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變頻冷柜與定速冷柜相比,四大部件—壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器中,壓縮機由定轉速換成變頻壓縮機,相應地節流裝置由熱力膨脹閥(小型的用毛細管)變為電子膨脹閥,系統流量會大范圍的變化,控制系統的復雜程度大大增加了。
①變頻壓縮機空調用變頻壓縮機目前已形成一定的批量,但適于冷柜用的低背壓變頻壓縮機國內還沒有廠家生產,國外個別大公司雖然有低背壓的變頻壓縮機,但因批量小,成本要高很多(普通定頻壓縮機的2倍以上)。這是冷柜采用變頻技術的最大障礙,但目前制冷用變頻壓縮機供貨少主要是需求問題,并不存在技術上的難題。空調變頻壓縮機和制冷變頻壓縮機只是工作工況不同,從壓縮機本身工作原理、生產技術、制造工藝等方面沒有什么大的區別。目前國內一些大的壓縮機生產廠家如:萬寶、松下、上海日立、東芝萬家樂等都已具備生產變頻壓縮機的能力。
冷柜產量雖沒有家用空調多,但設備容量大,又大都常年不間斷工作,所以耗電量同樣很大。隨著人們認識水平的提高和變頻技術的推廣,制冷用低背壓變頻壓縮機的需求會越來越大。制冷變頻壓縮機產量的增加會使其成本大幅度下降。
制冷用變頻壓縮機的發展趨勢是提高制冷、空調全封閉變頻壓縮機的效率。主要從兩方面著手:一是壓縮機電動機的效率,另一個是壓縮機本身。變頻壓縮機電動機主要有交流異步電動機和直流無刷電動機兩種。交流電動機成本低,制造工藝簡單,目前應用較廣,但其效率不如直流無刷電動機。直流無刷電動機定子繞組用電力電子器件實現換相,轉子用稀土永磁材料制成,不需要外部供給電流,減少了損耗,因此效率髙。它既有普通直流電機良好的調速性能和啟動性能,又從根本上消除了換向火花、無線電干擾的弊端,具有壽命長、可靠性高和噪聲低、控制方便等優點。
開關磁阻電動機(SRM)是20世紀80年代新推出的變速傳動系統,由磁阻電動機和控制器組成,是新一代機電一體化產品。該電機結構十分簡單,但是比普通磁阻電動機多了轉子位置檢測器(一般為光電檢測),總體上比交流異步電動機簡單、堅固和便宜,又因為繞組電流是直流脈沖,只需整流,無需逆變,所以控制電路簡單。研究表明,這種電動機的轉速在大范圍變化時,其系統效率比交、直流變頻調速系統都高,且啟動轉矩大,啟動電流小。目前有關(SRM)的理論尚不夠完善,低速時,轉矩有些脈動,噪聲和振動較大,轉速的穩態精度不夠高等,有待今后進一步研究解決。
在壓縮機方面,為適應變頻帶來的轉速變化,傳統的往復式壓縮機被滾動活塞、渦旋壓縮機替代。尤其是渦旋式壓縮機,因其優異的性能而被認為是變頻壓縮機的首選機型。
此外,在目前制冷變頻壓縮機還缺少成熟產品的情況下,可考慮采用普通定頻壓縮機進行小范圍的變頻調節。國內有些生產廠家在開發研制變頻空調的初期也采用這種方案,另有一些研究者也對普通壓縮機在低頻范圍內的變頻特性進行了研究,實踐證明這種方案是可行的,而且比較經濟。但是普通定頻壓縮機電源頻率一般不能高于50Hz,而且在低轉速下又有供油、共振等問題。另外普通壓縮機在低轉速下,效率的下降明顯。所以,普通定頻壓縮機實施變頻,獲得節能的效果還有待進一步驗證。
②電子膨脹閥電子膨脹閥由閥體、閥針和執行機構組成,根據執行機構的工作原理可分為四種:熱電式膨脹閥、熱動式膨脹閥、電磁式膨脹閥和電動式膨脹閥。對不同電子膨脹閥的驅動形式,各有其優缺點。熱電式和熱動式膨脹閥通過加熱雙金屬片或充注的工質來驅動閥針,因雙金屬片和充注工質本身的熱慣性,反應速度較慢。熱動式產品以Danfoss公司為代表,多應用在大型制冷裝置中,雙金屬片的熱電式膨脹閥目前已經比較少見。電磁式膨脹閥通過改變占空比(一個周期內幵閥時間/周期時間),調節閥的流通能力。由于閥的開度只有兩種狀態,全開和全閉,所以調節過程中系統壓力、溫度波動較大。另外,閥體在工作過程中不斷受到開閥、關閥的沖擊,影響壽命。步進電機驅動的電動式膨脹閥其執行機構屬連續調節型,所以有較好的穩態控制精度。其響應速度因受驅動頻率的限制,比電磁閥型的稍慢?但從過熱度控制來講,完全能夠滿足要求。從動態響應、穩態精度、價格、可靠性等綜合性能對比看,步進電機驅動的電動式膨脹閥較為優越,應用較多。擬采用電動式膨脹閥作為冷柜節流元件。
③控制器壓縮機內藏式的冷柜,由于結構緊湊,控制器相對簡單,可用一個單片機實現控制功能。分體式冷柜的壓縮機和冷凝器放在室外機組中,一般安放在超市的樓頂。如果釆用變頻,建議室內及室外機組采用兩組控制板。室外機組控制板一般選擇專門針對電機變頻控制設計的專用微控制器或數字信號處理器。它主要完成壓縮機電動機變頻控制、溫度的控制、故障檢測及保護等重要的控制任務;室內機組控制板主要完成溫度的檢測、電子膨脹閥的控制、化霜控制、人機交互等室內、室外機通過串行口進行通訊。這樣分工協作,消除傳感器連線過長造成的連線電阻及干擾的影響,可以取得更好的變頻效果,同時也為制造廠商開發變頻冷柜系列產品提供方便。所有的冷柜室內機組控制器可用同一型號。室外機組冷柜的冷量選用帶不同功率模塊的室外機控制板。
采用微電腦控制器,根據檢測的冷柜內溫度及蒸發器進出口溫度,計算出壓縮機電動機所需的轉速、膨脹閥的開度,從而快速準確控制冷柜柜內溫度,同時保證制冷系統穩定、高效地運行。