,不仅不能充分利用低频区域的高能效比特性,使SEER降低,而且其高频快速调温性能也受到限制;如果额定频率设计的过低,空调器将长时间工作在中、低频区域,由于压缩机有最低频率的限制,故使启/停损失增加;另一方面,虽然压缩机频率在高频区仍有较大变化空间,但工作频率限制了高频区域的有效利用,致使空调器的快速调温特性以及能效受到损失,而且浪费了压缩机频率资源。另外,我国地域辽阔,气候类型复杂多变,文献证明同一空调器在不同温度带的地区具有不同的SEER,文献论证了不同湿度的地区空调器启/停的损失,尽管直流变频型空调器启/停的次数相对较少,但是从一个工作频率段移动至另一个工作频率段的过程和定频空调的启/停过程是类似的,仍可用文献的内容论证。因此,针对不同的地区应该有不同的工作频率分配,既要考虑空气温度的影响,又要考虑空气湿度的影响,从而使空调器具有较高的SEER。4.3充注量的影响图6给出了系统工作在额定频率的工况下,制冷剂充注量对空调性能的影响曲线,由图可知,系统的制冷量和EER随着制冷剂充注量的增大呈先增后减的趋势,且二者均存在着最大值。这也说明对于一个给定系统和工况存在一个最佳充注量,使系统的制冷量和EER都达到比较理想的状态。除此之外,无论是增加还是减少充注量,制冷系数都要下降。原因是充注量少,过热度增加,吸气比容增大、循环流量和制冷系数都显著下降;反之,蒸发器和冷凝器中的积液增加,相变换热面积减少,内部压力和压比增加,导致系统能耗增加,制冷量下降。只有充注量适当时,系统中各部件才能实现最佳匹配,获得高效率。因此,系统制冷剂充注量的确定是提高小型制冷装置,特别是工况变化大的空调器性能的关键。无论是变频型空调器还是定频型空调器,上述结论都是成立的,如果空调安装过程中,严格把握制冷剂的充注量,对整个系统的SEER将会有显著的改善。5系统的充注量(1)通过分析直流变频型空调器的启动特性可以看出,直流变频型空调器的启动过程中减少了不必要的损失,具有较好的节能效果。(2)实验测得了系统工作在不同频率下的EER,并做出了EER随工作频率的变化曲线。根据此曲线可以为变频型空调的工作频率设定提供理论指导。并在参考大量文献的基础上,总结出不同的地域