中央空調壓縮機內置電機冷卻問題探討

摘要：文章闡述了全封閉和半封閉空調壓縮機內置電機的發熱因素，說明散熱不良的危害及應采取的保護措施，引用實例提出了兩種常見的空調壓縮機內置電機的冷卻方式，并分析了不同冷卻方式對空調設備綜合性能的影響，在空調設備選型時可予以借鑒。

關鍵詞：壓縮機;內置電機;冷卻方式;經濟器;制冷系數;中央空調 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM343 文章編號：1009-2374（2015）02-0082-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0139

近年來，全封閉渦旋式和活塞式壓縮機與半封閉螺桿式和離心式壓縮機以其結構緊湊、工質不易泄漏、運行穩定、性能高的特點，成為中央空調主機市場的主推產品。全封閉壓縮機應用于制冷量為8～150kW的空調設備和制冷設備，密封性好，噪聲低。半封閉壓縮機應用于制冷量為100～1200kW的大中型空調設備和制冷設備，制冷能力大、可實現無級能量調節。另外，在單機裝機容量更大的情況下，普遍選配知名品牌的半封閉離心式壓縮機。目前，我公司中央空調主機設備類型較多，在風冷式空調機組和小容量水冷式單元模塊機組上以全封閉渦旋壓縮機為主，而在較大容量水冷式冷水機組上以半封閉雙螺桿壓縮機為主。設備控制單元較多采用西門子PLC可編程邏輯控制器，實現對空調主機的控制，輔以其他部件完成設備的不同能量調節功能，以利安全節能運行。壓縮機作為中央空調的核心部件，其內置電機一旦燒毀，維修成本高，技術難度大，將會直接導致壓縮機報廢，所以也成為維護保養工作的關鍵所在。

1 空調壓縮機的發熱因素

1.1 壓縮機電機正常發熱

全封閉和半封閉壓縮機采用的是內置電機驅動方式，電機由轉子鐵芯和定子繞組耐氟線圈組成，繞組線圈的電阻在通電時會產生電量損耗，其大小與電流的平方和電阻成正比，即所謂銅損;轉子鐵芯有磁滯渦流效應，在交變磁場中也會產生損耗，其大小與材料、電壓、電流、頻率有關，即所謂鐵損。銅損和鐵損都會以發熱的形式表現出來，從而對電機的效率造成影響。

1.2 壓縮熱與摩擦熱

空調壓縮機一般工作在高壓縮比狀態下，將從蒸發器過來的低溫低壓制冷劑氣體壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，排向水冷或風冷型冷凝器進行冷凝散熱，壓縮氣體的壓縮熱和機械運動的摩擦熱，會引起整個電機與壓縮機的密閉腔體升溫。

1.3 實際工況下內置電機的過熱

壓縮機都有安全運行工況范圍，安全工況主要考慮的因素是壓縮機和電機的負荷大小與冷卻問題。在空調實際工況中，電源不正常、壓縮機超負荷、潤滑不良、制冷劑泄漏、冷凝壓力太高等問題引起的電機高溫、排氣溫

度過高、潤滑油焦糊等過熱現象都可能引起電機的過熱。

2 壓縮機內置電機冷卻不良的危害和保護措施

2.1 危害

內置電機冷卻不良，會使電機溫升提高，繞組絕緣值下降，壓縮機功耗增加，制冷系數降低，設備性能下降。嚴重時將會導致電機繞組破壞，相間或匝間短路，一般380V的制冷壓縮機相間絕緣電阻值應不小于0.5MΩ，對機殼的絕緣電阻應不低于2MΩ。而壓縮機燒壞后，電機絕緣值大為減小，維修難度大、成本高、周期長，用戶在修與不修間抉擇，一般會選擇報廢壓縮機。

2.2 保護措施

由于壓縮機在空調制冷系統的重要性，一般壓縮機出廠時機體上安裝有超溫保護模塊，繞組內埋有溫度傳感器，以此保護電機繞組;保護系統設計有相序保護與過流保護元件，另外還有高低壓、油壓保護控制器，或通過設備控制程序的保護指令，來直接或間接對壓縮機進行保護。

3 壓縮機內置電機的冷卻途徑

目前，針對全封閉或半封閉壓縮機內置電機的冷卻，較為常見的有吸氣冷卻方式和補氣冷卻方式。

3.1 吸氣冷卻方式

全封閉渦旋壓縮機電機的冷卻就是采用此方式。圖1是全封閉渦旋壓縮機內部結構圖，低溫低壓氣態制冷劑進入壓縮機，冷卻電機繞組過熱后再進入動靜渦旋體形成的壓縮室內，經壓縮排出壓縮機。由于吸氣溫度較低，采用吸氣冷卻方式容易將電機的溫度維持在一個較低的安全運行范圍內，目前采用這種電機冷卻方式的壓縮機較多。圖2是采用吸氣冷卻電機方式的壓縮機應用于制冷循環的壓焓圖。低壓液態制冷劑在蒸發器內蒸發吸熱變為低溫低壓氣態，進入壓縮機后先冷卻內置電機，氣態制冷劑會進一步過熱，再進入壓縮室內進行壓縮。較大的吸氣過熱度會增大吸入制冷劑氣體的比容v1，從而降低壓縮機單位時間的質量排量qm，質量流量的降低直接影響到空調設備制冷量的下降。

圖1 全封閉渦旋式壓縮機（電機吸氣冷卻方式） 圖2 吸氣冷卻電機常見

制冷循環壓焓圖

理論制冷量：

Q=qm×（h1-h4）

但實際制冷量要比Q小，假設蒸發器出口制冷劑的焓值是h1′，實際制冷量為：

Q′=qm×（h1′-h4）

也就是說h1是氣態制冷劑進入壓縮機冷卻電機之后的焓值，已具有較大的過熱度，那么冷卻電機吸收的熱量為：

Q″=qm×（h1-h1′）

從圖中分析，氣態制冷劑過熱度增大可能會引起壓縮機功耗的增大，即：

W=qm×（h2-h1）

制冷劑本身特性會引起h2隨h1變化的敏感性，從而影響功耗的變化。干式蒸發器過熱度一般為5℃左右，較滿液式的1℃大很多。所以，制冷系統若采用干式蒸發器，這種影響會表現得更加明顯。

3.2 補氣冷卻方式

如公司空調系統的開利30HXC-200A雙螺桿水冷冷水機組內置電機的冷卻就采用此方式。

圖3 開利30HXC-200A

機組經濟器 圖4 半封閉雙螺桿式壓縮機（電機補氣冷卻方式）

圖3是30HXC-200A水冷冷水機組上配置的過冷器（也稱經濟器）。圖4是06N半封閉雙螺桿壓縮機的內部結構圖。從圖中制冷劑流向可看出，其內置電機的冷卻就是利用了從經濟器過來的低溫低壓氣態制冷劑。

圖5是補氣冷卻方式的壓縮機應用于制冷循環的壓焓圖。從圖中分析，系統配置的經濟器使從冷凝器出來的制冷劑液體經過經濟器后過冷度進一步提高，以提高系統的制冷量。從經濟器出來的過冷液態制冷劑分成兩路，一路是較大流量（qm1）分支經過步進式電子膨脹閥節流后形成低壓液態制冷劑，直接進入滿液式蒸發器吸熱蒸發，產生的低壓氣態制冷劑由吸氣口進入壓縮機;另一路小流量分支（qm2）經過電子膨脹閥節流后返回經濟器，與來自冷凝器的常溫高壓液態制冷劑進行換熱，產生的氣態制冷劑再進入壓縮機進一步冷卻電機，升溫后的氣體由補氣口進入螺桿與從吸氣口經過部分壓縮的制冷劑氣體混合后繼續壓縮。

圖5 補氣冷卻電機常見制冷循環壓焓圖

從圖中分析，帶補氣冷卻較不帶補氣冷卻的壓縮機功耗要小。帶補氣冷卻的壓縮機功耗為：

W1=qm1×（h2′-h1）+qm×（h3-h2）

而不帶補氣冷卻的壓縮機的功耗為：

W2=qm×（h3′-h1）

其中：

qm=qm1+qm2

因此，壓縮機節約功耗：

ΔW=W2-W1

由于直接進入壓縮機吸氣口的制冷劑不再去冷卻電機，所以，壓縮前的氣態制冷劑過熱度較吸氣冷卻方式小許多，這有利于降低功耗，且因比容v1的減小，質量排量qm會提高，從而系統制冷量得以提高。由此，采用補氣冷卻方式的壓縮機經合理配置經濟器和滿液式蒸發器后，制冷量和制冷系數都會得以改善。由于電機置于補氣側，需要消耗一小部分制冷劑液體qm2來冷卻電機維持其處于安全的溫度范圍，為了減少這部分制冷劑液體的使用量，提高設備的綜合性能，滿負荷工況下的電機繞組溫度會被控制在82℃。在電機繞組中埋設溫度傳感器，并利用此溫度模擬量的反饋來對冷卻電機的制冷劑支路上的電磁閥實現啟閉控制，設備自控系統適時報警有效保護壓縮機安全運行。

4 結語

全封閉和半封閉壓縮機內置電機的冷卻效果直接會影響到壓縮機性能和使用壽命，帶有經濟器的制冷空調設備不僅會使內置電機冷卻效果好，同時也可提高設備的制冷性能，使其在眾多品牌空調設備上得以采用。所以，選配中央空調設備時，要依照設計目的，結合建筑物特征，盡量選配性能穩定的安全節能型產品來滿足空調的工藝性或舒適性要求，并降低后期運行成本。

參考文獻

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作者簡介：梁宏杰（1978-），男，陜西蒲城人，山西平陽重工機械有限責任公司工程師，研究方向：暖通空調設備維護與建筑工程管理;梁曉毓（1970-），男，山西襄汾人，山西平陽重工機械有限責任公司工程師，研究方向：變電所及電氣設備維護;關紅燕（1971-），女，山西曲沃人，山西平陽重工機械有限責任公司工程師，研究方向：電機及電氣設備維護。

（責任編輯：黃銀芳）