水冷螺桿式機組變頻控制系統設計與研究

饒 琨（浙江盾安機電科技有限公司，浙江 諸暨 311835）

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水冷螺桿式機組變頻控制系統設計與研究

饒 琨
（浙江盾安機電科技有限公司，浙江 諸暨 311835）

摘 要：水冷螺桿式機組具有優良的制冷效果，現在已經被廣泛地應用到制冷空調系統中。螺桿式機組大多以滑閥調節為主，且容量能夠進行大范圍的調節，但是想要提高其運行節能性效果，還需要對其變頻控制系統進行設計研究，爭取在滿足正常運行的基礎上，減少機組運行損耗。本文就水冷螺桿式機組變頻控制系統進行了簡要分析。

關鍵詞：水冷螺桿式機組；空調；變頻控制

節能已經成為各類工程建設的核心內容，為提高空調系統運行綜合效率，對現有空調水系統進行分析，一般均是采用一次泵定流量系統，但是在實際運行中，大部分情況下冷水機組不會維持在額定負荷狀態，導致機組運行能效低。水冷螺桿式機組在制冷空調系統中比較常用，為改善其運行狀態，可以就變頻控制系統進行優化設計，來解決機組能效低問題。

一、水冷螺桿式機組變流量性能分析

水冷螺桿式機組容量的調節方式一般為滑閥，部分機型還會采用多機頭設計方法，來滿足系統容量無極調節需求。在實際應用中如果水系統容量發生變動，機組運行效率可以在最小的范圍內變動，降低對機組運行穩定性的影響，且不會出現喘振問題。與離心式冷水機組相比，水冷螺桿式機組能夠調節的容量范圍更大，具有更大的靈活性。為滿足節能需求，對于水冷螺桿式機組的研究力度更大，以變頻控制技術最為突出。對變頻控制系統進行設計，并將其與傳統的滑閥調節方式進行對比，確保變頻控制系統能夠實現節能效果。

二、變頻節能技術原理分析

1 變頻改造的必要性

生活中應用到的輔助設備越來越多，對改善生活質量，提高生活水平具有重要作用。水冷螺桿式機組因其所具有的突出制冷效果，已經被廣泛地應用到空調系統中，且取得了良好的效果。從節能角度分析，為進一步提高其運行綜合效率，需要在現有基礎上對其進行適當的調整優化，如進行變頻改造。變頻節能技術水冷螺桿式機組中的應用，在保證其基礎功能正常運行的前提下，降低其運行能耗。

2 變頻節能技術

變頻技術的核心為變頻器，其作用對象為交流電機，能夠在對電機輸出頻率進行調整的同時，按照一定比例對輸出電壓進行調整，以此來改變電機轉速，達到對電機調速的目的。結合此項特點，來建立完善變頻控制系統，對水冷螺桿式機組運行狀態進行調整控制，使其能夠維持在良好的狀態，避免負荷不穩定而造成損耗增加。

三、水冷螺桿式機組變頻控制系統設計

1 變頻控制系統原理

利用變頻控制系統對水冷螺桿式機組運行容量進行調節，主要就是通過變頻器來對壓縮機轉速進行控制，使其始終維持在一個良好的運行狀態，達到節能的效果。其中，壓縮機運行特性為：

其中，n表示電機轉速，單位r/min；f表示電機電源頻率，單位Hz；P表示電機極對數；s表示電機轉差率；n0表示設計工況下電機轉速，單位r/min；n1表示實際工況下電機轉速，單位r/min；N0表示設計工況下電機消耗功率，單位kW；N1表示實際工況下電機消耗功率，單位kW。通過公式可以得出，電機電源頻率 f 主要受到電機轉速 n 影響，想要實現對電機轉速的控制，可以通過對電機頻率的調整來實現。同時，電機輸入功率變化率為轉速變化率的3次方，當減小電機轉速時，輸入功率同時會大幅度降低，進而能夠達到節能的目的。

2 系統功能分析

2.1 試驗分析

對于水冷螺桿式機組變頻控制系統進行設計后，為確保其控制效果優于傳統滑閥控制效果，需要就兩種方式進行對比測試，并結合對比結果中存在的不足進行完善，確保變頻控制系統具有較高的實用性。

2.2 試驗內容

選擇國內某知名品牌水冷雙螺桿式冷水機組為例，對其設置變頻器對水容量進行調節，確定其調節效果。在正式對機組進行變頻調節時，需要嚴格按照專業規范對冷凍水與冷卻水溫度進行調整，就100%、75%、50%、25%負荷率情況機組性能進行測試。對于采用滑閥調節的機組容量，同樣需要就4個負荷點來對機組運行狀態進行測試。以蒸發器和水冷冷凝器為例，蒸發器100%負荷出水溫度狀態時，測試數值為6.6；0%負荷出水溫度狀態測試數值為6.7；流量數值為0.042，污垢系數0.016。水冷冷凝器100%負荷出水溫度、75%負荷出水溫度、50%負荷出水溫度、25%負荷出水溫度不同狀態，測試數值分別為29.5、23.8、18.6與18.6，且設流量數值為0.005，污垢系數為0.046.

2.3 負荷性能測試

分別對機組滑閥機控制與變頻調節方式，就100%、75%、50%、25%負荷率情況機組性能進行測試，并對測試結果進行對比。通過對比可以得水冷螺桿式冷水機組，在75%以下負荷狀態時，變頻控制性能系數要遠遠高于滑閥控制。然后在機組持續運行狀態下，變頻器自身會產生一定的損耗，當達到滿負荷時，性能系數會比滑閥控制降低約5%，即證明如果機組需要長時間滿負荷運行，變頻控制方式自身并不比傳統滑閥控制方式具有優勢。同樣的在機組前期部分負荷運行時，變頻控制系統能夠對機組頻率進行調節，來降低壓縮機轉速，來滿足能耗降低的目的。綜合測試數據分析，變頻控制方式在前期部分負荷運行工況下具有比較明顯的節能效果，尤其是在25%運行負荷時，效果最為明顯。

2.4 測試結果分析

通過對變頻控制與滑閥控制方式的對比，利用變頻控制系統對水冷螺桿式機組運行容量進行調節，具有更高的節能效果，且操作上更便捷準確，只需要通過調整電機頻率便可以實現排量的控制。并且在變頻控制系統的設計中，電氣設計比較簡單，可以減少接觸器、欠電壓保護、熱繼電器等元件的使用，整個系統運行具有更高的運行穩定性。另外，變頻控制系統對電機的控制方式為軟啟動，啟動電流比較小，對電機產生的沖擊力小，降低機組運行時電機自身的損耗，確保其能夠長期處于較高的運行效率。為提高水冷螺桿式機組變頻控制系統運用效果，要避免應用到長時間滿負荷運行的系統，通過調節使得機組可以維持在低負荷運行狀態，具有更高的經濟效益。避免機組長時間滿負荷運行，因為變頻器自身能耗，導致整個機組運行能耗增加。

四、水冷螺桿機組冷卻水系統變頻節能控制

水冷機主要包括制冷機循環系統、冷水循環系統與冷卻水循環系統三部分，三部分循環運行，將室內熱量通過冷水、蒸發器、壓縮機、冷卻水以及冷卻塔等多個環節進行處理。室內溫度變化時，由室內向大氣環境中熱量的傳遞由制冷系統來完成，這樣在設計變頻控制系統時，只需要重點研究冷水系統、制冷劑系統與冷卻水系統的工作狀態即可，提高其運行效率。

進行變頻系統控制，本質上也就是改變水泵轉速，然后對冷卻水流量進行調整。機組在水系統阻力一定的情況下，降低水泵轉速后，會造成水泵揚程與流量同時降低。并且因為輸入功率與揚程、流量乘積為正比關系，相應地也會造成輸入功率降低。這樣就可以采用降低水泵轉速的方式來降低水泵流量與揚程，達到節能的目的。一般情況下我們會選擇配備一臺變頻器，利用變頻器來對水泵電機運行狀態進行調整控制，使其始終維持良好的運行。

想要控制水泵轉速，針對水冷螺桿機組運行特點，需要利用變頻控制系統對壓縮機蒸發溫度與冷凝溫度進行控制，使其保持在一定范圍內。因為如果蒸發量過低，便會導致壓縮機冷凍油最終溶解到制冷劑內，造成壓縮機組軸承缺油，影響機組的正常運行。而如果冷凝溫度過高時，會造成壓縮機負載過大，且因電機轉子與定子磁勢平衡使得壓縮機輸入電流增大，影響機組的正常運行，造成運行損耗增加。在對水冷螺桿式機組進行變頻設計時，可以搭配機組，在原有基礎上設置變頻器，確保水泵電機工作頻率能夠隨著冷凝器溫度變化而變化。

結語

水冷螺桿式機組容量調節方式主要為滑閥，且機組運行特點決定了其容量可以在10%～100%范圍內連續調節。針對此特點，想要進一步提高機組運行綜合效率，降低運行產生的能耗，就可以對變頻控制系統進行設計，利用變頻器對機組電機運行速率進行控制，降低輸入功率，來達到節能的目的。雖然變頻控制系統在水冷螺桿式機組中的運用，可以起到一定的節能效果，但是還需要針對滿負荷運行時，變頻器自身損耗問題做更進一步的研究。

參考文獻

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［3］鄒江，張霞，王韜.螺桿式空壓機變頻節能改造［J］.機械制造與自動化，2015 （06）：88-90.

中圖分類號：TB652

文獻標識碼：A