（测试计量技术及仪器专业论文）基于labview的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究.pdf

兰州理工大学硕士学位论文 摘要 本文在总结国内外压缩机性能测试的基础上，以变频涡旋压缩机为研究对象， 改进常规定工况测定的方法，开发出基于l a b v i e w 软件平台的测控系统，为涡 旋压缩机测控系统的研发提供了一种新的思路和切实可行的方案。 在对变频涡旋压缩机的性能进行全面分析的基础上，选定了具体的试验项目， 依据相应的检测方法，设计出以制冷循环系统为主的变频涡旋压缩机试验台。以 变频涡旋压缩机试验台为基础，选用第二制冷剂量热器法作为主要试验方法，应 用l a b v i e w 软件设计的性能测控系统，完成了对变频涡旋压缩机的性能测试试 验。 试验台的控制系统分为上位机控制和下层分布控制单元控制。采用分布式控 制方案，上位机只负责给下层控制系统发出控制预期给定值，下层控制系统按控 制模块中的控制规律对执行元件进行控制( 主要是通过p l c 和变频器分别对试验 台工况和转速进行功能控制) ，极大地降低了上位机与执行元件及传感器间的通信 带宽要求，增强了控制的实时性。 在l a b v i e w 虚拟仪器软件平台上，采用三层递进式模块化设计开发测试软 件的方法，开发变频涡旋压缩机性能测试软件和变频涡旋压缩机试验数据管理软 件。通过l a b s q l 接口软件，实现l a b v i e w 试验数据到a c c e s s 数据库的存储。 在试验数据管理软件中，通过l a b s q l 实现了试验数据的查询和读取；读取数据 后由数据处理程序完成对变频涡旋压缩机特性值的计算，并实现计算结果的最小 二乘法曲线拟合与特性曲线选择显示；并介绍用l a b v i e wr e p o r tg e n e r a t i o n 诸节 点实现打印试验报表的方法。 最后，在对性能参数进行理论和实验分析的基础上，对比得到了变频涡旋压 缩机内能量损失的类型及数量，实现了对变频涡旋压缩机的分析从定性到定量的 跨越。 结果表明：本文构建的基于虚拟仪器变频涡旋压缩机测试系统有很好的测试 准确性，基本满足变频涡旋压缩机性能测试的要求，具备了在工程实践中进一步 推广应用的潜力。 关键词：l a b v l e w ；涡旋压缩机；性能测试；变频器；p l c 基于l a b v i e w 的变颓涡旋压缩机性能测控系统的研究 a b s t r a c t at e s t i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mb a s e do nl a b v i e wf o rp e r f 0 n n a n c eo f c o n v e r t e rs c r o l l c o n l p r e s s o r i s d e s i g n e db yi m p r o v i n g t h et r a d i t i o n a l t e s t i n g c o n d i t i o n sa n ds u m m a r y i n gu pt h e c o m p r e s s o rp e r f o 姗a n c et e s t i n gs y s t e m a t h o m e a n da b r o a d ，w h i c hp e r f e m st ot h em o d e lf o rt h er e s e a r c ha 1 1 dt e s t i n go ft h e s c r o l lc o m p r e s s o r b a s e do n a n a l y z i n gt h ep e r f o m a n c eo ft h ec o n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o r c o m p f e h e n s i v e l y ，t h ei t e m sf o rt e s t i n gs c r 0 1 1c o m p r e s s o rw a ss e l e c t e d t h e nb a s e do n t h ec o r r e s p o n d i n gd e t e c t i o nm e t h o d ，t h ec o n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o rt e s t i n gf r a m e w a s d e s i g n e d t h es e c o n dr e f r i g e f a n tc a l o f i m e t e rm e t h o dw a sc h o s ea n dt h ec o n v e n e r s c r o l lc o m p r e s s o rt e s t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nl a b v i ew c o n t r o ls y s t e mo ft h es y s t e mi sd i v i d e di n t o2p a r t s ，p cc o n t r o la n db o t t o ml a y e r d i s t r i b u t ec o n t r 0 1 t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h es c h e m eo fd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m t h e nb o t t o m l a y e rc o n t r o lc o m p o n e n tw i t ht h er u l e i nc o n t r o lm o d u l e ， g r e a t l y d e c r e a s e dt h en e e d9 fc o m m u n i c a t i o nb e l tw i d t hb e t w e e np ca n ds e n s o r ，i n t e n s i t yr e a l t i m ec o n t r o lw i t ht h ep l ca n dc o n v e r t e rc o n t r 0 1 l i n gt h et e s tf r a m eb e dc o n d i t i o n sa n d t h es p e e do fs c r 0 1 lc o m p r e s s o r t h ed e v e l o p m e n to ft e s t i n gs y s t e ma n dm e a s u r e m e n td a t am a n a g e m e n ts y s t e m f o rc o n v e r t e rs c r o l l c o m p r e s s o ri sa c h i e v e db yu s i n gm et h r e e t i e rp r o g r e s s i v e m o d u l a rd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs o f t w a r et e s t i n gm e t h o d s ，b yl o g g i n gd a t ai n t o a c c e s sd a t a b a s ew i t hl a b s q lw h i c hw o r k sa si n t e r f a c eb e t w e e nl a b v i e wa n d a c c e s s t e s t i n gd a t am a n a g e m e n ts y s t e mc a nf e t c hd a t at h r o u 曲l a b s q l ，t h e n w o r k so u tt h ep e r f b m a n c ec h a r a c t e r sa n dc a nd i s p l a yo p t i o n a lp e r f 0 r m a n c eg r a p ho f t h e s ec o m p u t i n gr e s u l t sr e a l i z e dw i t hc u r v ef i t t i n gv i ；p r i n t i n gf e p o r t 如n c t i o nc a nb e e x e c u t e db yr e p o r tg e n e r a t i o nn o d e so fl a b v i e w i nt h el a s t c h a p t e r ， t h e s er e s u l t so ft h e p e r f 0 n n a n c eo ft h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a la n a l y s i sp r o v i d et h et y p ea n dq u a n t i t yo ft h ec o n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o r e n e r g yl o s ss 6t h a tq u a l i t a t i v ea n a l y s i sc o u l db er e p l a c e db yt oq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t h ec o n v e r t e r i ns u m m a t i o n ，i ti ss h o w e dt h a tt h ep e r f o m a n c et e s t s y s t e mb a s e do nt h e c o n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o ri sp r o v i d e dw i t hf a v o r a b l ea d a p t a b i l i t ya n d p r a c t i c a b i l i t y ： t h es y s t e mc a na c h i e v et h ep e r f o 啪a n c et e s to fv a r i o u st y p e so fs c r o l lc o m p r e s s o r i i 兰州理工大学硕士学位论文 a n dc a nb ea p p l i e d 如r t h e rt or e a lp r o je c t k e yw o r d s ：l a 【b v i e w ；s c r o nc o m p r e s s o r ；p e r f b m a n c et e s t i n g ；c o n v e r t e r ；p l c i l i 基于l a b v i e w 的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究 插图索引 图2 1 立式低压壳体腔涡旋压缩机7 图3 1 第二制冷剂量热器法试验原理1 2 图4 1 变频涡旋压缩机自动测控系统图1 9 图4 2p l c 的主程序控制流程图2 6 图4 3 系统电气接线图2 7 图4 4 系统的连接2 7 图4 5p l c 中实现自由口协议的程序流程3 0 图4 6 单端对地31 图4 7 双端不对地31 图5 1 变频涡旋压缩机测控虚拟仪器系统内部职能划分3 3 图5 2 基于传统n i d a q 的数据采集系统3 5 图5 3 基于n i d a q m x 的数据采集系统3 5 图5 4 三层递进式模块化设计3 6 图5 5 系统登陆界面3 6 图5 6 变频涡旋压缩机性能测控系统主界面3 7 图5 7 数据采集模块流程图3 8 图5 8 数据采集框图3 9 图5 9 传感器标定前面板4 0 图5 1 0 传感器标定后面板4 0 图5 1 1 效率查询模块4 6 图5 1 2 效率数据库添加记录4 7 图5 1 3 效率数据库修改记录4 8 图5 1 4 效率数据库删除记录4 8 图5 15 数据处理模块( a ) 4 9 图5 1 6 数据处理模块( b ) 5 0 图5 1 7 数据处理模块( c ) 5 0 图5 1 8 数据处理模块( d ) 5 l 图5 1 9 报表打印前面板5 2 图5 2 0 报表打印后面板5 2 图5 2 1 计算机与p l c 之间程序流程框图5 4 图5 2 2 计算机与p l c 通讯的程序前面板一5 4 图6 1 排气温度一频率图5 7 兰州理工大学硕士学位论文 图6 2 吸气温度一频率图5 7 图6 3 排气压力一频率图5 7 图6 4 吸气压力一频率图。5 8 图6 5 排气量一频率图5 8 图6 6 输入功率一频率图5 8 图6 7 制冷系数一频率图5 9 图6 8 制冷量一频率图5 9 图6 9 排气量理论值和实测值的对比6 0 图6 1 0 功率变化图一6 0 v 基于l a b v i e w 的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究 附表索引 表4 1w b l 4 1 4 s 1 型电流传感器技术指标2 3 表4 2w b l 4 1 4 s 1 型电流传感器技术指标2 3 表4 3p c ( 计算机) 读命令帧2 9 表4 4p c ( 计算机) 写命令帧2 9 表4 5p l c 读响应帧2 9 表4 6 其它响应帧3 0 表5 1 编程语法5 3 v i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名抑食缸 日期：刀寥年石月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：劢陴月乙日 日期：如曙年石月z 日 兰州理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 、涡旋压缩机广泛应用于空调、冰箱、制冷等热工作系统，其性能的好坏直接 关系到整个热系统的工作运行质量，而且随着工作时间的变化，其性能指标也在不 断发生变化，因而定期了解涡旋压缩机的性能指标对维护热系统工作的稳定性以 及提高新产品的质量都起着重要的作用【l 】。为此，结合现代测控技术和计算机技 术，设计开发一套用于测量涡旋压缩机工作性能参数的测试系统很有必要。 近年来涡旋压缩机性能测试逐步淘汰了传统的仪表加人工的测试方法，转向 涡旋压缩机技术结合最新的虚拟仪器测试技术、可靠性技术、先进的计算机技术， 以及数字信号处理方法和现代控制理论，进而形成了新型涡旋压缩机计算机辅助 测试技术。涡旋压缩机的性能状态是通过涡旋压缩机的排气流量、功率、温度、 压力、效率等参数来衡量的，而这些参数之间存在着一定的关系。随着涡旋压缩 机运行频率的变化，压缩机的性能参数也会随之变化。因此温度、压力、功率等 参数随着频率的变化体现了涡旋压缩机的性能特点。变频涡旋压缩机的频率随着 外界工况的不同而变化的，这有别于传统意义上的定速运转的涡旋压缩机。传统 定速空调器，按照最大热负荷来设计，仅在设计工况下具有较高的能效比，而实 际系统环境热负荷都在不断变化，为了使系统制冷量( 或制热量) 与热负荷匹配， 大都采用压缩机开停方式进行调节，使得房间温度波动大，舒适性降低，而且压 缩机开停频繁，使能耗增加，系统效率降低。变频涡旋压缩机【2 】的出现解决这一 问题。开发变频涡旋压缩机性能测试和控制系统，通过与变频涡旋压缩机系统相 连的传感器来测量吸气温度、吸气压力、排气温度、排气压力、压缩机转速、排 气量等参数；系统主要部位温度等参数随电机转速的变化，进而对采集到的数据 进行自动分析并显示。从而来判断有关涡旋压缩机运转的详细情况。 从国内外压缩机试验台的发展来看，尽管许多元件制造商和科研机构已经研 究开发了许多性能良好的试验台。但是这些试验台还存在着诸多的不足之处。这 些不足表现在： 第一，它们大都不是针对压缩机全面性能测试的，只是针对涡旋压缩机的某 一类或者某一些特性开发的。比如只是测制冷量【3 】或者排气流量。这样必然造成 重复开发，浪费大量的人力物力。 第二，这些试验台大多是对定速涡旋压缩机的测试展开的，而变频涡旋压缩 机的频率是随着外界工况的不同而变化的，所以传统的一定工况的测定方法已经 摹于【抽v 难w 的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究 不能满足变频涡旋压缩机的性能测试【4 】。 第三，它们很多都是基于v c + + ，v b 等传统开发语言和传统的计算机采集卡， 也很少采用成套的虚拟仪器系统，影响了系统的继承性和扩展性，增加了开发周 期，影响了系统性能【5 1 。 为了弥补这些不足，采用先进的n i 成套虚拟仪器设备，综合运用近些年来 出现的新技术新成果，专门针对压缩机性能测试特点开发一套基于虚拟仪器的测 试系统是非常有必要的。而且“基于n i 成套虚拟仪器系统的研究也正成为工 程应用、科研开发的热点。应用这套系统开发变频涡旋压缩机性能测试系统在各 方面都有着重要的意义。 1 2 涡旋压缩机性能测试的历史与现状 涡旋压缩机原理于1 9 0 5 年由法国工程师克拉斯( c m e x ) 发明并申请专利。 之后近7 0 年都没有得到更深入的研究和发展。其原因主要是尚无高精度的涡旋型 线的加工设备。7 0 年代的能源危机和数控加工技术为涡旋压缩机的发展带来了机 遇。涡旋压缩机因其性能优异和运转平稳而受到人们的重视。近年来，以日本和 美国为主进行了积极的开发研究，研究课题主要有：主要性能的分析；机构动力学 模型分析；稳定性研究：泄漏特性的分析；振动特性的分析；压力支承机构的优 化；喷射注油性能的研究等；齿形曲线的研究等【6 】。 1 2 1 国外研究现状 1 9 7 2 年由美国a d l 公司研制出远洋海轮超导氦气涡旋压缩机，才标志着涡 旋式压缩机进入实用化。而空调用涡旋式制冷压缩机于1 9 8 1 年在日本商品化，同 年日本三菱重工推出了汽车空调涡旋压缩机样机，随后日本日立、松下、美国 c a r r i e r 、c o p e l a n d 都加入到了涡旋压缩机研究开发及工业化生产的行列。2 0 世纪 9 0 年代，涡旋式制冷压缩机的系列化产品相继问世日本松下电器公司生产出用 于家用空调的小型全封闭涡旋式制冷压缩机。东芝公司推出了列车空调涡旋式制 冷压缩机。美国c 枷e r 公司则在冷水机组上并联使用涡旋式制冷压缩机，以提高 整机制冷量。1 9 9 9 年美国c o p e l a n d 公司又推出了一种新型的数码涡旋压缩机， 使空调器不必使用变频控制器就能实现制冷量在1 0 一1 0 0 范围内的无级调节 f 7 】 目前变频涡旋压缩机是研究的方向，在发达国家，变频涡旋压缩机已经得到 广泛的使用。日本是一个能源十分匮乏的国家，变频涡旋压缩机得到了迅速的发 展。美国近年来实施了新的标准，标准的提高将进一步加速变频技术的发展和推 广。 2 兰州理丁大学硕上学位论文 y o u nc h e o lp a r k 等人研究了变频涡旋压缩机性能的热力学分析。研究表明当 频率增加时，涡旋压缩机的泄漏减少，压缩过程更接近于绝热过程，以及出口压 力、温度、容积效率、以及制冷系数( c o p ) 随着频率的变化而变化的情况i s 】。 c a p r e a 【9 】通过实验分析了涡旋压缩机在频率改变的情况下，制冷量也随之变化， 他利用模糊控制技术，根据实际制冷量的大小，找到最适合的频率。 1 2 2 国内研究现状 我国1 9 8 3 年以后才开始涡旋式压缩机的研制工作，1 9 8 7 年试制出第一台涡 旋空气压缩机。以后经过十多年的努力，已形成了比较成熟的涡旋式空调与制冷 压缩机设计制造技术。从1 9 9 4 年开始，广州万宝电气集团公司引进日本日立 ( h i t a c h ) 公司空调用涡旋式制冷压缩机生产线，并开始批量生产。1 9 9 6 、1 9 9 7 年又相继在西安、苏州兴建了空调涡旋式压缩机生产厂。目前国内已有多家空调 涡旋式压缩机生产厂【l0 1 。但是就变频涡旋压缩机而言，我国起步较晚。在我国自 上个世纪九十年代中期变频技术引进以来，广州万宝压缩机有限公司研制出的涡 旋式变频压缩机填补了国内空白。在国内高校中涡旋压缩机的主要研究单位有西 安交大、兰州理工大学两所院校。经过多年的努力，已研制出四个系列2 0 多种涡 旋压缩机品种，其中小型空调压缩机已经小规模生产。 国内压缩机行业目前使用的压缩机运转测试台，大多为上世纪七、八十年代 引进的日本技术设备。使用模拟仪表、按钮控制，系统复杂，可靠性差，操作不 便，难于维护。以往的传统系统以定速涡旋压缩机为测试对象，其性能着重于理 论和试验的定性分析，试验系统功能不强、测量点少，传统的以标准工况( 定电 压、定频率、定温度等) 测定的方法已不能满足发展高性能变频涡旋压缩机的要 求，因为变频涡旋压缩机的频率随着外界工况的不同而变化，这有别于传统意义 的定速运转涡旋压缩机。所以开发一套测试变频涡旋压缩机测试系统非常必要。 目前国内外已经有很多人展开对压缩机性能测试的研究。 兰州理工大学彭斌博士提出采用模块化软件和基于模块硬件的方法，开发变 频涡旋压缩机的动态测试系统，以此获得变频涡旋压缩机运转的详细情况，使变 频涡旋压缩机的定性分析提高到定量分析【l 朱根兴设计了基于微机的卧式单级 活塞式空气压缩机性能测试系统【1 2 】，软件用v c + + 及数据库用a c c e s s2 0 0 0 。系统 测试的压缩机示功图与理论分析完全吻合。兰州理工大学的刘振全教授、任俊士 对涡旋压缩机的振动时域和频域分析，为进行针对性的减振提供了依据，也为涡 旋压缩机的故障诊断提供了一种很好的方法【i3 1 。大连理工大学王珍等人分析了涡 旋压缩机振动和噪声特性【l4 1 ，研究了涡旋压缩机表面振动信号与噪声信号的关联 关系，利用锤击法对涡旋压缩机及其主要组成零部件进行了模态实验获取了前5 3 基于l a b v l e w 的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究 阶固有频率，最后通过对涡旋压缩机的实测特性、振动和噪声关联关系及其固有 特性的综合比较分析，给出了涡旋压缩机减振降噪的几点具体措施。华中科技大 学的伍光辉做了基于数码涡旋压缩机的空调系统的研究【l 引，针对涡旋压缩机驱动 的空调及其关联系统为对象进行研究，首次对数码涡旋压缩机空调系统各个部分 进行了深入的研究，旨在寻求最佳的空调能量调节系统及提高空调系统效率最优 的途径。上海理工大学制冷技术研究所王磊等人设计了全自动制冷压缩机性能测 试试验台该测试台测试过程能够自动设定工况，工况易于达到稳定，控制精度 高，并且系统有较快的响应速度【1 6 】。 根据以上分析，通过人们的努力，在性能测试领域取得了很大的进展。现代 压缩机测控技术正朝着高度自动化、高度准确性和高度可靠性的方向发展，对压 缩机的测控提出了越来越高的要求【l 7 1 ，传统的测控方案即用温度计、u 形管、压 力显示表等传统测试仪表和工具，采用继电器进行控制，手工记录、处理试验数 据，可靠性差，周期长，效率低，已不能满足现代压缩机测试的要求。目前，压 缩机研发和使用单位，从测控的可靠性效率和经济性考虑，结合计算机技术，设 计和引进了针对不同压缩机不同条件下的多种测控方案，典型的有以下几种：基 于微机的测试方法，这是一种较为简单的控制系统且控制多为传统控制；基于 p c 机+ 单片机的测控方案；基于工控机的测控方案：基于p o d 和p l c 的测 控方案；集散控制系统( d c s ) 测控方案；基于现场总线( f c s ) 的测控方案。 后三种方案编程简单，易于操作，性能可靠，还具有比前三种方案更优越的 应用与工厂试验与研发的扩展功能，使其更适合于大型的工业测控。 根据国内外的涡旋压缩机的综述，不难发现大家都把注意力集中控制成本开 发新产品上，但是加快压缩机测试和研发速度同样重要。制冷压缩机性能试验装 置是检测压缩机性能的重要手段和措施，是制冷设备厂家为产品开发、优化设计 和质量检测提供试验数据的必备设备开发基于l a b v i e w 的变频涡旋压缩机的 测控系统，其最大的优点是可以根据不同的测量要求，简单的更改接口硬件，软 件改动很小，大大地加快了开发和测试的速度，特别是对开发新机型有着明显的 优势 1 3 本论文研究的来源、目的意义和主要内容 1 3 1 本课题的来源 兰州理工大学涡旋压缩机研究所自主开发了一系列涡旋压缩机，并己投入生 产使用，由于设计和制造还有待进一步改进，迫切需要有一套性能先进、投入较 小的测试系统，希望能够在不同工况、不同转速下，多方位的提供可靠的变频涡 4 兰州理工大学硕士学位论文 旋压缩机性能参数数据，为涡旋压缩机的型式设计和性能改进提供依据，同时也 为用户提供完善的涡旋压缩机类产品的性能说明，并希望提高涡旋压缩机测试系 统的自动化水平。因此测控实验室开发变频涡旋压缩机测试系统以提供这种需求。 根据要求，基于虚拟仪器的诸多特点，并结合国内外应用虚拟仪器开发的测试与 分析系统的实例，本课题采用虚拟仪器技术对变频涡旋压缩机试验的数据采集、 转速调节、试验数据的分析处理与曲线拟合、数据存储、报表打印等进行研究， 研制了一套变频涡旋压缩机性能测控系统。 1 3 2 本课题意义 变频涡旋压缩机是在定速涡旋压缩机的基础上开发而成的，其具有与结构相 对应的定速涡旋压缩机所固有的结构简单、高效、低噪、省材、高可靠性、振动 小以及变频调速的优点。从开发变频涡旋压缩机之初，其发展方向就已确定了即沿 着提高能源效率和改善结构特性的方向进行，所以产品的性能是一个重要的设计 评判准则，变频涡旋压缩机自身的结构特点使得对其性能的进一步开发应用显得 尤为必要。开发基于虚拟仪器的变频涡旋压缩机的测控系统具有以下意义： 1 更好地了解变频涡旋压缩机的性能和指导实验及研制工作； 2 采用虚拟仪器模块化设计使得对不同类型、不同型式的压缩机进行测量时， 程序调整或升级变得简单； 3 使用变频调速技术可以完成性能测试时对转速及工况的要求，使得测试系 统功能满足实际需要。 1 3 3 本课题的内容 本课题研究的实验台是针对变频涡旋压缩机设计的，有别于以往定速涡旋压 缩机的实验台设计。相对普通压缩机只是单一的工作频率，变频压缩机的工作频 率范围很宽，一般为3 0 h z 1 2 0 h z 。变频压缩机在不同频率工作时其制冷量和性 能系数都不同，因此除测试压缩机额定频率下的制冷量外，还应测试压缩机从最 小工作频率到最大工作频率范围内的各频段的制冷量。 本课题涉及的主要内容如下： 1 在详细研究变频涡旋压缩机性能试验台的目的和相关要求的基础上，提出试验 台的系统方案，讨论并论证可行性，多个试验部件合理组织在一个实验台上并 实现各个实验功能； 2 变频涡旋压缩机性能状态的描述和测试、评估方法。简要介绍了变频涡旋压缩 机的主要描述量和测量方法； 3 测试系统的总体设计着重介绍了变频涡旋压缩机的性能测试的试验装置、试 验方法、测试结果的处理方法； 5 基于l a b v i e w 的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究 4 测试系统的硬件系统的构建： 5 湖4 试软件系统和实现。重点介绍变频涡旋压缩机性能测试软件系统的设计，包 括功能设计，结构体系设计，高度精确和可靠性设计，软、硬件的通讯实现； 6 测试结果的分析，结论和展望。 6 兰州理工大学硕士学位论文 第2 章涡旋压缩机的基本结构和工作原理 2 1 涡旋压缩机的基本结构 涡旋压缩机一般由动涡旋盘、静涡旋盘、驱动机构、防自转机构、支架体、 底座等组成【5 】，典型的封闭式涡旋压缩机基本结构【5 i8 】如图2 1 所示。压缩机的所 有零件封闭在承压机壳中，两个螺旋形涡旋盘( 运动涡旋盘和固定涡旋盘) 装在 上部，电动机装在下部。机壳底部是用作集油的油盘。气体从安装在机壳顶上的 吸气管吸至涡旋盘的外围。经一对涡旋盘压缩过的气体通过固定涡旋盘中心的排 气孔被排至排气室。被排出的气体经排气通道进入电动机室，它在电动机周围流 过并冷却电动机，然后再通过排气管从压缩机中排走。 曲轴穿过装在机架上的轴承并被悬于机架上。主轴承中有一个是滚柱轴承其 它的是滑动轴承。曲轴与运动涡旋盘连接部位曲柄销上也装了一个滑动轴承。 1 图2 1 立式低压壳体腔涡旋压缩机 1 一动涡盘2 一静涡盘3 一十字滑环4 一背压腔5 一支架体 6 一主轴7 一电机定子8 一排气孔9 平衡块1 0 一吸气孔 1l 一储油槽 供给曲轴的润滑油由排气压力与中间压力之间的压差来控制。润滑油通过曲 基于l 矗b v i e w 的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究 轴上的孔供给涡旋盘的滑动部分。其余的油在电动机室中从制冷剂里分离出来并 被贮存在压缩机机壳的底部。 2 2 涡旋压缩机的特点 压缩机的所有零件封闭在承压机壳中，从结构及工作原理看，小型涡旋式压 缩机具有如下的特点【2 ，7 】： ( 1 ) 效率高涡旋压缩机吸气、压缩、排气连续单向进行，直接吸气，因而 吸入气体有害过热小；没有余隙容积中气体的膨胀过程，因而输气系数高。同时， 两相邻压缩腔中的压差小，气体泄漏少。另外，旋转涡旋盘上所有接触线转动半 径小，摩擦速度低，损失小，加之吸、排气阀流动损失小，因而效率高。 ( 2 ) 力矩变化小、振动小、噪声低涡旋压缩机压缩过程较慢，并可同时进 行两三个压缩过程，机器运转平稳，而且曲轴转动力矩变化小；其次，气体基本 连续流动，吸、排气压力脉动小。 ( 3 ) 结构简单，体积小，重量轻，运动零部件少；没有吸、排气阀，易损件 少，可靠性好涡旋式压缩机同活塞式压缩机相比，体积小4 0 ，重量减轻1 5 ， 效率高1 0 ，噪声低5 d b ( a ) 。 2 3 影响涡旋式压缩机性能的主要因素 1 电机输入功率【1 8 l 造成全封闭式涡旋压缩机电机输入功率偏大的原因，在于压缩机复杂的实际 工作过程，主要有：电机损耗过大，包括铜损、铁损，这与电机材料和加工工艺有关 ( 本文不作详细分析) ；过程引起的功率消耗影响涡旋压缩机性能的主要因素 【6 ，l s ，1 9 】右 门o ( 1 ) 机械摩擦 当压缩机工作时，动、定盘之间，防自转滑环与配合键槽之间。曲轴与各被驱动 面( 轴承) 之间接触并发生相对滑动等，不可避免产生摩擦损失 动盘与定盘之间的摩擦损失动、定盘间的摩擦损失，即是压缩机工作腔内 的摩擦损失，若动定盘的涡旋线、齿顶、底面，或镜板面因加工精度、平面度、位 置度等没有达到要求，则会在这些地方产生异常摩擦；或者压缩机整机含尘量较高， 又或者固体尘埃( 如焊渣、加工余屑等) 颗粒直径过大也会造成压缩机工作腔内异 常摩擦，严重时甚至影响压缩机正常工作。 防自转滑环与各配合键槽之间的摩擦损失防自转滑环主要用于防止动盘 的自转运动，在压缩机工作过程中，防自转滑环在机架和动盘上分别沿垂直方向上 兰州理丁大学硕上学位论文 与键槽滑动配合，在滑动过程中产生滑动摩擦损失。若十字键或键槽的垂直度、平 行度、光洁度、平面度超差较大时，则会增大摩擦，加大功耗。另外，因为对立式涡 旋压缩机防自转滑环是直接与机架上的支撑面接触的，在运动过程中，也不可避免 产生摩擦损失。 曲轴与各驱动面间的摩擦损失电动机驱动力是通过曲轴转动，从而带动 动盘旋转来完成吸气、压缩、排气的过程。由于曲轴中心线与滑动轴承的中心线 重合是非常困难的，而且由于加工误差和装配误差的影响，轴和轴承常常是偏心的， 由此而产生的摩擦损失也是必然的，另外止推轴承与主轴承内圈之间也存在摩擦 损失。 润滑油的影响以上各摩擦面、啮合面都必须有足够的润滑，才能保证压缩 机安全、可靠、高效的工作。在制冷压缩机中，不论是强制冷却或是自然风冷，润 滑油总是在降温后由上油孔或上油管进入各摩擦面，吸收十字环、工作腔、轴承等 处的热，随高压气体经排气口排出，从而保证压缩机正常工作。但是如果润滑油量 过多时，则会随排气进入系统且滞留在冷凝器、蒸发器等存油弯，影响两器换热， 严重时会影响压缩机正常工作。以上列出涡旋压缩机各零部件制作过程中主要质 量监控点，若失控，将直接影响压缩机正常工作，或明显影响压缩机性能。 ( 2 ) 流体阻力 动盘运动引起的流动阻力损失当动盘旋转时，因其背面受中间压力腔中 流体( 包括气体、油气混合物) 阻碍，会产生流动阻力损失，阻力大小与动盘背部结 构、几何尺寸、旋转角度及流体密度有关。 平衡块的流动阻力损失平衡块所在空间是具有一定压力的气体，油或油 气混合物，当平衡块随曲轴一起旋转运动时，会产生阻力损失，阻力大小与平衡块 几何尺寸、流体扰动系数、粘度、密度等有关。 吸、排气阻力损失气体流动时，由于气体内部的摩擦以及气体与管壁之间 的摩擦，而导致流动阻力损失。当气体通过吸气管道和吸气阀( 逆止阀) 时，产生阻 力损失，使吸气压力降低，既减少了吸气密度，相应地使实际排气量降低，降低了容 积效率；同样地，排气孔口处的流动阻力，使得压缩机实际排气压力升高，而使功耗 增加。 2 气体泄漏 ( 1 ) 气体泄漏种类 气体泄漏可分为内泄漏和外泄漏【侈】。内泄漏是指压缩机各压缩腔之间，压缩 腔与背压腔之间的气体泄漏，表现为高压气体向低压腔泄漏，再从低压腔压力压缩 到泄漏前压力，造成重复压缩消耗功率，所以内泄漏直接结果为增加功耗。外泄漏 是指压缩机在吸气过程中与外界( 大于吸气压力的高压气体) 进行气体交换。显然， 9 基于l a b v i e w 的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究 高压气体进入到吸气腔内膨胀，并占据空间，使得实际吸气量减少。即外泄漏不仅 使功耗增加，而且还减少吸入气体量，使排气量减少和制冷量降低。 ( 2 ) 泄漏通道 内泄漏涡旋压缩机中，内泄漏的发生途径主要有工作腔之间的泄漏；工作 腔与背压腔之间的泄漏；安全阀孔泄漏等。 工作腔之间的泄漏径向泄漏：气体或油中溶解的工质通过轴向间隙产生 的泄漏。轴向泄漏：气体或油中溶解的工质通过径向间隙产生的泄漏。 工作腔与背压腔之间的泄漏中间压力腔与背压腔之间的气体或油中溶解 的工质的交换。背压腔与动盘端板面密封之间的气体或油气混合物的交换。 安全阀孔泄漏主要是排气缓冲腔内的高压气体通过安全阀孔泄漏到低压 工作腔。所以，目前有些压缩机在确保正确使用的前提下，也采用取消安全阀的设 计，以减少内泄漏，提高压缩机效率。外泄漏主要是指由于定盘吸气孔o 型环密封 性差，导致高压气体进入吸气腔的泄漏。 ( 3 ) 吸气预热 吸入气体受压缩机机体或环境加热，使吸入气体密度减少，实际吸气量减小， 从而实际排气量减小，制冷量降低，功耗增加。有资料表明，吸气预热每增加3 则 能效比下降1 。 2 4 本章小结 综上所述可知，影响涡旋压缩机性能的因素是错综复杂的，它包括了设计、制 造和使用等各个环节，除以上分析的因素外，还有如吸油管搅油损失，气体流动摩 擦损失，动定盘材料( 热膨胀系数) 影响，动定盘齿高选配等。同时只有先进的检测 技术才能有效的了解压缩机内部零部件的工作状态，进而判断涡旋压缩机的工作 特性，为开发高性能的涡旋压缩机提供更好的途径 1 0 兰州理工大学硕士学位论文 第3 章变频涡旋压缩机性能测试系统原理 3 1 涡旋压缩机试验分类 国标( g b 厂r1 8 4 2 9 2 0 0 1 ) 对涡旋压缩机试验条件、试验项目和试验方法有着详 细的规定。国标中主要是按试验性质将涡旋压缩机试验分为型式试验和出厂试验。 3 1 1 涡旋压缩机型式试验 涡旋压缩机试验的主要目的是要全面掌握产品的结构完整性、工作性能和耐 久性，确定设计或生产能否定型。它的试验条件较为严格。试验项目主要包括静 态特性、动态特性、结构完整性和耐久性，试验结果为产品的特性曲线，其测试 精度较高，可作为科研开发、设计定型和生产定型的依据。试验项目主要有：制 冷量试验、排气量验证试验、效率试验、气密性试验、起动耐久性试验、耐压强 度、密封性能、耐腐蚀性试验、冲击试验等。 3 1 2 涡旋压缩机出厂试验 涡旋压缩机出厂试验的主要目的是查明定型产品在批量生产中的质量稳定 性，它的试验条件较型式试验低。试验项目主要是静态特性，试验结果为指定工 况下的性能数据，测试精度不如型式试验高，主要用作出厂检验、产品验收和修 复验收。试验项目主要包括壳体气密性试验、起动性能试验、外观及外形尺寸要 求等。 3 2 涡旋压缩机性能试验项目的确定 本文所研究的是变频涡旋压缩机的性能测试，变频涡旋压缩机的频率是随着 外界工况的不同而变化的，有别于传统意义上的定速运转涡旋压缩机，参照各类 涡旋压缩机试验的国家标准，综合考虑现有的试验条件确定试验项目为：制冷量 试验、效率试验、气密性试验、起动耐久性试验、耐压强度、密封性能、耐腐蚀 性试验、冲击试验。本文所进行的变频涡旋压缩机试验参照了一系列的国家标准 和部门标准，这些标准是： g b 5 7 7 3 8 6 容积式制冷压缩机性能试验方法： g b t 1 8 4 2 9 2 0 0 l 全封闭涡旋式制冷压缩机； g b t 5 7 7 3 2 0 0 4 容积式制冷压缩机性能试验方法； g b 7 7 7 8 制冷剂编号表示方式； j b t 9 0 5 8 1 9 9 9 制冷设备清洁度测定方法； 基于l ，a b v i e w 的变频涡旋压缩机性能测控系统的研究 g b 4 7 0 6 1 7 2 0 0 4 家用和类似用途电器的安全电动机一压缩机的特殊要求； i s 0 917 19 8 7t c s t i n go fr e f r i g e r a n tc o m p r e s s o r s 根据i s 0 8 7 1 9 8 7 推荐的测试方法有：a 第二制冷剂量热器法；b 满液式制 冷剂量热器法；c 干式制冷剂量热器法；d 1 吸气管道的制冷剂气体流量计法； d 2 排气管道制冷剂气体流量计法；f 制冷剂液体流量计法；g 水冷冷凝器量热 器法；j 制冷剂气体冷却法；1 压缩机排气管道量热器法( i s 0 9 1 7 1 9 8 7t e s t i n go f r e 衔g e r a n tc o m p r e s s o r s s ) 。遵照合理实用、准确可靠和高效节能原则，从标准 规定的多种测量制冷压缩机性能试验方法中选取第二制冷剂量热器法。 3 2 1 制冷量试验 1 第二制冷剂量热器法试验原理 其原理图如图3 1 所示。测试系统采用第二制冷剂量热器法作为主要试验方 法，水冷凝量热器法作为校核试验方法。主测试验方法是基于热平衡原理：在一 个与环境隔热被称为量热器的封闭容器内，以第二制冷剂作为介质，压缩机产生的 制冷量和一个热源相平衡。使第二制冷剂处于恒定的压力和温度下，这时热源所 耗用的电功率和制冷量相对应，通过测量电功率即可算出制冷量。为了保证压缩 机在一定工况下稳定运行，必须对吸气温度、吸气压力、排气压力、过冷温度和 环境温度进行控制。分别通过调节量热器内电加热功率，循环制冷剂流量( 即热力 膨胀阀开度) ，冷凝器冷却水量( 即水量调节阀开度) 、过冷度调节器及冷水机组来 实现