電制冷中央空調(diào)主機(jī)工廠配電選型與整定分析

摘 要：通過分析電制冷中央空調(diào)主機(jī)壓縮機(jī)電機(jī)的選型要求及電機(jī)的起動(dòng)特性，闡述了用戶現(xiàn)場(chǎng)配電系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)的原則與配電線路保護(hù)參數(shù)整定的方法。

關(guān)鍵詞：電制冷中央空調(diào)主機(jī);壓縮機(jī)電機(jī);開關(guān)器件;起動(dòng)方式;保護(hù)參數(shù)

0 ? ?引言

近年來(lái)，筆者在市場(chǎng)調(diào)研和項(xiàng)目跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)，電制冷中央空調(diào)主機(jī)配電系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)和配電線路保護(hù)整定方面出現(xiàn)的一些問題給客戶帶來(lái)了諸多不便，甚至電制冷中央空調(diào)主機(jī)就位后需要變更配電設(shè)施類型或擴(kuò)大配電容量才能夠投運(yùn)電制冷中央空調(diào)主機(jī)。出現(xiàn)這種情況大多是因?yàn)闆]有考慮電制冷中央空調(diào)主機(jī)的壓縮機(jī)電機(jī)選型要求和壓縮機(jī)電機(jī)的起動(dòng)電流特性。因此，研究壓縮機(jī)電機(jī)的選型要求與起動(dòng)電流特性對(duì)提高電制冷中央空調(diào)主機(jī)的投運(yùn)效率具有十分重要的意義。

1 ?數(shù)據(jù)中心機(jī)房空調(diào)負(fù)荷特征

電制冷中央空調(diào)系統(tǒng)由冷（熱）源系統(tǒng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。冷（熱）源系統(tǒng)為空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供所需的冷（熱）量，用以抵消使用環(huán)境的熱（冷）負(fù)荷。

電制冷中央空調(diào)主機(jī)為整個(gè)電制冷中央空調(diào)系統(tǒng)的核心單元，由壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的電機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、經(jīng)濟(jì)器、節(jié)流裝置等部件組成，如圖1所示。

2 ?電制冷中央空調(diào)主機(jī)壓縮機(jī)電機(jī)的選型

2.1 ?電制冷中央空調(diào)主機(jī)離心式壓縮機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)選型要求

離心式壓縮機(jī)電機(jī)的選型除了要考慮壓縮機(jī)功率消耗的最大需求外，還要考慮壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)負(fù)載的輕重程度。從電機(jī)自身的角度看，其既需要滿足運(yùn)行轉(zhuǎn)矩要求，又要有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。通常離心式壓縮機(jī)配套的電機(jī)的功率容量為壓縮機(jī)額定工況下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)消耗功率的110%～120%。有時(shí)為了保證在特殊的空調(diào)系統(tǒng)工況下（如冷凍水或冷卻水水溫比較高時(shí)）電機(jī)能夠平穩(wěn)起動(dòng)，需要提高電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)容量也需要適當(dāng)增加。

2.2 ?電制冷中央空調(diào)主機(jī)螺桿式壓縮機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)選型要求

螺桿式壓縮機(jī)電機(jī)的選型除了要考慮壓縮機(jī)功率消耗需求外，還要考慮螺桿式壓縮機(jī)自身的負(fù)載特性和壓縮機(jī)起動(dòng)時(shí)空調(diào)系統(tǒng)工況的惡劣程度。一般螺桿式壓縮機(jī)電機(jī)的容量為壓縮機(jī)額定工況下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗需求的120%～150%。起動(dòng)和運(yùn)行工況惡劣時(shí)，為了能夠順利起動(dòng)電機(jī)，確保電機(jī)壽命且快速達(dá)到中央空調(diào)主機(jī)設(shè)定的目標(biāo)溫度，所配置的電機(jī)容量可能要超過壓縮機(jī)額定工況下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗需求的150%。

3 ?常用電機(jī)起動(dòng)方式及起動(dòng)特性說(shuō)明

按照市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)律，考慮到經(jīng)濟(jì)性，中壓電機(jī)一般選擇直接（全壓）起動(dòng)方式（用戶配電容量足夠的前提下），低壓電機(jī)一般選擇星三角起動(dòng)方式。隨著能源管理行業(yè)的發(fā)展和人們節(jié)約能源意識(shí)的提高，越來(lái)越多的用戶選用了在中央空調(diào)主機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)更節(jié)能的變頻器起動(dòng)（驅(qū)動(dòng)）電機(jī)方式。本文主要對(duì)中壓直接起動(dòng)、低壓星三角起動(dòng)和低壓變頻起動(dòng)（驅(qū)動(dòng)）方式的起動(dòng)特性進(jìn)行闡述。

3.1 ?中壓直接起動(dòng)

中壓電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，電機(jī)在額定電壓下起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)間短，但是起動(dòng)電流峰值高，起動(dòng)電流大。

測(cè)試1臺(tái)額定電壓10 kV、額定頻率50 Hz、額定功率420 kW的離心式壓縮機(jī)電機(jī)的起動(dòng)過程。起動(dòng)電流曲線和數(shù)據(jù)表明，該電機(jī)在當(dāng)時(shí)的用戶工況下直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)峰值電流是額定電流的14倍左右，起動(dòng)過程前兩個(gè)周期的電流有效值為額定電流的6.65倍左右，開始起動(dòng)至起動(dòng)過程結(jié)束，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行的過程大約持續(xù)了1.4 s。如圖2所示。

3.2 ?低壓星三角（Y-D）起動(dòng)

以額定電壓380 V異步電機(jī)星三角起動(dòng)過程為例，在星形起動(dòng)時(shí)，定子線圈電壓降低到額定電壓的1/√3，起動(dòng)電流理論上會(huì)降至全壓起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流的1/3，由于加到線圈上的電壓降低，起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩也會(huì)降低。設(shè)計(jì)選型時(shí)需要確保電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大，以便電機(jī)在定子星形接法運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子可以快速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。電機(jī)星形運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后（此時(shí)運(yùn)行電流會(huì)降到電機(jī)額定電流以下），進(jìn)行定子線圈星形和角形接法的切換。星形和角形切換時(shí)的沖擊電流峰值要遠(yuǎn)大于星形起動(dòng)時(shí)的電流峰值，此時(shí)的峰值電流容易引起電氣保護(hù)裝置動(dòng)作。另外，如果星形起動(dòng)后電機(jī)達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速就進(jìn)行星形和角形的切換，切換電流峰值會(huì)更大，切換后電流下降時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，電機(jī)溫升會(huì)更高。

測(cè)試1臺(tái)額定電壓380 V、額定頻率50 Hz、額定功率220 kW的離心式壓縮機(jī)電機(jī)的起動(dòng)過程。起動(dòng)電流曲線和數(shù)據(jù)表明，該電機(jī)在當(dāng)時(shí)的用戶工況下星形起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)峰值電流是額定電流的4.2倍左右，星形起動(dòng)過程前兩個(gè)周期的電流有效值為額定電流的2.2倍左右，起動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速的過程大約持續(xù)了7.6 s。電機(jī)定子線圈星形和角形接法切換時(shí)，切換峰值電流是額定電流的11.4倍左右，前兩個(gè)周期的電流有效值為額定電流的4.7倍左右，開始切換至電流下降到穩(wěn)定運(yùn)行電流時(shí)的過程大約持續(xù)了0.4 s。如圖3所示。

3.3 ?低壓變頻驅(qū)動(dòng)

變頻器在電制冷中央空調(diào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用主要有兩個(gè)比較突出的特點(diǎn)：

（1）在中央空調(diào)主機(jī)部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，降低了電機(jī)運(yùn)行頻率、轉(zhuǎn)速，進(jìn)而減少機(jī)組電能消耗，達(dá)到節(jié)能的目的;

（2）驅(qū)動(dòng)高額定頻率（適配的電機(jī)額定頻率在150～400 Hz）的電機(jī)，在這種情況下，電機(jī)軸和壓縮機(jī)葉輪軸轉(zhuǎn)數(shù)相同，行業(yè)內(nèi)通常稱被驅(qū)動(dòng)的機(jī)組為直驅(qū)機(jī)組（電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪），由于取消了增速齒輪，故對(duì)機(jī)組來(lái)說(shuō)減少了齒輪箱的能量損耗。

另外，應(yīng)用變頻驅(qū)動(dòng)的中央空調(diào)機(jī)組，電機(jī)的起動(dòng)過程電流不會(huì)超過額定電流。原因在于變頻器驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，一般變頻器對(duì)電機(jī)的輸出電壓和輸出頻率的比值固定，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子的速度慢，在保證合適的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩前提下，起動(dòng)電流比較小。

測(cè)試1臺(tái)額定電壓400 V、額定頻率50 Hz、額定功率1 000 kW的離心式壓縮機(jī)電機(jī)的起動(dòng)過程。起動(dòng)電流曲線和數(shù)據(jù)表明，該電機(jī)在當(dāng)時(shí)的用戶工況下使用變頻器起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)峰值電流非常小，起動(dòng)過程電流基本平滑上升，起動(dòng)過程（頻率由0 Hz上升到額定頻率50 Hz的過程）持續(xù)的時(shí)間在60 s左右，電流未超過額定電流。如圖4所示。

4 ?適用電制冷中央空調(diào)主機(jī)的工廠配電柜的選型與整定分析

4.1 ?低壓配電柜保護(hù)器件選型原則

低壓配電柜保護(hù)器件最常用的就是斷路器，本文只闡述斷路器的選型原則。

在設(shè)計(jì)選型中央空調(diào)主機(jī)配電柜時(shí)，首先需要參照本文2.1～2.2內(nèi)容，確定配電柜下負(fù)載的類型，結(jié)合機(jī)組的工況電流和電機(jī)銘牌的標(biāo)稱額定電流確定斷路器的容量。接下來(lái)還要參照本文3.1～3.3內(nèi)容，確定電機(jī)的起動(dòng)方式所對(duì)應(yīng)的起動(dòng)曲線特性，檢查斷路器整定范圍，要求選出的斷路器既能躲過中央空調(diào)主機(jī)起動(dòng)過程的電流，不會(huì)誤動(dòng)作，又可以在負(fù)載設(shè)備發(fā)生短路、過流、過載等故障時(shí)，起到保護(hù)作用。

4.2 ?中壓配電柜保護(hù)器件選型原則

關(guān)于中壓配電柜的保護(hù)器件，本文針對(duì)“真空斷路器+綜合保護(hù)器”的方案進(jìn)行選型說(shuō)明。真空斷路器選型時(shí)，滿足額定電壓、負(fù)載額定電流和額定短路分?jǐn)嗄芰Φ囊蠹纯伞?duì)于電流互感器的選型，在滿足測(cè)量等精度要求的前提下，盡量確保量程在負(fù)載額定電流的1.5～2倍。綜合保護(hù)器要求選擇電動(dòng)機(jī)保護(hù)型。如果選擇了線路保護(hù)型的綜合保護(hù)器，那么在整定時(shí)應(yīng)特別注意要躲過起動(dòng)電流（電動(dòng)機(jī)保護(hù)型的綜合保護(hù)器可以設(shè)定電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)一些整定投入的保護(hù)功能是退出的，起動(dòng)時(shí)間過后，原來(lái)整定投入的保護(hù)功能都將處于投入狀態(tài)）。

4.3 ?配電柜保護(hù)器件整定分析

整定原則：（1）配電柜保護(hù)器件整定時(shí)，要考慮電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間、起動(dòng)過程的峰值電流和電流下降時(shí)間等數(shù)據(jù)，并且要考慮可靠系數(shù);（2）在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮負(fù)載類型和起動(dòng)特性，設(shè)計(jì)合理的配電線路，保護(hù)器件整定要嚴(yán)格執(zhí)行階梯保護(hù)原則，當(dāng)發(fā)生電氣故障時(shí)，最先保護(hù)動(dòng)作（斷開供電線路）的應(yīng)該是離故障點(diǎn)最近的配電保護(hù)裝置，并且盡量不引起其他保護(hù)裝置的動(dòng)作。

5 ?結(jié)語(yǔ)

通過項(xiàng)目實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)在中央空調(diào)主機(jī)配電設(shè)計(jì)和整定時(shí)，時(shí)有考慮片面、忽略設(shè)備起動(dòng)特性的情況。本文主要從中央空調(diào)主機(jī)壓縮機(jī)電機(jī)選型原則以及電機(jī)在不同起動(dòng)方式時(shí)的起動(dòng)曲線特性方面入手，闡述了配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和選型的方法，希望對(duì)電制冷中央空調(diào)項(xiàng)目的配電選型和保護(hù)整定過程有所幫助。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)：全2冊(cè)[M].4版.北京：中國(guó)電力出版社，2016.

收稿日期：2021-03-10

作者簡(jiǎn)介：張旭昀（1983—），男，河北張家口人，工程師，研究方向：中央空調(diào)機(jī)組的控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。