通过对变频涡旋压缩机和数码涡旋压缩机从工作原理上进行分析，指出了各自适合的，并对当前市场上流行的变频和数码工业冷水机组进行了综合比较，阐述了这两种工业冷水机各自的优势和不足，最后指出了进一步研究和推广两种工业冷水机需要解决的问题。
随着我国工业发展水平的提高，高精度高节能的工业冷水机已经不再是一种奢侈品，早已走入人们生活的各个场所。据统计，工业冷水机的耗电已占整个国民经济用电量的10%以上，而且随着经济的发展，比例会逐渐提高。因此，对于工业冷水机而言，如何提高系统的效率已显得越来越重要。这一要求使得开发可变容量的工业冷水机成为当前的潮流。可变容量工业冷水机有很好的发展市场。
迄今为止用于调节容量的压缩机技术真正主导市场的只有变频和数码涡旋技术两种，分别采用两种完全不同的方式进行压缩机容量调节，由此带来了它们在许多方面的差异。1978 年，日本部分公司提出变频空调的概念，由于变频空调具有许多优点, 因此很快进入了发达国家的市场。而后 “海尔”、“美的”、“格力”等公司也相应推出了变频空调产品，并有代替目前使用的单频空调的趋势[2]。1990 年初，随着涡旋压缩机被研制出来，空调系统的容量改变方式也得到很大发展[3]。全球最大的涡旋压缩机厂 Corpland 公司于1993年提出了数码涡旋压缩机，在工业制冷设备行业，香港安格斯集团（c7官方网站）于2010年8月完成了高精度高节能数码涡旋工业冷水机的样机测试，计划于2011年全面推出 该款机型。
以下对数码涡旋和变频涡旋两种工业冷水机做了比较，分析它们各自的优势及不足。
2 变频涡旋与数码涡旋压缩机的工作原理
涡旋变频压缩机由于采用了变频器（工作原理如图1所示）, 因此其转速随频率变化而产生不同的输气量，从而使制冷、制热量增大或减小。当今全封闭变频压缩机的变频调节有交流变频和直流变频两种方式。交流变频压缩机一般指压缩机动力采用交流异步电机，由变频器向电动机定子侧线圈提供三相交流电流、产生回转磁场,从而在转子侧产生了二次电流, 因回转磁场和二次电流产生的电磁作用而产生回转。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,产生旋转磁场与转子永久磁铁的磁场相互作用,产生所需的转矩,达到一定转速[5]。此外，大功率变频压缩机逐渐引入更先进的变频控制方式，压缩机采用永磁同步调速电机，即PMSM电机。它们都通过将频率电压不可控的市电经过整流逆变等电力电子变换得到频率电压可控的电源驱动压缩机运转，从而控制压缩机吸排气量和能力输出[6]。
图1 变频控制器工作原理图
数码涡旋压缩机（图2）利用涡旋压缩机的轴向柔性技术，动静涡盘能沿轴向脱离分开一段距离实现加载与卸载，即数码 0和 1 的转变（图3）[1]。当动静涡盘处于密封状态时，压缩机 100％运行；当动静涡盘轴向脱离时，压缩机吸－排气腔导通，压缩腔内无压缩，即压缩机电机虽然运转，但压缩机不作功。通过组合 0 和 1 状态的时间，即可实现任意比例的能力输出。 图2数码涡旋压缩机如下图
图3调节机构如下图
2 当电磁阀处于常闭位置时，活塞上下侧的压力为排气压力，有一弹簧确保两个涡盘共同加载。电磁阀通电时，调节室内的排气被释放低压吸气管，它导致活塞上移，顶部涡盘也随之上移。该动作使两涡旋盘分隔，这样无制冷剂流量通过涡旋盘；外接电磁阀断电时，再次使压缩机满载，恢复压缩机操作。动静涡盘分离间距的幅度值约 1.0mm。
3、变频和数码涡旋压缩机在工业冷水机中的主要应用方案 3.1 变频涡旋压缩机在工业冷水机中的主要应用方案
3.1.1 工业冷水机
工业冷水机是涡旋变频压缩机应用的主要形式之一，它主要以风冷式变频工业冷水机、水冷式变频工业冷水机等形式应用于工业冷水机系统中。其优点主要表现在系统结构简单、压缩机回油良好、控制方案简单、压缩机运行平稳等方面
3.1.2 热泵低温制热运行
在我国北方冬季采暖季节随着环境温度的降低，传统热泵系统的制热量会迅速降低，而需求制热量却大大增加，从而导致系统无法满足冬季人们的实际需求。同时，外界温度的下降，使系统的COP急剧降低，而压缩比越来越大，压缩机的排气温度迅速升高，导致压缩机的损坏。由于变频压缩机可以超频运行，所以可通过提高涡旋变频压缩机的运行频率, 增加压缩机单位时间内的排气量,从而使更多地制冷剂参与循环，以缓解热泵在低温环境下制热性能衰减问题。
3.2 数码涡旋压缩机在工业冷水机中的主要应用方案
目前数码涡旋工业冷水机的功率范围为3匹~30匹，从数码涡旋压缩机的功率范围可以看出,它主要应用于高精度高节能型工业冷水机中。
4、变频和数码多联空调机组的性能比较
机组运行范围及调节性能
目前，变频压缩机运行范围一般为30~115Hz。在高频段，变频压缩机可以进一步提升运行频率的方式，使变频压缩机输出超过其额定能力。总体上看，变频压缩机可调节范围位于其额定能力的48%~104%之间[7]。其能量调节须考虑到压缩机频率调整所需的时间，由于变频压缩机本身的动态特性限制，在调整能量时应小于一定的速度，故调节为分步，分阶段调节。
数码压缩机在全负荷时输出能力为100%，不能实现超负荷运行。在低负荷输出阶段，理论上数码压缩机可以达到无限低的输出能力，但在实际机组设计时要考虑负荷阶段所需的最少时间及卸/负载周期过长导致的负面作用。数码压缩机要求负载时间不少于2.5s，以保证压缩机具有稳定的输出能力，在此基础上要求压缩机卸/负载周期不大于30s，避免机组参数有过大的波动。一般情况下定义数码压缩机可调节范围位于其额定能力的17%~100%之间[7]。由于数码压缩机通过调节卸/负载周期达到在瞬间调整输出能力的目的，故其能量调节为数字化连续能量调节。
由于压缩机具有以上不同的特性，导致两种多联空调机组有不同的特性。当室内能力需求增加，变频机组可进行压缩机的超频运行以增加制冷或制热能力，当整机能力需求很少时，变频机组由于其压缩限制，必须维持在一个较高的输出能力，从而导致维护系统稳定运行的困难程度增加以及消耗过多的能源。而数码机组从输出能力的能力上不具备超负荷运行的特性，在低负荷运行时，由于其压缩机可以低至其额定输出能力的17%，基本可以满足机组运行的最小负荷的要求[8]。在能量调节方面，数码压缩机的连续无级调节可以更加严格的控制室内温度，与变频技术相比是一个提高,变频涡旋压缩机只能达到分步分阶段调节,如图4。 
图4 数码涡旋与变频系统能量调节的比较
能效比
能效比(EER)是衡量工业冷水机性能优劣的重要参数,它的高低直接反映工业冷水机的节能效果。数码工业冷水机与变频工业冷水机的能效比如图5所示。
图5 不同制冷能力数码与变频系统能效比
从图5可以看出, 从总体上数码工业冷水机由于采用容量调节范围大,又可数字化连续调节能量的数码涡旋压缩机,其在不同制冷能力下能效比较应用变频涡旋压缩机的变频工业冷水机要高.特别当制冷能力高于15(KW)时,变频工业冷水机的能效比剧烈下降而数码工业冷水机略有上升。产生以上现象的主要原因在于压缩机的区别，限于压缩机设计制造和变频器控制性能，设计变频压缩机时一般会保证额定频率段频率最高并兼顾整个可运行频率范围。所以，一般的变频工业冷水机在输出适中的制冷能力时具有最佳的能效比,高于一定范围能效就会下降。相对于变频压缩机，数码压缩机采用控制压缩机卸载和负荷的时间比例来进行输出调节，因此数码工业冷水机能效比随输出的制冷能力的增加而增加,当输出减少时能效比缓慢下降。
启动及运行特性
数码压缩机在启动时电流相对较大，等同于普通压缩机的启动特性。由于数码压缩机的周期卸/负载特性，数码空调机组在运行的大部分区间里，各项主要参数如高压、低压、排气温度等都呈现周期性波动，从而给数码机组的稳定运行增添了一定的难度。
变频压缩机与数码压缩机在启动及运行特性方面有较大的不同。变频机组在启动过程中采用变频压缩机低频启动，启动电流较小，对电网基本没有冲击，有利于保证电网的稳定。当系统进入稳定运行阶段，压缩机输出功率一定，系统各项运行参数都处于稳定状态。
回油
回油是多蒸发器变转速压缩机系统的一个主要问题[9]。当变频空调机组处于低负荷状态时，变频压缩机处于低频状态，系统内制冷剂流速减缓，在一定频率下，制冷剂将没有足够的流速带动压缩机润滑油从系统中回到压缩机，经过一段时间运行后，压缩机油位可能降至一个危险的水平，这就要求变频机组必须依靠油分离器或复杂的回油循环回油，以保证压缩机的正常油位。
数码涡旋压缩机是一种独特的压缩机，理论上它无需油分离器或回油循环。数码涡旋压缩机靠外接电磁阀的开闭控制压缩机的卸负载，在卸载周期内，系统内制冷剂流速几乎为零，离开压缩机的油很少；在负载周期内，系统内制冷剂流速接近满负荷流速，足以使管路内的油回到压缩机。故相对于变频工业冷水机，数码工业冷水机回油更加容易。
电磁干扰
电磁干扰是变频工业冷水机的一个主要问题。变频工业冷水机中的变频压缩机须采用大功率整流和逆变器件，在电压整流和逆变过程中，电压、电流发生剧变，产生高频电磁噪声，会对电网和工厂电器产生干扰作用。在世界上许多国家，尤其在欧洲，对任何系统可能散发的电磁干扰量有严格的限制。由于数码涡旋压缩机的加载和卸载是机械操作，数码涡旋系统产生的电磁干扰可忽略不计，具有更好的电磁兼容性，可用于通讯机房等精密场所，适应性更广。
可靠性
工业冷水机的可靠性是研究开发的一个重要方面，在变频工业冷水机系统内，电子控制装置一般很复杂。鉴于安装的不确定性和天气变化的极端性，复杂的电子控制装置会影响系统的可靠性。如果采用各种旁通装置，如热气旁通管和液体旁通管，可靠性将更难保证[10]。数码工业冷水机系统基本上是简易系统，只需简单的电子控制，故较变频工业冷水机系统更加可靠。
小结
由于变频涡旋压缩机与数码涡旋压缩机在工作原理和结构上的区别，变频工业冷水机与数码工业冷水机有各自不同的应用前景：变频涡旋压缩机可用于工业冷水机、低温热泵、等多种工业冷水机中，数码压缩机由于其功率范围而主要应用于工业冷水机中。由于两种压缩机都主要应用于工业冷水机中，本文主要针对两种工业冷水机的运行范围及调节性能、能效比、启动及运行特性、回油、电磁干扰、可靠性等方面详细分析了各自的优势和不足。针对各自系统的不足，变频技术应着重解决低频时提升能效比、电磁干扰等方面的问题，而数码技术应重点解决如何减少压缩机启动电流大以及运行时系统内压力波动等问题 。
参 考 文 献
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