机房空调用涡旋压缩机常见故障浅析(1)- 电机烧毁

徐东雨

（维谛技术有限公司，广东 深圳 518055）

0 引 言

涡旋压缩机的电机绕组烧毁是一个常见压缩机故障。当压缩机的电机绕组烧毁发生时，因电机绕组线圈、压缩机的冷冻机油和制冷剂在高温高压的状态下，会产生巨烈的化学反应，生成物通过压缩机的进排气管道会污染整个制冷系统。维修时需要清洗制冷系统，维修难度大，维修成本高。被污染制冷系统又会掩盖电机烧毁的原因，给事后故障根本原因分析增加了难度[1]。故障根本原因分析是维修工作的关键步骤。没有找出故障原因的维修，可能会导致相同的故障重复出现。本文将重点分析电机绕组烧毁的故障现象及其原因。

1 涡旋压缩机原理

涡旋压缩机原理是在1905年就被发明。涡旋压缩机的压缩部分主要由一个动涡旋盘和一个静涡旋盘组成的，如图1所示。工作时静涡旋盘不运动，动涡旋盘由电机驱动下转动如图2和图3。由于动涡旋盘不停的旋转，气体在动涡旋盘和静涡旋盘之间的月牙形封闭空间内，从外周向中心卷进，不停被压缩，最终从中间喷出，如图1和图4所示。

图1 动涡旋盘和静涡旋盘

图2 涡旋压缩机

图3 电机绕组和转子

图4 气体压缩过程

由于20世纪末的高精度数控机床技术的发展，使涡旋压缩机生产成本大大降低，从而逐步地代替了传统的活塞压缩机，在机房精密空调行业中，机房空调几乎都是采用涡旋压缩机，如图2所示。本文所说的压缩机，如没有特别注明的，皆指机房空调所使用谷轮公司的涡旋压缩机，未注明的空调皆指维谛公司的机房空调。

2 压缩机的电机绕组烧毁原因分析

压缩机在机房精密空调制冷系统的作用：压缩气体制冷剂，保证制冷系统的高低压力，并提供制冷剂循环流动的动力。如果压缩机出现故障，空调就不能制冷[2]。压缩机故障根本原因分析不能仅分析压缩机本身，需要对整个制冷系统进行分析。

涡旋压缩机的故障可分为机械故障和电机故障。机械故障主要指压缩机的压缩部分故障，不能完成压缩功能，制冷系统不能建立高低压，比如压缩机轴卡死。压缩机电机故障主要指压缩机的电机绕组线圈短路、断路、线圈阻值异常。

短路是指电机的三相绕组之间的阻值为零，或绕组对地的阻值为零。根据《谷轮电气手册》，三相绕组对地的绝缘电阻值以0.5 MΩ作为判定压缩机好坏的界限。压缩机电机短路会引起机房空调的压缩机空开跳闸[3]。

断路是指电机绕组线圈的任一相为开路。用仪表检查其阻值为无穷大。机房空调表现的故障现象是压缩机的接触器吸合，但无压缩机工作电流，空调也无制冷效果。维修工程师可用万用表检查压缩机有无工作电流，判断压缩机电机能否工作，检查电机绕组阻值大小，判断压缩机电机绕组好坏。实际上，压缩机电机故障在发生之前，总会有些异常现象，比如压缩机的工作电流异常，偏大、相与相不平衡度变大，压缩机外壳发热、经常有排气温度报警等现象，及时发现，及时处理，可以避免一些电机线圈烧毁故障。

然而，压缩机的电机绕组线圈被烧毁无非是两大原因：大电流和电压异常。只要从这两方面入手，就不难发现绕组烧毁的原因，以下对故障原因进行分析。

2.1 长期过载运行

压缩机长期过载运行会导致电机绕阻温度偏高。由于电阻发热量与电流的平方成正比，电流越大，绕组温度越高。高温加快绕阻绝缘层的老化速度，最终导致电机线圈绕组相间短路，烧毁绕组[4]。

压缩机过载的主要原因是电机负荷过大，常见的原因：

（1）压缩机排气压力高，比如制冷剂为R22的压缩机，压缩机高压报警的压力一般为2.8 MPa，如果压缩机在接近报警压力下长期运行，或者高压开关故障，压缩机在超高压状态下长期运行，就会导致压缩机长期过载运行。形成压缩机高压运行的主要原因是冷凝器散热量不良，散热不良的原因有很多：比如设计的问题，冷凝器换热能力小；安装的问题，冷凝器安装空间的通风不良；维护的问题，冷凝器脏堵，未及时清洗等。因此在更换压缩机时，如果无法确认压缩机故障原因时，就必须检查高压开关的报警功能。

（2）压缩机吸气压力高，压缩机因进气量过大从而使电机过载。主要原因是空调处在高回风温度状态下运行，且膨胀阀的最大操作压力功能失效，不能限制低压压力。

（3）润滑失效引起的机械部件摩擦阻力增加，形成压缩机电机过载，表现出的故障现象是压缩机工作时的噪声大，压缩机壳体温度高。压缩机在工作时，涡旋片、曲转等部件高速旋转，需要润滑油润滑和冷却。如没有润滑油润滑摩擦面，带走摩擦热，压缩机的温度会迅速上升，润滑油因高温蒸发甚至碳化，会引起部件回转面严重磨损甚至抱轴。润滑失效的原因主要有以下几点：缺油、回流的液态制冷剂稀释润滑油、以及润滑油过热而焦化变质等。涡旋压缩机缺油原因包括长管路系统在开机调试时，未追加冷冻机油；管路系统无法回油；经常漏氟的系统未及时补油。润滑油被回流的液态制冷剂稀释，润滑性能下降，在回转面不能形成正常油膜，润滑油中的制冷剂受热蒸发还会破坏油膜，回转面的摩擦力增大，加速了磨损。摩擦力增大，摩擦热也会增大，过热会引起润滑油蒸发、分解甚至碳化，进一步恶化回转面润滑效果[5]。

（4）市电超频，如电源频率增加太多，压缩机因排气量过大使电机过载。表现出的故障现象是压缩机壳体温度高，压缩机电流过大，高压压力高。

（5）机房空调的压缩机过载保护装置失效，过载保护装置主要有压缩机主电源的空开、压缩机的内部过载保护装置，功率大的压缩机还有外部过载保护装置。

2.2 堵转

堵转是压缩机在短时间内产生大电流，易产生电机绕组相间短路，烧毁电机绕组。

如果压缩机运行电流达到正常运行电流的4～8倍，就认为压缩机发生堵转。这种电流在维护过程不易被发现。如果空调过载保护装置频繁动作，比如压缩机空开频繁跳闸，就可以认为压缩机可能产生堵转故障。

堵转的原因有以下几种可能：

（1）压缩机的负载太大，比如高压开关失效，失去保护作用，使压缩机处于超高压运行状态。

（2）机械润滑效果极差，在极端情况下形成压缩机抱轴。

（3）频繁启动，压缩机启动瞬间，电流的峰值也接近或达到堵转电流。启动和堵转时的电流会使绕组迅速升温。压缩机内部热保护器一般响应较慢，对压缩机频繁启动无保护作用。电机频繁启动，启动电流及其累积的发热量,会提高绕组绝缘层的温度，加快绝缘层的老化速度。每次启动，磁性力矩会使电机绕组有微小的移动，在导电碎末、绝缘性差的润滑油等帮助下，很容易引起绕组匝间短路。

机房空调频繁启动的原因：

a.空调配置或选型不合理，空调的制冷量远大于机房的冷负荷，大马拉小车。

b.机房的气流组织不合理，空调送风和回风短路，冷风直接回流。

c.空调的参数设置不合理，应延长空调压缩机最短工作时间。

2.3 导电碎末引起的短路

导电碎末是短路、对地电阻值低的首要原因。尽管制冷系统中有干燥过滤器，但是并不能过滤掉所有导电碎末。

因为涡旋压缩机电机冷却方式是回气型，回来的氟里昂必须经过绕组，所以制冷系统中夹杂导电碎末，很可能跟随制冷剂回到压缩机并在电机绕组处停留。涡旋压缩机在每次启动时，绕组受电磁力作用会相对运动，以及压缩机正常振动，都会使绕组间的导电碎末与绕组漆包线之间产生相对运动。有的锐利的导电碎末还会划伤漆包线的绝缘层，引起匝间短路。

导电碎末的来源：

（1）施工时留下的灰尘、焊渣等。施工时铜管内壁的清洗、切割铜管时毛刺的清除、铜管防灰尘侵入保护、氮气保护焊、氮气吹洗等严谨的施工工艺是防止导电碎末进入制冷系统的有效办法。

（2）涡旋压缩机内部磨损和零部件损坏时也会掉下导电碎末。比如润滑油不足，电机主轴发生了磨损，导致主轴偏心，转子与定子产生摩擦，破坏绕组绝缘层。或者是压缩机发生液击故障，被击碎的导电碎末划破漆绕组绝缘层。

（3）系统中如果有较多水分，润滑油就会被水解成酸性物质。酸性物质会腐蚀铜管和绕组绝缘层，它会在铁质部件表面产生化学反应——镀铜，并系统中产生铜铁粉末，使润滑油的绝缘性能变得更差，为绕组短路创造了条件。

机房空调系统的水分来源主要有以下几个方面：

a.未充氮气存放；

b.开机调试时真空不够；

c.充注品质差的氟利昂时带入的；

d.冷冻油吸湿进入的。

2.4 电源缺相

电机最怕的就是电源缺相。大部分压缩机电机烧毁是电源缺相引起的。

正在运转的涡旋压缩机，如果发生电源缺相，未缺相的绕组就会有很大的电流。电机绕组会很快过热，正常情况下涡旋压缩机的热保护器动作，断开电源。当电机绕组冷却至热保护器复位温度，保护器复位后，涡旋压缩机将再次启动，因缺相而启动再次失败。如果没有其他保护措施让压缩机停机，压缩机就会不断“启动－热保护”，直至电机烧毁。

机房空调压缩机电源缺相的原因：

（1）空气开关故障；

（2）接触器故障或其触头接触不良；

（3）导线接头松动或断线：

（4）市电缺相。

2.5 电压异常

电压异常包括电压不平衡、过压和欠压。压缩机电压工作范围一般在±10%之间，相间的电压不平衡度要小于5%。

压缩机运行电流不平衡的根本原因就是电压不平衡导致的。电流不平衡会引起绕组温升不平衡，局部绕组会累积过多热量，形成局部高温，加快绕阻绝缘层的老化速度。

电压超过额定电压的10%，称为过压。电动机在超压运行时，压缩机电机处在非常的危险之中，电机绕组会直接放电，击穿绕组绝缘层而烧毁电机。

电压低过额定电压的10%，称为欠压。电动机在低压运行时，转速会下降。电压越低，电流会越大，电机绕组温升越高，严重时会烧坏电机。

2.6 压缩机电机冷却不好

压缩机电机冷却不好会导致电机绕组温度升高，绕组温度越高,绕阻绝缘层的老化速度越快，最终导致电机绕组相间短路，烧毁电机。其故障常伴有压缩机排气温度高报警。

机房空调的涡旋压缩机散热是依靠回流的制冷剂蒸汽冷却的，如果回流的制冷剂温度高，或质量流量小，都会造成压缩机散热不好，压缩机的壳体温度升高，在日常工作中，一定要控制好压缩机吸气的过热度和低压压力。

回流的制冷剂蒸汽温度越高，越不利于压缩机散热。回流的制冷剂蒸汽温度与低压压力和膨胀阀的过热度有关。

低压压力越低，压缩机吸入制冷剂的质量流量越小，越不利于压缩机散热。

低压压力低的原因：

（1）制冷剂泄漏。

蒸发器回风量小，比如过滤网堵塞，主风机故障等。

（2）膨胀阀的过热度太大。

2.7 涡旋压缩机抽真空

高真空的环境里气体分子极少，不容易被击穿，需要很高的电压才能击穿。但是压缩机在被抽真空时，所能达到的真空度不是很高，气体分子更容易电离，更容易导致电机被击穿。其实空气也是绝缘介质，当压缩机被抽真空后，电极之间空气就变少，绝缘性下降，所以制冷系统的抽真空过程，是绝缘强度不断下降的过程。

抽真空的压缩机，如果被通电，压缩机内裸露的接线柱之间，或组绕之间的绝缘层有微小破损，会立即形成短路，瞬间烧毁电机。如果压缩机外壳漏电，还有人员触电危险。所以用压缩机抽真空，这是非常危险的，应该禁止。也应严禁给正在抽真空的涡旋压缩机送电。

如果机房空调的低压压力开关报警停机功能失效，在一些情况下，比如液态管道的电磁阀关闭，那么就产生上述严禁的现象---压缩机处于带电的状态下抽真空。

在更换压缩机时，如果无法确认压缩机故障原因时，就必须检查低压开关的报警停机功能。

2.8 电气回路可靠性差

压缩机供电回路主要由空气开关（保护装置）、接触器（通断装置）、连接导线组成。空气开关和接触器故障是导致压缩机缺相的主要原因。

接触器是压缩机控制回路中的重要部件之一，接触器是导致电机损坏的一个重要原因，常常被忽视。接触器的选择是极其重要的，选型不合理可能很快毁坏涡旋压缩机。接触器的额定电流在大于涡旋压缩机的额定电流，最大连续电流是额定负载电流的1.40 倍。

额定容量小或劣质的接触器经受不了涡旋压缩机启动冲击，很容易就出现触头抖动、粘连或脱落的现象。如果触头粘连或脱落，就造成缺相。压缩机将处于永久缺相状态或永久运行状态，依赖接触器断开的所有保护机制，比如高压、低压、排气高温等报警停机功能，将全部失效。任何保护都不能切断电源，只有依靠压缩机空开跳闸，和压缩机内部热保护装置保护，但是内部是自动复位，压缩机就可能会持续地循环接通和断开。

压缩机的接触器必须能满足压缩机工作特性的条件。当接触器出现触点打火、温升导常、吸合时声音异常、抖动、嗡鸣，应立即处理。

因此，当电机烧毁后，检查接触器是必不可少的工序。压缩机保护回路也是非常重要，高压开关、低压开关、排气温度开关的可靠性也是必须检查的。

3 结 论

电机烧毁后，生成的污染物，掩盖了绕组损坏的原因，给故障根本原因分析造成了困难。然而不能找出引起涡旋压缩机电机损坏的根本原因，同样的故障会一再地重现。润滑不良引起的压缩机电流增大甚至堵转，会增加电机绕组温度。如果压缩机还散热不足，进一步增加电机绕组温度，缩短绕组的寿命。制冷系统中夹杂了导电碎末、润滑油不足、酸化、接触器粘连、电源缺相、电压异常、用涡旋压缩机抽真空。这些不利因素都可能损坏压缩机的电机。

不幸的是，上述不利因素还会多点同时发生，并相互作用。例如堵转、频繁启动和长期过载运行的大电流会引起绕组高温升高，绕组的绝缘性能下降。当绕组绝缘性能下降后，再加上导电碎末，酸性润滑油等，就会引起电机绕组短路而烧毁。大电流也会引起接触器粘连，触点打火或拉弧，甚至焊合会引起缺相或相不平衡；相不平衡会引起局部绕组温度过高；压缩机内部局部温度过高，会引起润滑油润滑性能下降、酸性增加、导电能力增加；润滑油性能下降会引起压缩机机械磨损，磨损会产生导电碎末。导电碎末会引起匝间短路。

因此正确安装并及时的日常维护，才能防止上述不利因素的出现，是避免涡旋压缩机电机损坏的根本方法。一旦出现压缩机电机损坏故障，在更换压缩机前，一定要进行压缩机故障根本原因分析，找出真实的原因。如果无法找出故障原因，那么以下的检查是必不可少：

检查制冷系统有没有被损坏的压缩机污染。

检查管路敷设方式判断回油的状况好不好。

观察视镜中指示水分含量试纸，判断水分含量是否超标。

检查电源三相电压是否平衡，是否过欠压。

更换压缩机后，一定要检查高压开关和低压开关能不能正常报警、阀值、能不能报警停机。

检查压缩机的空开能否在过载状况下切断电源。接触器是否粘连，吸合和释放时是否打火，正常工作时触头温升是否正常，有无抖动、嗡鸣等。