单彩侠 胡余生 陈东锁 周林林

(珠海格力电器股份有限公司机电技术研究院 广东珠海 519070)

1 引言

涡旋压缩机具有效率高，转矩变化小，可靠性高，噪音低，运转平稳，结构简单，运动部件少等优点，近年来在空调系统上的应用越来越广泛。在我国节能减排宏观布局下，变频空调能效标准应运而生，政策主导下的变频空调市场增长脚步加快。家用、商用中央空调的飞速发展，特别是多联机空调在商场、餐馆、娱乐等场所的广泛运用，给运用在空调上的直流变频涡旋压缩机带来了更大的需求。随着家用、商用中央空调市场占有率的提高，空调系统在某些异常工况下运行机率增加，导致压缩机故障率越来越高，这大大增加空调厂家售后维修成本。目前，市场上，变频涡旋压缩机一般依靠空调系统设置的元器件对压缩机进行保护，而自身没有保护元件。本文根据电机过载保护器原理及变频压缩机过载保护器设计难点、工作原理及不动作现象，讨论DC变频涡旋压缩机过载保护器的可行性。

2 压缩机故障

空调系统在运行过程中，通常会由于系统进入杂质、冷媒泄漏、异常高压、电源不稳定等异常导致压缩机电机遭受过热或者过流损坏。在售后故障压缩机中，由于系统异常引起的压缩机电机损坏现象占了绝大多数比例。压缩机电机损坏现象如图1、2所示。

3 过载保护器的工作原理及特性

3.1 过载保护器工作原理及分类

电机过载保护器一般是由接线柱、发热丝、触点、双金属片、动片和外壳组成，其关键零件是双金属片、触点和发热丝（如图3、4）。一般保护器里面充有保护气体，主要起灭弧、导热等作用。其中，双金属片由Cu、Fe、Cr、Ni和Zr，实际上有的是三金属片组成，也有双金属片组成，具体结构由生产厂家而定。压缩机正常工作时，双金属片处于闭合状态，过载保护器不会动作；当系统异常时，双金属片与触点断开，保护器及时切断压缩机电源，避免压缩机发生故障。目前，定频电机过载保护器具有温度和电流双重保护功能。

图1 系统异常导致电机过热烧毁现象

图2 电机过流导致接线柱端子爆裂冲出及压缩机漏电

图3 过载保护器的结构图

图4 双金属片的组成

图5 过载保护器电流温度特性曲线

图6 涡旋压缩机运转区域

图7 压缩机运转极限工况点，不同频率运转电流曲线

图8 三相过载电机保护器原理图

3.2 过载保护器工作特性

过载保护器主要有三个特性：温度动作特性、电流时间特性及电流动作特性。具体定义如表1所示。

通过表1可得知：电机过载保护动作特性曲线是由温度动作曲线及电流动作曲线拟合而成，如图5所示。压缩机正常运行时，电机的电流及温度值是选择相应过载保护器的关键参数。

4 过载保护器选型试验

新开发的压缩机产品性能确定后，需通过以下相关试验，如表2所列试验项目,其中具体数值由X、Y、Z、N代替，可初步确定压缩机过载保护器的型号。

根据表2数值初步选定的过载保护器，进行压缩机性能测试。判断选用的过载保护器与压缩机是否具有良好匹配性：明确电机低电压运行时线圈极限温度；高电压时过载保护器开关次数；额定电压时寿命试验；运转电压范围内，过载保护器动作区域。

5 DC变频过载保护器

5.1 变频过载保护器设计难点

图6所示是R410A涡旋压缩机运转区域图。为保证压缩机寿命及可靠性，空调系统运转时，需确保压缩机在图示的正常运转区域内。压缩机在不同极限工况点运行时，负载不同。同时，变频缩机运行频率为30～90Hz。因此，与定频压缩机相比，变频涡旋压缩机在设计保护器时，不仅需要考虑运行工况区域负载变化，还需考虑不同运转频率下，在极限工况运转的负载。

图7所示是某款直流变频涡旋压缩机，在运转范围极限工况时，30Hz、90Hz频率运转时，压缩机运转电流曲线图。由此，可以看出压缩机在90Hz运转时，4、5、6三个极限工况点时，压缩机电流较大，远大于30Hz时，压缩机在此工况点的运行电流。因此，过载保护器电流值如按90Hz运行电流设定，压缩机在30Hz运行时，异常工况下不能对压缩机进行保护。因此，变频压缩机过载保护器选型难点在于电流保护动作点的设置。

5.2 DC变频保护器工作原理及作用

目前，厂家研发DC变频保护器的工作原理：压缩机经过压缩机外部的热敏电阻或电流感应器的信号由控制器（变频器）控制压缩机的运转，以控制器（变频器）及压缩机的控制为主。由此可知，变频保护器动作是由于压缩机内部温度异常引起的。压缩机发生异常时，直接检测出压缩机内部温度上升并及时断开电源的一相。其原理如图8所示，通过控制器检测出压缩机欠相异常运转，停止压缩机的运转。

DC变频电机过载保护器能够起到如下作用：

（1）防止压缩机的烧损：由于异常电流或温度上升而导致的电机线圈的绝缘劣化。

（2）保护电机的退磁：检测出压缩机内部的温度上升，保护温度异常引起的退磁现象。

5.3 过载保护器无法保护现象

一般情况下，电机过载保护器选择合适时，压缩机电机遭受过热或者过流时，保护器能够切断压缩机电源，以保护压缩机正常运转。但当空调系统出现异常工况时，过载保护器不能及时动作。如以下情况：

表1 过载保护器工作特性定义

表2 过载保护器选型试验

（1）冷媒过量：系统中冷媒过量带来最直接的影响是压缩机回液，过量回液导致压缩机内润滑油稀释及泵体液击的风险。此时，压缩机运转时会由于润滑不良造成突然卡死。对这种现象，压缩机过载保护器不动作。

（2）压缩机较长时间超出运行区域运转：空调系统设计时，需能够保证压缩机在正常范围内运行。当压缩机超出运行区域时，不能完全依赖过载保护器来保护压缩机，如运转区域外的超低温工况。

6 结论

通过分析电机过载保护器原理、特性、变频保护器设计难点及现有变频保护器原理，可知DC变频压缩机应用过载保护器是可行的，但需要注意以下问题：

（1）DC变频保护器，只依据压缩机内部温度对电机进行保护，而将电流保护由压缩机控制器控制，这一做法将DC变频电机在不同频率、不同工况下，运转电流波动大，电流极限值设定问题推给控制器设计，规避了过载保护器U/T特性确定问题，这就提高了控制器电流设计要求及可靠性要求。

（2）DC直流变频压缩机采用过载保护器，当空调系统出现如下异常时：杂质、冷媒泄漏或不足、异常高温、电压过高或过低等，可以提高压缩机可靠性；但当系统冷媒过多、压缩机较长时间超出运行区域等情况时，过载保护器就不能对压缩机进行保护。为降低压缩机故障，需要系统中设置相关保护措施。