水冷螺桿式機(jī)組變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

饒 琨（浙江盾安機(jī)電科技有限公司，浙江 諸暨 311835）

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水冷螺桿式機(jī)組變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

饒 琨
（浙江盾安機(jī)電科技有限公司，浙江 諸暨 311835）

摘 要：水冷螺桿式機(jī)組具有優(yōu)良的制冷效果，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到制冷空調(diào)系統(tǒng)中。螺桿式機(jī)組大多以滑閥調(diào)節(jié)為主，且容量能夠進(jìn)行大范圍的調(diào)節(jié)，但是想要提高其運(yùn)行節(jié)能性效果，還需要對(duì)其變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，爭(zhēng)取在滿足正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，減少機(jī)組運(yùn)行損耗。本文就水冷螺桿式機(jī)組變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：水冷螺桿式機(jī)組；空調(diào)；變頻控制

節(jié)能已經(jīng)成為各類工程建設(shè)的核心內(nèi)容，為提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行綜合效率，對(duì)現(xiàn)有空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行分析，一般均是采用一次泵定流量系統(tǒng)，但是在實(shí)際運(yùn)行中，大部分情況下冷水機(jī)組不會(huì)維持在額定負(fù)荷狀態(tài)，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行能效低。水冷螺桿式機(jī)組在制冷空調(diào)系統(tǒng)中比較常用，為改善其運(yùn)行狀態(tài)，可以就變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)解決機(jī)組能效低問(wèn)題。

一、水冷螺桿式機(jī)組變流量性能分析

水冷螺桿式機(jī)組容量的調(diào)節(jié)方式一般為滑閥，部分機(jī)型還會(huì)采用多機(jī)頭設(shè)計(jì)方法，來(lái)滿足系統(tǒng)容量無(wú)極調(diào)節(jié)需求。在實(shí)際應(yīng)用中如果水系統(tǒng)容量發(fā)生變動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行效率可以在最小的范圍內(nèi)變動(dòng)，降低對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，且不會(huì)出現(xiàn)喘振問(wèn)題。與離心式冷水機(jī)組相比，水冷螺桿式機(jī)組能夠調(diào)節(jié)的容量范圍更大，具有更大的靈活性。為滿足節(jié)能需求，對(duì)于水冷螺桿式機(jī)組的研究力度更大，以變頻控制技術(shù)最為突出。對(duì)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將其與傳統(tǒng)的滑閥調(diào)節(jié)方式進(jìn)行對(duì)比，確保變頻控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能效果。

二、變頻節(jié)能技術(shù)原理分析

1 變頻改造的必要性

生活中應(yīng)用到的輔助設(shè)備越來(lái)越多，對(duì)改善生活質(zhì)量，提高生活水平具有重要作用。水冷螺桿式機(jī)組因其所具有的突出制冷效果，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到空調(diào)系統(tǒng)中，且取得了良好的效果。從節(jié)能角度分析，為進(jìn)一步提高其運(yùn)行綜合效率，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化，如進(jìn)行變頻改造。變頻節(jié)能技術(shù)水冷螺桿式機(jī)組中的應(yīng)用，在保證其基礎(chǔ)功能正常運(yùn)行的前提下，降低其運(yùn)行能耗。

2 變頻節(jié)能技術(shù)

變頻技術(shù)的核心為變頻器，其作用對(duì)象為交流電機(jī)，能夠在對(duì)電機(jī)輸出頻率進(jìn)行調(diào)整的同時(shí)，按照一定比例對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到對(duì)電機(jī)調(diào)速的目的。結(jié)合此項(xiàng)特點(diǎn)，來(lái)建立完善變頻控制系統(tǒng)，對(duì)水冷螺桿式機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整控制，使其能夠維持在良好的狀態(tài)，避免負(fù)荷不穩(wěn)定而造成損耗增加。

三、水冷螺桿式機(jī)組變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 變頻控制系統(tǒng)原理

利用變頻控制系統(tǒng)對(duì)水冷螺桿式機(jī)組運(yùn)行容量進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要就是通過(guò)變頻器來(lái)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使其始終維持在一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能的效果。其中，壓縮機(jī)運(yùn)行特性為：

其中，n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；f表示電機(jī)電源頻率，單位Hz；P表示電機(jī)極對(duì)數(shù)；s表示電機(jī)轉(zhuǎn)差率；n0表示設(shè)計(jì)工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；n1表示實(shí)際工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位r/min；N0表示設(shè)計(jì)工況下電機(jī)消耗功率，單位kW；N1表示實(shí)際工況下電機(jī)消耗功率，單位kW。通過(guò)公式可以得出，電機(jī)電源頻率 f 主要受到電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 影響，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，可以通過(guò)對(duì)電機(jī)頻率的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，電機(jī)輸入功率變化率為轉(zhuǎn)速變化率的3次方，當(dāng)減小電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，輸入功率同時(shí)會(huì)大幅度降低，進(jìn)而能夠達(dá)到節(jié)能的目的。

2 系統(tǒng)功能分析

2.1 試驗(yàn)分析

對(duì)于水冷螺桿式機(jī)組變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，為確保其控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)滑閥控制效果，需要就兩種方式進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，并結(jié)合對(duì)比結(jié)果中存在的不足進(jìn)行完善，確保變頻控制系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

選擇國(guó)內(nèi)某知名品牌水冷雙螺桿式冷水機(jī)組為例，對(duì)其設(shè)置變頻器對(duì)水容量進(jìn)行調(diào)節(jié)，確定其調(diào)節(jié)效果。在正式對(duì)機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)時(shí)，需要嚴(yán)格按照專業(yè)規(guī)范對(duì)冷凍水與冷卻水溫度進(jìn)行調(diào)整，就100%、75%、50%、25%負(fù)荷率情況機(jī)組性能進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于采用滑閥調(diào)節(jié)的機(jī)組容量，同樣需要就4個(gè)負(fù)荷點(diǎn)來(lái)對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。以蒸發(fā)器和水冷冷凝器為例，蒸發(fā)器100%負(fù)荷出水溫度狀態(tài)時(shí)，測(cè)試數(shù)值為6.6；0%負(fù)荷出水溫度狀態(tài)測(cè)試數(shù)值為6.7；流量數(shù)值為0.042，污垢系數(shù)0.016。水冷冷凝器100%負(fù)荷出水溫度、75%負(fù)荷出水溫度、50%負(fù)荷出水溫度、25%負(fù)荷出水溫度不同狀態(tài)，測(cè)試數(shù)值分別為29.5、23.8、18.6與18.6，且設(shè)流量數(shù)值為0.005，污垢系數(shù)為0.046.

2.3 負(fù)荷性能測(cè)試

分別對(duì)機(jī)組滑閥機(jī)控制與變頻調(diào)節(jié)方式，就100%、75%、50%、25%負(fù)荷率情況機(jī)組性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比可以得水冷螺桿式冷水機(jī)組，在75%以下負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，變頻控制性能系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滑閥控制。然后在機(jī)組持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下，變頻器自身會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，當(dāng)達(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，性能系數(shù)會(huì)比滑閥控制降低約5%，即證明如果機(jī)組需要長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，變頻控制方式自身并不比傳統(tǒng)滑閥控制方式具有優(yōu)勢(shì)。同樣的在機(jī)組前期部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變頻控制系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)組頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，來(lái)滿足能耗降低的目的。綜合測(cè)試數(shù)據(jù)分析，變頻控制方式在前期部分負(fù)荷運(yùn)行工況下具有比較明顯的節(jié)能效果，尤其是在25%運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，效果最為明顯。

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)變頻控制與滑閥控制方式的對(duì)比，利用變頻控制系統(tǒng)對(duì)水冷螺桿式機(jī)組運(yùn)行容量進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有更高的節(jié)能效果，且操作上更便捷準(zhǔn)確，只需要通過(guò)調(diào)整電機(jī)頻率便可以實(shí)現(xiàn)排量的控制。并且在變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電氣設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，可以減少接觸器、欠電壓保護(hù)、熱繼電器等元件的使用，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行具有更高的運(yùn)行穩(wěn)定性。另外，變頻控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的控制方式為軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流比較小，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的沖擊力小，降低機(jī)組運(yùn)行時(shí)電機(jī)自身的損耗，確保其能夠長(zhǎng)期處于較高的運(yùn)行效率。為提高水冷螺桿式機(jī)組變頻控制系統(tǒng)運(yùn)用效果，要避免應(yīng)用到長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行的系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)使得機(jī)組可以維持在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。避免機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，因?yàn)樽冾l器自身能耗，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組運(yùn)行能耗增加。

四、水冷螺桿機(jī)組冷卻水系統(tǒng)變頻節(jié)能控制

水冷機(jī)主要包括制冷機(jī)循環(huán)系統(tǒng)、冷水循環(huán)系統(tǒng)與冷卻水循環(huán)系統(tǒng)三部分，三部分循環(huán)運(yùn)行，將室內(nèi)熱量通過(guò)冷水、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷卻水以及冷卻塔等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。室內(nèi)溫度變化時(shí)，由室內(nèi)向大氣環(huán)境中熱量的傳遞由制冷系統(tǒng)來(lái)完成，這樣在設(shè)計(jì)變頻控制系統(tǒng)時(shí)，只需要重點(diǎn)研究冷水系統(tǒng)、制冷劑系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)的工作狀態(tài)即可，提高其運(yùn)行效率。

進(jìn)行變頻系統(tǒng)控制，本質(zhì)上也就是改變水泵轉(zhuǎn)速，然后對(duì)冷卻水流量進(jìn)行調(diào)整。機(jī)組在水系統(tǒng)阻力一定的情況下，降低水泵轉(zhuǎn)速后，會(huì)造成水泵揚(yáng)程與流量同時(shí)降低。并且因?yàn)檩斎牍β逝c揚(yáng)程、流量乘積為正比關(guān)系，相應(yīng)地也會(huì)造成輸入功率降低。這樣就可以采用降低水泵轉(zhuǎn)速的方式來(lái)降低水泵流量與揚(yáng)程，達(dá)到節(jié)能的目的。一般情況下我們會(huì)選擇配備一臺(tái)變頻器，利用變頻器來(lái)對(duì)水泵電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整控制，使其始終維持良好的運(yùn)行。

想要控制水泵轉(zhuǎn)速，針對(duì)水冷螺桿機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)，需要利用變頻控制系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度與冷凝溫度進(jìn)行控制，使其保持在一定范圍內(nèi)。因?yàn)槿绻舭l(fā)量過(guò)低，便會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)冷凍油最終溶解到制冷劑內(nèi)，造成壓縮機(jī)組軸承缺油，影響機(jī)組的正常運(yùn)行。而如果冷凝溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成壓縮機(jī)負(fù)載過(guò)大，且因電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子磁勢(shì)平衡使得壓縮機(jī)輸入電流增大，影響機(jī)組的正常運(yùn)行，造成運(yùn)行損耗增加。在對(duì)水冷螺桿式機(jī)組進(jìn)行變頻設(shè)計(jì)時(shí)，可以搭配機(jī)組，在原有基礎(chǔ)上設(shè)置變頻器，確保水泵電機(jī)工作頻率能夠隨著冷凝器溫度變化而變化。

結(jié)語(yǔ)

水冷螺桿式機(jī)組容量調(diào)節(jié)方式主要為滑閥，且機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)決定了其容量可以在10%～100%范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。針對(duì)此特點(diǎn)，想要進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行綜合效率，降低運(yùn)行產(chǎn)生的能耗，就可以對(duì)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用變頻器對(duì)機(jī)組電機(jī)運(yùn)行速率進(jìn)行控制，降低輸入功率，來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。雖然變頻控制系統(tǒng)在水冷螺桿式機(jī)組中的運(yùn)用，可以起到一定的節(jié)能效果，但是還需要針對(duì)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變頻器自身?yè)p耗問(wèn)題做更進(jìn)一步的研究。

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中圖分類號(hào)：TB652

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A