水冷螺杆式机组变频控制系统设计与研究

饶 琨（浙江盾安机电科技有限公司，浙江 诸暨 311835）



水冷螺杆式机组变频控制系统设计与研究

饶 琨
（浙江盾安机电科技有限公司，浙江 诸暨 311835）

摘 要：水冷螺杆式机组具有优良的制冷效果，现在已经被广泛地应用到制冷空调系统中。螺杆式机组大多以滑阀调节为主，且容量能够进行大范围的调节，但是想要提高其运行节能性效果，还需要对其变频控制系统进行设计研究，争取在满足正常运行的基础上，减少机组运行损耗。本文就水冷螺杆式机组变频控制系统进行了简要分析。

关键词：水冷螺杆式机组；空调；变频控制

节能已经成为各类工程建设的核心内容，为提高空调系统运行综合效率，对现有空调水系统进行分析，一般均是采用一次泵定流量系统，但是在实际运行中，大部分情况下冷水机组不会维持在额定负荷状态，导致机组运行能效低。水冷螺杆式机组在制冷空调系统中比较常用，为改善其运行状态，可以就变频控制系统进行优化设计，来解决机组能效低问题。

一、水冷螺杆式机组变流量性能分析

水冷螺杆式机组容量的调节方式一般为滑阀，部分机型还会采用多机头设计方法，来满足系统容量无极调节需求。在实际应用中如果水系统容量发生变动，机组运行效率可以在最小的范围内变动，降低对机组运行稳定性的影响，且不会出现喘振问题。与离心式冷水机组相比，水冷螺杆式机组能够调节的容量范围更大，具有更大的灵活性。为满足节能需求，对于水冷螺杆式机组的研究力度更大，以变频控制技术最为突出。对变频控制系统进行设计，并将其与传统的滑阀调节方式进行对比，确保变频控制系统能够实现节能效果。

二、变频节能技术原理分析

1 变频改造的必要性

生活中应用到的辅助设备越来越多，对改善生活质量，提高生活水平具有重要作用。水冷螺杆式机组因其所具有的突出制冷效果，已经被广泛地应用到空调系统中，且取得了良好的效果。从节能角度分析，为进一步提高其运行综合效率，需要在现有基础上对其进行适当的调整优化，如进行变频改造。变频节能技术水冷螺杆式机组中的应用，在保证其基础功能正常运行的前提下，降低其运行能耗。

2 变频节能技术

变频技术的核心为变频器，其作用对象为交流电机，能够在对电机输出频率进行调整的同时，按照一定比例对输出电压进行调整，以此来改变电机转速，达到对电机调速的目的。结合此项特点，来建立完善变频控制系统，对水冷螺杆式机组运行状态进行调整控制，使其能够维持在良好的状态，避免负荷不稳定而造成损耗增加。

三、水冷螺杆式机组变频控制系统设计

1 变频控制系统原理

利用变频控制系统对水冷螺杆式机组运行容量进行调节，主要就是通过变频器来对压缩机转速进行控制，使其始终维持在一个良好的运行状态，达到节能的效果。其中，压缩机运行特性为：

其中，n表示电机转速，单位r/min；f表示电机电源频率，单位Hz；P表示电机极对数；s表示电机转差率；n0表示设计工况下电机转速，单位r/min；n1表示实际工况下电机转速，单位r/min；N0表示设计工况下电机消耗功率，单位kW；N1表示实际工况下电机消耗功率，单位kW。通过公式可以得出，电机电源频率 f 主要受到电机转速 n 影响，想要实现对电机转速的控制，可以通过对电机频率的调整来实现。同时，电机输入功率变化率为转速变化率的3次方，当减小电机转速时，输入功率同时会大幅度降低，进而能够达到节能的目的。

2 系统功能分析

2.1 试验分析

对于水冷螺杆式机组变频控制系统进行设计后，为确保其控制效果优于传统滑阀控制效果，需要就两种方式进行对比测试，并结合对比结果中存在的不足进行完善，确保变频控制系统具有较高的实用性。

2.2 试验内容

选择国内某知名品牌水冷双螺杆式冷水机组为例，对其设置变频器对水容量进行调节，确定其调节效果。在正式对机组进行变频调节时，需要严格按照专业规范对冷冻水与冷却水温度进行调整，就100%、75%、50%、25%负荷率情况机组性能进行测试。对于采用滑阀调节的机组容量，同样需要就4个负荷点来对机组运行状态进行测试。以蒸发器和水冷冷凝器为例，蒸发器100%负荷出水温度状态时，测试数值为6.6；0%负荷出水温度状态测试数值为6.7；流量数值为0.042，污垢系数0.016。水冷冷凝器100%负荷出水温度、75%负荷出水温度、50%负荷出水温度、25%负荷出水温度不同状态，测试数值分别为29.5、23.8、18.6与18.6，且设流量数值为0.005，污垢系数为0.046.

2.3 负荷性能测试

分别对机组滑阀机控制与变频调节方式，就100%、75%、50%、25%负荷率情况机组性能进行测试，并对测试结果进行对比。通过对比可以得水冷螺杆式冷水机组，在75%以下负荷状态时，变频控制性能系数要远远高于滑阀控制。然后在机组持续运行状态下，变频器自身会产生一定的损耗，当达到满负荷时，性能系数会比滑阀控制降低约5%，即证明如果机组需要长时间满负荷运行，变频控制方式自身并不比传统滑阀控制方式具有优势。同样的在机组前期部分负荷运行时，变频控制系统能够对机组频率进行调节，来降低压缩机转速，来满足能耗降低的目的。综合测试数据分析，变频控制方式在前期部分负荷运行工况下具有比较明显的节能效果，尤其是在25%运行负荷时，效果最为明显。

2.4 测试结果分析

通过对变频控制与滑阀控制方式的对比，利用变频控制系统对水冷螺杆式机组运行容量进行调节，具有更高的节能效果，且操作上更便捷准确，只需要通过调整电机频率便可以实现排量的控制。并且在变频控制系统的设计中，电气设计比较简单，可以减少接触器、欠电压保护、热继电器等元件的使用，整个系统运行具有更高的运行稳定性。另外，变频控制系统对电机的控制方式为软启动，启动电流比较小，对电机产生的冲击力小，降低机组运行时电机自身的损耗，确保其能够长期处于较高的运行效率。为提高水冷螺杆式机组变频控制系统运用效果，要避免应用到长时间满负荷运行的系统，通过调节使得机组可以维持在低负荷运行状态，具有更高的经济效益。避免机组长时间满负荷运行，因为变频器自身能耗，导致整个机组运行能耗增加。

四、水冷螺杆机组冷却水系统变频节能控制

水冷机主要包括制冷机循环系统、冷水循环系统与冷却水循环系统三部分，三部分循环运行，将室内热量通过冷水、蒸发器、压缩机、冷却水以及冷却塔等多个环节进行处理。室内温度变化时，由室内向大气环境中热量的传递由制冷系统来完成，这样在设计变频控制系统时，只需要重点研究冷水系统、制冷剂系统与冷却水系统的工作状态即可，提高其运行效率。

进行变频系统控制，本质上也就是改变水泵转速，然后对冷却水流量进行调整。机组在水系统阻力一定的情况下，降低水泵转速后，会造成水泵扬程与流量同时降低。并且因为输入功率与扬程、流量乘积为正比关系，相应地也会造成输入功率降低。这样就可以采用降低水泵转速的方式来降低水泵流量与扬程，达到节能的目的。一般情况下我们会选择配备一台变频器，利用变频器来对水泵电机运行状态进行调整控制，使其始终维持良好的运行。

想要控制水泵转速，针对水冷螺杆机组运行特点，需要利用变频控制系统对压缩机蒸发温度与冷凝温度进行控制，使其保持在一定范围内。因为如果蒸发量过低，便会导致压缩机冷冻油最终溶解到制冷剂内，造成压缩机组轴承缺油，影响机组的正常运行。而如果冷凝温度过高时，会造成压缩机负载过大，且因电机转子与定子磁势平衡使得压缩机输入电流增大，影响机组的正常运行，造成运行损耗增加。在对水冷螺杆式机组进行变频设计时，可以搭配机组，在原有基础上设置变频器，确保水泵电机工作频率能够随着冷凝器温度变化而变化。

结语

水冷螺杆式机组容量调节方式主要为滑阀，且机组运行特点决定了其容量可以在10%～100%范围内连续调节。针对此特点，想要进一步提高机组运行综合效率，降低运行产生的能耗，就可以对变频控制系统进行设计，利用变频器对机组电机运行速率进行控制，降低输入功率，来达到节能的目的。虽然变频控制系统在水冷螺杆式机组中的运用，可以起到一定的节能效果，但是还需要针对满负荷运行时，变频器自身损耗问题做更进一步的研究。

参考文献

［1］胡诺.变频多联空调和热回收螺杆式水冷空调在酒店的设计应用［D］.华南理工大学，2009.

［2］胡曙敏.中央空调控制系统研究［D］.浙江工业大学，2012.

［3］邹江，张霞，王韬.螺杆式空压机变频节能改造［J］.机械制造与自动化，2015 （06）：88-90.

中图分类号：TB652

文献标识码：A