機房空調用渦旋壓縮機常見故障淺析(1)- 電機燒毀

徐東雨

（維諦技術有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

渦旋壓縮機的電機繞組燒毀是一個常見壓縮機故障。當壓縮機的電機繞組燒毀發生時，因電機繞組線圈、壓縮機的冷凍機油和制冷劑在高溫高壓的狀態下，會產生巨烈的化學反應，生成物通過壓縮機的進排氣管道會污染整個制冷系統。維修時需要清洗制冷系統，維修難度大，維修成本高。被污染制冷系統又會掩蓋電機燒毀的原因，給事后故障根本原因分析增加了難度[1]。故障根本原因分析是維修工作的關鍵步驟。沒有找出故障原因的維修，可能會導致相同的故障重復出現。本文將重點分析電機繞組燒毀的故障現象及其原因。

1 渦旋壓縮機原理

渦旋壓縮機原理是在1905年就被發明。渦旋壓縮機的壓縮部分主要由一個動渦旋盤和一個靜渦旋盤組成的，如圖1所示。工作時靜渦旋盤不運動，動渦旋盤由電機驅動下轉動如圖2和圖3。由于動渦旋盤不停的旋轉，氣體在動渦旋盤和靜渦旋盤之間的月牙形封閉空間內，從外周向中心卷進，不停被壓縮，最終從中間噴出，如圖1和圖4所示。

圖1 動渦旋盤和靜渦旋盤

圖2 渦旋壓縮機

圖3 電機繞組和轉子

圖4 氣體壓縮過程

由于20世紀末的高精度數控機床技術的發展，使渦旋壓縮機生產成本大大降低，從而逐步地代替了傳統的活塞壓縮機，在機房精密空調行業中，機房空調幾乎都是采用渦旋壓縮機，如圖2所示。本文所說的壓縮機，如沒有特別注明的，皆指機房空調所使用谷輪公司的渦旋壓縮機，未注明的空調皆指維諦公司的機房空調。

2 壓縮機的電機繞組燒毀原因分析

壓縮機在機房精密空調制冷系統的作用：壓縮氣體制冷劑，保證制冷系統的高低壓力，并提供制冷劑循環流動的動力。如果壓縮機出現故障，空調就不能制冷[2]。壓縮機故障根本原因分析不能僅分析壓縮機本身，需要對整個制冷系統進行分析。

渦旋壓縮機的故障可分為機械故障和電機故障。機械故障主要指壓縮機的壓縮部分故障，不能完成壓縮功能，制冷系統不能建立高低壓，比如壓縮機軸卡死。壓縮機電機故障主要指壓縮機的電機繞組線圈短路、斷路、線圈阻值異常。

短路是指電機的三相繞組之間的阻值為零，或繞組對地的阻值為零。根據《谷輪電氣手冊》，三相繞組對地的絕緣電阻值以0.5 MΩ作為判定壓縮機好壞的界限。壓縮機電機短路會引起機房空調的壓縮機空開跳閘[3]。

斷路是指電機繞組線圈的任一相為開路。用儀表檢查其阻值為無窮大。機房空調表現的故障現象是壓縮機的接觸器吸合，但無壓縮機工作電流，空調也無制冷效果。維修工程師可用萬用表檢查壓縮機有無工作電流，判斷壓縮機電機能否工作，檢查電機繞組阻值大小，判斷壓縮機電機繞組好壞。實際上，壓縮機電機故障在發生之前，總會有些異常現象，比如壓縮機的工作電流異常，偏大、相與相不平衡度變大，壓縮機外殼發熱、經常有排氣溫度報警等現象，及時發現，及時處理，可以避免一些電機線圈燒毀故障。

然而，壓縮機的電機繞組線圈被燒毀無非是兩大原因：大電流和電壓異常。只要從這兩方面入手，就不難發現繞組燒毀的原因，以下對故障原因進行分析。

2.1 長期過載運行

壓縮機長期過載運行會導致電機繞阻溫度偏高。由于電阻發熱量與電流的平方成正比，電流越大，繞組溫度越高。高溫加快繞阻絕緣層的老化速度，最終導致電機線圈繞組相間短路，燒毀繞組[4]。

壓縮機過載的主要原因是電機負荷過大，常見的原因：

（1）壓縮機排氣壓力高，比如制冷劑為R22的壓縮機，壓縮機高壓報警的壓力一般為2.8 MPa，如果壓縮機在接近報警壓力下長期運行，或者高壓開關故障，壓縮機在超高壓狀態下長期運行，就會導致壓縮機長期過載運行。形成壓縮機高壓運行的主要原因是冷凝器散熱量不良，散熱不良的原因有很多：比如設計的問題，冷凝器換熱能力小；安裝的問題，冷凝器安裝空間的通風不良；維護的問題，冷凝器臟堵，未及時清洗等。因此在更換壓縮機時，如果無法確認壓縮機故障原因時，就必須檢查高壓開關的報警功能。

（2）壓縮機吸氣壓力高，壓縮機因進氣量過大從而使電機過載。主要原因是空調處在高回風溫度狀態下運行，且膨脹閥的最大操作壓力功能失效，不能限制低壓壓力。

（3）潤滑失效引起的機械部件摩擦阻力增加，形成壓縮機電機過載，表現出的故障現象是壓縮機工作時的噪聲大，壓縮機殼體溫度高。壓縮機在工作時，渦旋片、曲轉等部件高速旋轉，需要潤滑油潤滑和冷卻。如沒有潤滑油潤滑摩擦面，帶走摩擦熱，壓縮機的溫度會迅速上升，潤滑油因高溫蒸發甚至碳化，會引起部件回轉面嚴重磨損甚至抱軸。潤滑失效的原因主要有以下幾點：缺油、回流的液態制冷劑稀釋潤滑油、以及潤滑油過熱而焦化變質等。渦旋壓縮機缺油原因包括長管路系統在開機調試時，未追加冷凍機油；管路系統無法回油；經常漏氟的系統未及時補油。潤滑油被回流的液態制冷劑稀釋，潤滑性能下降，在回轉面不能形成正常油膜，潤滑油中的制冷劑受熱蒸發還會破壞油膜，回轉面的摩擦力增大，加速了磨損。摩擦力增大，摩擦熱也會增大，過熱會引起潤滑油蒸發、分解甚至碳化，進一步惡化回轉面潤滑效果[5]。

（4）市電超頻，如電源頻率增加太多，壓縮機因排氣量過大使電機過載。表現出的故障現象是壓縮機殼體溫度高，壓縮機電流過大，高壓壓力高。

（5）機房空調的壓縮機過載保護裝置失效，過載保護裝置主要有壓縮機主電源的空開、壓縮機的內部過載保護裝置，功率大的壓縮機還有外部過載保護裝置。

2.2 堵轉

堵轉是壓縮機在短時間內產生大電流，易產生電機繞組相間短路，燒毀電機繞組。

如果壓縮機運行電流達到正常運行電流的4～8倍，就認為壓縮機發生堵轉。這種電流在維護過程不易被發現。如果空調過載保護裝置頻繁動作，比如壓縮機空開頻繁跳閘，就可以認為壓縮機可能產生堵轉故障。

堵轉的原因有以下幾種可能：

（1）壓縮機的負載太大，比如高壓開關失效，失去保護作用，使壓縮機處于超高壓運行狀態。

（2）機械潤滑效果極差，在極端情況下形成壓縮機抱軸。

（3）頻繁啟動，壓縮機啟動瞬間，電流的峰值也接近或達到堵轉電流。啟動和堵轉時的電流會使繞組迅速升溫。壓縮機內部熱保護器一般響應較慢，對壓縮機頻繁啟動無保護作用。電機頻繁啟動，啟動電流及其累積的發熱量,會提高繞組絕緣層的溫度，加快絕緣層的老化速度。每次啟動，磁性力矩會使電機繞組有微小的移動，在導電碎末、絕緣性差的潤滑油等幫助下，很容易引起繞組匝間短路。

機房空調頻繁啟動的原因：

a.空調配置或選型不合理，空調的制冷量遠大于機房的冷負荷，大馬拉小車。

b.機房的氣流組織不合理，空調送風和回風短路，冷風直接回流。

c.空調的參數設置不合理，應延長空調壓縮機最短工作時間。

2.3 導電碎末引起的短路

導電碎末是短路、對地電阻值低的首要原因。盡管制冷系統中有干燥過濾器，但是并不能過濾掉所有導電碎末。

因為渦旋壓縮機電機冷卻方式是回氣型，回來的氟里昂必須經過繞組，所以制冷系統中夾雜導電碎末，很可能跟隨制冷劑回到壓縮機并在電機繞組處停留。渦旋壓縮機在每次啟動時，繞組受電磁力作用會相對運動，以及壓縮機正常振動，都會使繞組間的導電碎末與繞組漆包線之間產生相對運動。有的銳利的導電碎末還會劃傷漆包線的絕緣層，引起匝間短路。

導電碎末的來源：

（1）施工時留下的灰塵、焊渣等。施工時銅管內壁的清洗、切割銅管時毛刺的清除、銅管防灰塵侵入保護、氮氣保護焊、氮氣吹洗等嚴謹的施工工藝是防止導電碎末進入制冷系統的有效辦法。

（2）渦旋壓縮機內部磨損和零部件損壞時也會掉下導電碎末。比如潤滑油不足，電機主軸發生了磨損，導致主軸偏心，轉子與定子產生摩擦，破壞繞組絕緣層。或者是壓縮機發生液擊故障，被擊碎的導電碎末劃破漆繞組絕緣層。

（3）系統中如果有較多水分，潤滑油就會被水解成酸性物質。酸性物質會腐蝕銅管和繞組絕緣層，它會在鐵質部件表面產生化學反應——鍍銅，并系統中產生銅鐵粉末，使潤滑油的絕緣性能變得更差，為繞組短路創造了條件。

機房空調系統的水分來源主要有以下幾個方面：

a.未充氮氣存放；

b.開機調試時真空不夠；

c.充注品質差的氟利昂時帶入的；

d.冷凍油吸濕進入的。

2.4 電源缺相

電機最怕的就是電源缺相。大部分壓縮機電機燒毀是電源缺相引起的。

正在運轉的渦旋壓縮機，如果發生電源缺相，未缺相的繞組就會有很大的電流。電機繞組會很快過熱，正常情況下渦旋壓縮機的熱保護器動作，斷開電源。當電機繞組冷卻至熱保護器復位溫度，保護器復位后，渦旋壓縮機將再次啟動，因缺相而啟動再次失敗。如果沒有其他保護措施讓壓縮機停機，壓縮機就會不斷“啟動－熱保護”，直至電機燒毀。

機房空調壓縮機電源缺相的原因：

（1）空氣開關故障；

（2）接觸器故障或其觸頭接觸不良；

（3）導線接頭松動或斷線：

（4）市電缺相。

2.5 電壓異常

電壓異常包括電壓不平衡、過壓和欠壓。壓縮機電壓工作范圍一般在±10%之間，相間的電壓不平衡度要小于5%。

壓縮機運行電流不平衡的根本原因就是電壓不平衡導致的。電流不平衡會引起繞組溫升不平衡，局部繞組會累積過多熱量，形成局部高溫，加快繞阻絕緣層的老化速度。

電壓超過額定電壓的10%，稱為過壓。電動機在超壓運行時，壓縮機電機處在非常的危險之中，電機繞組會直接放電，擊穿繞組絕緣層而燒毀電機。

電壓低過額定電壓的10%，稱為欠壓。電動機在低壓運行時，轉速會下降。電壓越低，電流會越大，電機繞組溫升越高，嚴重時會燒壞電機。

2.6 壓縮機電機冷卻不好

壓縮機電機冷卻不好會導致電機繞組溫度升高，繞組溫度越高,繞阻絕緣層的老化速度越快，最終導致電機繞組相間短路，燒毀電機。其故障常伴有壓縮機排氣溫度高報警。

機房空調的渦旋壓縮機散熱是依靠回流的制冷劑蒸汽冷卻的，如果回流的制冷劑溫度高，或質量流量小，都會造成壓縮機散熱不好，壓縮機的殼體溫度升高，在日常工作中，一定要控制好壓縮機吸氣的過熱度和低壓壓力。

回流的制冷劑蒸汽溫度越高，越不利于壓縮機散熱。回流的制冷劑蒸汽溫度與低壓壓力和膨脹閥的過熱度有關。

低壓壓力越低，壓縮機吸入制冷劑的質量流量越小，越不利于壓縮機散熱。

低壓壓力低的原因：

（1）制冷劑泄漏。

蒸發器回風量小，比如過濾網堵塞，主風機故障等。

（2）膨脹閥的過熱度太大。

2.7 渦旋壓縮機抽真空

高真空的環境里氣體分子極少，不容易被擊穿，需要很高的電壓才能擊穿。但是壓縮機在被抽真空時，所能達到的真空度不是很高，氣體分子更容易電離，更容易導致電機被擊穿。其實空氣也是絕緣介質，當壓縮機被抽真空后，電極之間空氣就變少，絕緣性下降，所以制冷系統的抽真空過程，是絕緣強度不斷下降的過程。

抽真空的壓縮機，如果被通電，壓縮機內裸露的接線柱之間，或組繞之間的絕緣層有微小破損，會立即形成短路，瞬間燒毀電機。如果壓縮機外殼漏電，還有人員觸電危險。所以用壓縮機抽真空，這是非常危險的，應該禁止。也應嚴禁給正在抽真空的渦旋壓縮機送電。

如果機房空調的低壓壓力開關報警停機功能失效，在一些情況下，比如液態管道的電磁閥關閉，那么就產生上述嚴禁的現象---壓縮機處于帶電的狀態下抽真空。

在更換壓縮機時，如果無法確認壓縮機故障原因時，就必須檢查低壓開關的報警停機功能。

2.8 電氣回路可靠性差

壓縮機供電回路主要由空氣開關（保護裝置）、接觸器（通斷裝置）、連接導線組成。空氣開關和接觸器故障是導致壓縮機缺相的主要原因。

接觸器是壓縮機控制回路中的重要部件之一，接觸器是導致電機損壞的一個重要原因，常常被忽視。接觸器的選擇是極其重要的，選型不合理可能很快毀壞渦旋壓縮機。接觸器的額定電流在大于渦旋壓縮機的額定電流，最大連續電流是額定負載電流的1.40 倍。

額定容量小或劣質的接觸器經受不了渦旋壓縮機啟動沖擊，很容易就出現觸頭抖動、粘連或脫落的現象。如果觸頭粘連或脫落，就造成缺相。壓縮機將處于永久缺相狀態或永久運行狀態，依賴接觸器斷開的所有保護機制，比如高壓、低壓、排氣高溫等報警停機功能，將全部失效。任何保護都不能切斷電源，只有依靠壓縮機空開跳閘，和壓縮機內部熱保護裝置保護，但是內部是自動復位，壓縮機就可能會持續地循環接通和斷開。

壓縮機的接觸器必須能滿足壓縮機工作特性的條件。當接觸器出現觸點打火、溫升導常、吸合時聲音異常、抖動、嗡鳴，應立即處理。

因此，當電機燒毀后，檢查接觸器是必不可少的工序。壓縮機保護回路也是非常重要，高壓開關、低壓開關、排氣溫度開關的可靠性也是必須檢查的。

3 結 論

電機燒毀后，生成的污染物，掩蓋了繞組損壞的原因，給故障根本原因分析造成了困難。然而不能找出引起渦旋壓縮機電機損壞的根本原因，同樣的故障會一再地重現。潤滑不良引起的壓縮機電流增大甚至堵轉，會增加電機繞組溫度。如果壓縮機還散熱不足，進一步增加電機繞組溫度，縮短繞組的壽命。制冷系統中夾雜了導電碎末、潤滑油不足、酸化、接觸器粘連、電源缺相、電壓異常、用渦旋壓縮機抽真空。這些不利因素都可能損壞壓縮機的電機。

不幸的是，上述不利因素還會多點同時發生，并相互作用。例如堵轉、頻繁啟動和長期過載運行的大電流會引起繞組高溫升高，繞組的絕緣性能下降。當繞組絕緣性能下降后，再加上導電碎末，酸性潤滑油等，就會引起電機繞組短路而燒毀。大電流也會引起接觸器粘連，觸點打火或拉弧，甚至焊合會引起缺相或相不平衡；相不平衡會引起局部繞組溫度過高；壓縮機內部局部溫度過高，會引起潤滑油潤滑性能下降、酸性增加、導電能力增加；潤滑油性能下降會引起壓縮機機械磨損，磨損會產生導電碎末。導電碎末會引起匝間短路。

因此正確安裝并及時的日常維護，才能防止上述不利因素的出現，是避免渦旋壓縮機電機損壞的根本方法。一旦出現壓縮機電機損壞故障，在更換壓縮機前，一定要進行壓縮機故障根本原因分析，找出真實的原因。如果無法找出故障原因，那么以下的檢查是必不可少：

檢查制冷系統有沒有被損壞的壓縮機污染。

檢查管路敷設方式判斷回油的狀況好不好。

觀察視鏡中指示水分含量試紙，判斷水分含量是否超標。

檢查電源三相電壓是否平衡，是否過欠壓。

更換壓縮機后，一定要檢查高壓開關和低壓開關能不能正常報警、閥值、能不能報警停機。

檢查壓縮機的空開能否在過載狀況下切斷電源。接觸器是否粘連，吸合和釋放時是否打火，正常工作時觸頭溫升是否正常，有無抖動、嗡鳴等。