直流变频并联模块机组的均油平衡及冷媒分配技术

直流变频并联模块机组的油平衡及冷媒分配技术许永锋，张镜清(广东美的商用空调有限公司顺德 528311)摘要：在商用空调领域，并联压缩机间、并联模块间的油平衡及冷媒分配技术是商用空调企业发展R410A 直流变频多联机的技术门槛。

掌握油平衡、冷媒分配技术与直流变频技术是发展真正节能型直流变频多联空调的关键。

关键词：直流变频多联机油平衡冷媒分配Technology of oil balance& refrigerant distribution in DC Inverter MultiModule SystemXu Yongfeng, Zhang Jingqing(GD Midea Commercial Air-conditioning Equipment Co,Ltd. Shunde 528311)Abstract: In the field of commercial air conditioner, for the enterprises researching and developing the DC inverter Multi Module Air Conditioner System with R410A, there is a technical threshold on the oil balance technology and refrigerant distribution technology. It is the key to master the Oil balance technology、Refrigerant distribution technology and DC Inverter technology for developing the true high-efficiency air conditioner system. Keywords: DC inverter Multi module system Oil balance Refrigerant distribution0 引言变容量多联空调系统具备较高的季节能效比，精确的温度控制，使用安装灵活，市场认可度高等优点。

在商用空调领域，变频技术和数码涡旋技术是主导市场的两种变容量压缩机控制技术。

《蒙特利尔协议》的实施促使空调行业生产厂家在追求产品节能的同时必须着力考虑一次冷媒的环保性问题。

R410A以其突出的环保性及热物理特性获得了众多空调厂商的青睐。

在此背景下，开发R410A 新冷媒直流变频多联空调系统成为各空调厂家竞逐市场、抢占分额的首选利器。

本文基于直流变频并联模块机组实际开发测项目来源：企业重点攻关项目37021作者简介：许永锋，（1975.09—），男，主任工程师试数据，说明油平衡技术及冷媒分配技术是机组实现安全稳定、节能、舒适运行的关键所在。

1直流变频压缩机工作原理及性能直流变频压缩机一般指压缩机动力采用直流无刷电机即BLDC电机。

工作时，定子通入脉冲直流电产生的旋转磁场与转子永久磁铁磁场相互作用，产生所需的转矩使压缩机达到一定转速[1]。

直流调速压缩机不存在定子旋转磁场对转子的电磁感应作用，克服了交流变频压缩机的电磁噪音与转子损耗，具有比交流变频压缩机效率高和噪音低的特点。

一般来说，直流变频压缩机效率比交流变频压缩机高10%～20%，噪音低5分贝-10分贝[2]。

如果转子的磁体排列更科学，磁力线集中度更高，再加上采用含稀土钕的磁体，则可较交流变频省电高达18%～30％。

直流调速系统具备交流变频系统的一切优点，如启动电流低，电网电压适应性强，低温运行性能好，控温速度快，控温波动小等；但在节能、除湿性能、电磁干扰、系统稳定可靠性等方面又大大优于交流变频系统。

当然，直流变频压缩机厂家提供的压缩机运行频率是有一定范围的(Running Frequency Range)：f 1≦F≦f 2.笔者按国标GB/T 18837-2002对采用单台直流变频压缩机多联机组进行频率运行与能效关系实验。

测试结果表明，在该频率范围内压缩机运转的能效比与运行频率的关系如图1所示：图1 运行频率与能效比的关系从图1我们知道，直流变频压缩机以额定频率F 0运转时将达到最高的能效比。

在超高频及超低频运转时，能效比均明显下降。

其原因分析如下：在室内外换热器及工况皆保持不变的情况下，当压缩机频率上升时，制冷循环的冷凝温度明显提高，蒸发温度降低，压比增大，容积效率有一定程度下降。

但由于转速对系统冷媒循环量的影响大于由压比造成的负面影响，此时空调系统制冷量、耗功及能效比随频率上升而上升，但随着频率及转速的持续增加，上述两种影响将此消彼长，能效比转而下降。

当机组室内负荷较小，压缩机理论输出运转频率低于f 1，而压缩机以下限频率f 1运转时，系统必须以能量旁通的方式浪费多余能量来满足室内小负荷要求。

实验室实测结果还表明，当运行频率低至f 1a 时，压缩机运转将出现振动大、能效低、回油困难等问题。

如何解决上述采用单台直流变频压缩机的空调机组所遇到的问题呢？考虑到定频压缩机以固定频率运转，具备相对恒定的能效比，笔者所在的研发团队对大容量变频空调多联机组设计了由单台直流变频压缩机与一台（或多台）定频压缩机并联的室外机组。

并对采用单台大功率直流变频压缩机的多联模块机组与采用变频+定频压缩机的同容量多联模块机组分别进行能效比EER 和综合性能系数IPLV [3]实验测试，测试结果[4]表明采用变频压缩机与定频压缩机并联的多联空调机组，其EER 提高16%，IPLV 提高14.5%。

表1为上述两种机组在不同负荷下压缩机运行的能效比数据。

表1 各种负荷需求下压缩机运行和能效比情况当然这种压缩机并联并不是简单的并行连接，各压缩机间的油平衡和冷媒平衡等重要核心技术的掌握与否事关压缩机并联、模块并联的成败。

业内，目前掌握压缩机并联核心技术的企业仅大金、美的等少数厂家。

遗憾的是，目前国内尚无企业完全掌握拥有自主知识产权的直流变频压缩机技术。

国内企业开发直流变频多联机所需的直流变频压缩机只能依靠外购，这从一定程度上制约了民族企业赶超业界先进的步伐。

2 油平衡技术跟其它运动机械一样，润滑油对空调压缩机来说是极其重要的。

在空调系统中，压缩机工作时，必定会有一少部分油会连续不断地从气缸中与制冷剂一起被压出，进入冷媒循环系统管路中。

当润滑油不能连续地返回压缩机时，会造成压缩机油面下降，直至润滑油枯竭，出现压缩机缺油烧毁现象。

如图2，直流变频压缩机运转过程中，冷媒由吸气管③进入压缩机压缩工作腔，经压缩排出到全封闭压缩机腔体⑤，经由排气管①进入循环系统。

由于压缩机腔体下部油池中油平衡管②处液态流体的流速远小于压缩机排气管①处气态流体流速。

根据泊努利方程：122222211122h gv p Z g vp Z +++=++γγ只要选择合适的管长来控制△Z=Z 1-Z 2与h 12，确保△P=P 1-P 2≧0.098MPa，同时根据压缩机工作工程实际需要的油量来决定油平衡管②的高度，就能够有效控制油池④的油位。

见图2：图2 直流变频压缩机油位控制示意图对于多压缩机、多模块并联的多联机组来讲，冷媒循环周期长，须额外给系统追加一定量的油，以保证系统运行的正常用油量。

模块并联，每个模块的吸排气压力、吸排气冷媒量总会存在一定的差异，这种差异将导致油的偏移现象，为避免这种偏移现象的持续恶化，就必须通过油的平衡控制来解决油的偏移现象，或者用油的二次分配方法来解决。

因此多联机系统除了必须设置专门的油分离系统外，还需考虑模块内各压缩机间回油均衡，考虑模块与模块之间油的平衡问题。

在开发直流变频并联模块多联机组过程中，笔者及项目研发团队采用具有专利权的油平衡技术对并联的压缩机、并联的模块进行油平衡控制，机组长期运行实验表明，并联模块间所有压缩机油位均在安全油位以上。

油平衡技术原理可见图3，图4。

图3 并联压缩机的油平衡图4 并联模块间的油平衡对于图3所示的两台压缩机并联回油控制方法简要介绍如下。

1）在储液罐的出气弯管设置回油孔，使沉积在低压储液罐低部的油通过回气返回到各压缩机中； 2）使用具有专利设计权的油分离器，利用离心分离原理，结合回油毛细管进行压缩机间平均回油；3）压缩机设置溢油装置，油位过高可通过该装置让油随压缩机排气进入到油分离器进行二次均油；模块间并联回油控制采用如图3、图4所示的控制方法，即在模块间通过合理的均油系统+程序控制油阀SV4来实现模块间油的动态平衡。

油在模块间的动态平衡取决于油压的控制，在系统并联运行时，SV4油阀根据相应的压力、温度控制参数控制油在模块间的动态平衡，遏制系统运行时无法避免的油在压缩机间的偏移现象。

实验证明通过上述的油控制方法，可使并联的压缩机间、并联的模块间的油达到相对平衡，有效保障系统的稳定和可靠性。

3 冷媒分配技术R410A 直流变频并联模块多联机组模块间的冷媒分配控制直接影响机组能否达到预期的制冷制热功能目标、能效标准及安全稳定的运行。

图5 并联模块冷媒分配示意图以图5的10HP+10HP+16HP 直流变频并联模块为例，该模块机组运行过程中，外机电控主板将根据内机反馈信号，综合室外环境参数，计算模块机组运行的能力负荷，并按加权平均原则分配给各室外模块，各室外模块根据“所得”的能力负荷进行运转时就需要一定的冷媒循环量。

如图5，冷媒分配控制的关键点就在于使冷媒流量Q1，Q2，Q3等于或接近于对应模块按“所得”能力负荷分配运转时所需的冷媒循环量。

图6 并联模块系统制冷循环压焓图图6中的制冷循环1—2—3—4—5—6—1是压缩机厂家提供的压缩机最佳制冷循环曲线，1〞—2〞—3〞—4〞—5〞—6〞—1〞是冷媒循环量过少时的制冷循环曲线，1′—2′—3′—4′—5′—6′—1′为冷媒循环量过多时的制冷循环曲线，系统设计工程师的任务就是使性能匹配后的系统以1—2—3—4—5—6—1进行制冷循环以达到系统最佳的性能参数。

以图5所示的16+10+10HP模块并联为例，若要保证并联模块内所有并联压缩机（3+2+2=7台）发挥出最佳性能，则必须控制系统的蒸发、冷凝压力如图6所示的P0,P k。

要控制并联模块系统的P0,P k，就必须控制系统内的每台压缩机的排回气状态点在图6中的压缩机回气状态点2及排气状态点3。

而实际的压缩机并联系统中，管路相对复杂，每台压缩机回气管路及管路远端的压力损失不尽相同，因而实际系统是很难避免冷媒在并联模块间及并联压缩机间的分流不均匀性。

一旦冷媒分流不均，那么，并联的压缩机会存在有的压缩机吸回冷媒过多，有的则偏少。

冷媒过多的压缩机容易出现液压缩，排气压力过高温度过低，此时排气状态点将偏离至3′，反之，压缩机排气状态点将偏离至3〞，压缩机存在不良过热，易烧毁。