Испытание двигателя компрессора теплового насоса: Переменная скорость, Совместимость хладагентов, и сезонная эффективность

Почему двигатели компрессоров тепловых насосов нуждаются в специализированных испытаниях

В Европе прошли установки тепловых насосов 3 миллионов единиц в год в 2025, благодаря созданию мандатов по декарбонизации. Мотор компрессора — в свитке ли, поворотный, или поршневой компрессор — компонент, определяющий эффективность системы, производительность в холодном климате, и срок службы. Это также один из самых сложных двигателей для тестирования., потому что он работает внутри герметичной атмосферы хладагента, с переменной скоростью от 20 Гц до 120 Гц, и должен надежно запускаться в условиях высокого противодавления хладагента, которое может привести к остановке обычных асинхронных двигателей..

Задача испытательного стенда усугубляется тем фактом, что характеристики двигателя компрессора нельзя оценить отдельно от контура хладагента.. Двигатель, который прекрасно работает на воздухе, будет демонстрировать совершенно другое поведение при запуске., тепловые характеристики, и эффективность при погружении в хладагент R32 или R290 при рабочем давлении. Тестирование должно учитывать эту интеграцию., не абстрагируйся от этого.

В этом руководстве описаны критические элементы испытаний для двигателей компрессоров тепловых насосов с регулируемой скоростью., сосредоточение внимания на областях, где стандартные протоколы моторных испытаний неадекватны.

Что отличает тестирование двигателей компрессоров

• Герметичная сборка: Доступ к двигателю невозможен без разрушения компрессора.. Измерения обмотки должны производиться снаружи. (клеммная коробка). Контроль температуры зависит от температуры нагнетаемого газа и температуры клемм двигателя., не встроенные датчики.
• Хладагент в качестве изоляционной среды: Изоляция обмоток двигателя должна быть совместима со смесью хладагента и смазки под давлением.. Р32, Р410А, и 290 рэндов (пропан) имеют разные требования к химической совместимости.
• Нагрузка зависит от состояния хладагента: Крутящий момент компрессора на любой скорости зависит от степени сжатия. (давление конденсации / давление испарения), который меняется в зависимости от температуры окружающей среды и нагрузки. Испытательный стенд должен воспроизводить условия давления хладагента в заданном рабочем диапазоне..
• Работа с переменной скоростью: Современные компрессоры тепловых насосов работают на инверторных приводах от 20 Гц до 120 Гц. Оптимизация эффективности во всем этом диапазоне, а не только на номинальной скорости, является ключевым конкурентным отличием..

Основные тестовые задания

1. Электрические характеристики герметичного двигателя

Двигатель запечатан внутри компрессора., электрические испытания ограничиваются тем, что можно измерить на внешних клеммах.. На испытательном стенде регистрируется сопротивление фаз., индуктивность, и сопротивление изоляции (мегомметровый тест в 500 ВДК и 1,000 В постоянного тока) на производстве перед заправкой хладагентом. Постоплата, измерения обмотки через хладагент обнаруживают любое проникновение или ухудшение.

Ключевые показатели: Фазовое сопротивление (метод Кельвина, Точность ±0,5 мОм); фазовая индуктивность (1 кГц, Точность ±1%); сопротивление изоляции ≥ 100 МОм при 500 В постоянного тока до заправки хладагента; изменение сопротивления после воздействия хладагента ≤ 0.3%.

2. Пусковой момент при высоком противодавлении

Наиболее требовательным условием запуска компрессора теплового насоса является горячий перезапуск после кратковременного отключения электроэнергии — хладагент еще не уравновесился между сторонами высокого и низкого давления., и компрессор должен запускаться при перепаде давления, который может составлять 50–70% от степени сжатия при полной нагрузке.. Для спирального компрессора с приводом от PMSM, пусковой ток и крутящий момент должны преодолевать эту нагрузку противодавления в пределах диапазона ограничения тока ЧРП..

Испытательный стенд имитирует это, контролируя состояние противодавления. (через дроссельный клапан на испытательном стенде для хладагента или посредством моделирования механической нагрузки на стенде, оснащенном только двигателем) и измерение пускового крутящего момента в зависимости от начального противодавления и времени пускового изменения..

Ключевые показатели: Минимальный пусковой момент при 100% номинальный перепад противодавления; максимальное время разгона запуска, достижение успешного старта; пиковый пусковой ток (должен оставаться в пределах предела срабатывания ЧРП, обычно 200% номинальный ток); обнаружение неудачного запуска: Анализ закономерностей противо-ЭДС для идентификации срыва.

3. Картирование эффективности переменной скорости (20–120 Гц)

Карта эффективности двигателя компрессора во всем диапазоне скоростей определяет сезонные показатели эффективности. (SCOP для отопления помещений, SEER для охлаждения) которые регулируют рейтинги энергоэффективности ЕС и соответствие требованиям Ecodesign. Испытательный стенд сканирует рабочую частоту от минимальной (обычно 20–25 Гц) до максимума (обычно 115–120 Гц) в каждой точке нагрузки, запись входной электрической мощности и выходной механической мощности.

Для компрессоров PMSM с регулируемой скоростью, карта эффективности должна отражать эффективность управления MTPA в каждой рабочей точке скорости и нагрузки., поскольку оптимизация привода является основным рычагом эффективности. Плохо настроенный контроллер MTPA в компрессоре теплового насоса снижает сезонную эффективность на 3–8% в течение европейского климатического года..

Ключевые показатели: КПД двигателя в номинальной точке; мотор + эффективность системы привода (комбинированный); пиковое значение и рабочая точка карты эффективности; эффективность на минимальной скорости (20 Гц) — часто худшая рабочая точка из-за высоких основных потерь в меди на низкой скорости..

4. Холодный климат, низкотемпературный запуск (−25°C Окружающая среда)

Тепловые насосы для холодного климата (сегмент рынка быстро растет в Скандинавии, Канадский, и рынки северного Китая) рассчитаны на работу при температуре наружного воздуха до −25°C.. При этих температурах, вязкость смазки увеличивается в 5–10 раз по сравнению с номинальной рабочей точкой, и плотность паров хладагента значительно изменяется. Двигатель компрессора должен надежно запуститься при повышенном вязкостном сопротивлении..

Испытание проводится в климатической камере, в которой находится наружный блок.. Полная система теплового насоса (включая заправку хладагента, нефтяной заряд, и контроль) стабилизируется при -25°C перед началом стартового испытания. Тест фиксирует начальный текущий профиль., время достижения номинальной скорости, и мешает ли защита ограничения тока ЧРП запуску.

Ключевые показатели: Успешный старт при −25°C, −20°С, −15°C вне помещения: 5 последовательные запуски для каждой температуры; запуск текущего профиля в зависимости от времени; время от команды запуска до номинальной скорости компрессора; КПД нагрева при −15°C (В 14825 Рейтинг A-15).

5. Совместимость хладагента и долговечность изоляции обмоток

Изоляция двигателя компрессора должна выдерживать длительное погружение в смесь хладагента и масла при рабочей температуре и давлении.. Стандартная эмалированная изоляция проводов, используемая в двигателях с открытым корпусом, недопустима — полиэфиримид или полиамидимид. (ПАИ) для систем HFC/HFO требуется покрытие лаком, устойчивым к хладагентам; 290 рэндов (пропан) дополнительно требует, чтобы все полимеры были устойчивы к углеводородам..

При испытании совместимости изоляции образцы обмоток погружаются в смесь хладагента и масла при повышенной температуре. (испытание на ускоренное старение, обычно 150°C для 500 часов на UL 984 / МЭК 62539 эквивалент). Сопротивление изоляции после воздействия, диэлектрическая прочность, и механическая гибкость подтверждают совместимость.

Ключевые показатели: Сопротивление изоляции после старения ≥ 100 МОм (начальное значение); сохранение диэлектрической прочности ≥ 90% первоначальной стоимости после 500 часов при 150°C в смеси хладагента и масла; гибкость покрытия проволоки: отсутствие растрескивания после изгиба на 2 диаметра и постстарения.

6. МЭК 60335-2-40 Тестирование на соответствие

Тепловые насосы подпадают под действие IEC 60335-2-40 (бытовые и аналогичные электроприборы — тепловые насосы, кондиционеры, осушители). Тестирование на соответствие включает в себя: оценка защиты двигателя (испытание заблокированного ротора, перегрев двигателя), тесты на аномальную работу (заблокирован поток воздуха, утечка хладагента), и 30-дневное испытание на надежность при максимальной нагрузке.

Для хладагента пропан R290, К электронике привода применяются требования ATEX/IECEx — испытательный стенд двигателя должен включать оценку риска возгорания от искр, генерируемых приводом, и горячих точек обмотки в атмосфере легковоспламеняющегося хладагента..

Ключевые показатели: Реакция на срабатывание защиты двигателя при заблокированном роторе (время срабатывания термочувствительной защиты ≤ 20 секунды по МЭК 60335-2-40); температура обмотки при заторможенном роторе ≤ предела класса; 30-дневная выносливость: ноль отказов, сопротивление изоляции обмотки ≥ 50 МОм после испытания.

Что это означает для выбора испытательного стенда

Испытания двигателей компрессоров тепловых насосов проводятся в двух разных средах.: стенд для испытания электродвигателя (для характеристики PMSM, картирование эффективности, стартовое поведение) и стенд для испытания контура хладагента (для измерения COP на уровне системы, начинается холодный климат, и совместимость хладагента). Полная проверка требует обоих.

Для приемочных испытаний только двигателей в производстве, испытательный стенд использует моделирование механической нагрузки на валу компрессора для воспроизведения кривой крутящего момента и скорости компрессора хладагента при определенных условиях перепада давления.. Это быстрее, чем полная заправка хладагента, но для правильной настройки требуются проверенные механические модели нагрузки компрессора..

Для систем R290, взрывозащищенное оборудование и вентилируемые испытательные камеры требуются правилами техники безопасности.. Это увеличивает стоимость и сложность испытательной установки, которую необходимо планировать на этапе проектирования объекта., не добавлено в качестве второстепенной мысли.

Наша команда инженеров разработала системы тестирования двигателей компрессоров для производителей тепловых насосов в жилых и коммерческих помещениях., включая интеграцию климатической камеры и испытательных камер с рейтингом R290. Связаться с нами чтобы обсудить ваш тип хладагента, диапазон мощности, и режим тестирования.