变频技术在离心式冷水机组上的应用
母张伟
（约克（中国）商贸有限公司上海，２０００６０）
摘要：本文介绍了离心式冷水机组部分负荷的控制原理，特别介绍了约克变频驱动装置（ＶＳＤ）应用于离心式冷水机组的控制原理，对变频装置的节能特性进行了分析，并介绍了变频装置的诸多特点。
关键词：变频驱动装置（ＶＳＤ）；离心式冷水机组；节能
０前言
江森自控公司所属的约克早在上世纪七十年代就开始了变频技术应用干离心式冷水机组的研究，终于在１９７９年推出了由约克设计，由ＢｏｒｇＷａｍｅｒＥＬｅｃ—ｔｒｏｎｉｃｓ制造的第一代用于离心式冷水机组的速度调节装置（Ｔｕｒｂｏ—Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）。当时由于工艺，设备体积大，价格昂贵，应用较少。随着电子技术的不断发展，逆变器（ｉｎｖｅｒｔｅｒ）的实际尺寸越来越小，制造成本也大幅降低，可靠性不断提高，这给变频驱动装置（ＶＳＤ）广泛应用于离心式冷水机组带了一个巨大的契机。
目前约克ＯｐｉｔＳｐｅｅｄ。Ｍ变频驱动装置（ＶＳＤ）可应用于冷量范围从６００ＴＲ到ｌ１００ＴＲ的离心式冷水机组，可适用于４６０Ｖ／６０Ｈｚ及３８０Ｖ／５０Ｈｚ的电源电机。可安装在新出厂的离心机上如图ｌ，也可用于改造原有的离心机。凭借其高效节能等诸多特点，迄今为止约克已经有超过６０００台ｏｐｉｔＳｐｅｅｄＴＭ变频驱动装置（ＶＳＤ）应
图ｌ；贿ｑ蟠旷变频驻黼（ｖ∞）白喃ｂ撇机组
作者简介：张伟，（１９８２一），另，约克（中国）商贸有限公司中国区战略项目部工程师。
收稿日期：２∞８年５月２９日用于世界各地的离心式冷水机组，其中强生，ＩＢＭ，杜邦、３Ｍ、香格里拉大酒店、上海Ｆｌ赛车场等国内外知名企业都相继采用了约克ＯｐｉｔＳｐｅｅｄⅢ变频驱动装置（ＶＳＤ）。在变频驱动控制装置的设计、制造及维修方面，约克有着其他任何对手无法相比的丰富经验及绝对优势。
１离心式冷水机组部分负荷调节方式
离心式压缩机是一种固定压头，变流量的压缩机。单级离心式压缩机靠电机通过增速齿轮带动叶轮高速旋转，由此产生的离心力提升制冷机气体的速度，然后通过扩压室，并在其中完成由动能向压力能的转化。压缩机的最大压头取决于压缩机叶轮的最大线速度。离心式压缩机的部分负荷调节可以通过调节导流叶片（ＰＲＶ）或者改变压缩机转速来实现。
１．１导流叶片（ＰＲＶ）控制
固定转速的离心机通过导流叶片（ＰＲＶ）的作用可以使压缩机在最大压头下的运行范围增加。当压缩机在系统低负荷运行时，导流叶片（ＰＲＶ）开始关闭，使机组稳定运行，平稳卸载到较小的负荷。直到导流叶片（ＰＲＶ）完全关闭，机组发生喘振，这时的负荷就是机组允许的最小负荷。
图２是一款离心式压缩机的运行曲线图。从图２可知，没有设置导流叶片（ＰＲＶ）的压缩机组在７５％负荷处会达到喘振点，增加了导流叶片（ＰＲＶ）控制后，机组的运行范围可从原来的７５％～１００％扩大到２０％一１００％，大大扩展了机组部分负荷运行范围。
１．２转速控制
对于一般的民用空调项目，由于室内空调负荷受室外气温的影响很大，室外温度高，空调负荷大，室外温度低，空调负荷小。而根据美国空调和制冷学会
（ＡＲＩ）出版的Ｓｔａｎｄａｒｄ５５０／５９０—２００３中规定，一般２００８年第１２期变频技术在离心式冷水机组上的应用
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图２导流叶片控制压缩机运行曲线图
空调系统只有约１％的时间是运行在满负荷设计工况，而另外９９％的时间都是运行在低冷却水温的部分负荷工况ｌ。当机组运行在部分负荷时，由于室外温度的降低，机组的冷却水温也会相应降低，再加上空调负荷下降，因此机组的压头（冷凝压力与蒸发压力之间的压力差）会有很大下降，如图３所示。这时，可以采用另一种控制离心式压缩机部分负荷的方法：控制转速。通过变速控制，将压缩机的转速降低，不但能使机组稳定运行于部分负荷，更能大大降低功耗。其原理如下：
图３离心式冷水机组压焓图
ＢＨＰ＝ＦＬＯＷ＋ＨＥＡＤ／ＥＦＦ
式中：ＢＨＰ一压缩机功耗
ＨＥＡＤ一压缩机压头
ＥＦＦ一压缩机效率
对于离心式压缩机而言，
ＦＬＯＷｍ（ＲＰＭ）１
ＨＥＡＤ＊（ＲＰＭ）２
因此：ＢＨＰ＊（ＲＰＭ）３
从理论上讲，离心式压缩机的功耗与其转速的三次方成正比，当转速降低时，功耗将急剧下降。目前大部分应用场合下均采用电子变频器来控制电机供电频率，达到控制压缩机转速的目的。下表ｌ中显示了不同转速时压缩机功耗情况。由此可知，通过降低转速可带来很好的节能效果。
表ｌ转速与功耗的关系
压缩机转速％压缩机功耗％节能％
ｌｏｏ１０００
９０７２．９２７．１
８０５１．２４８．８
７０３４．３６３．７
速度控制的缺点在于机组的卸载范围较小。以同一款离心式压缩机为例，如图４可知，由在较低负荷（约低于６０％）时，如果保持导流叶片（ＰＲＶ）开度，只靠调节离心式压缩机转速来控制部分负荷，机组会产生喘振。
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２约克ｏｐｉｔｓｐｅｅｄⅢ变频驱动装置（Ｖ∞）原理及节能分析
２．１Ｏｐｉｔｓｐｅｅｄ刑变频驱动装置（Ｖ∞）原理
上述介绍了离心武压缩机部分负荷的两种控制方式，两种控制方式各有利弊，导流叶片（ＰＲＶ）控制方式范围广，可是不节能，而转速控制则是节能
性好，但是运行范围比较窄。因此约克在开发变频装
２００８年第１２期变频技术在离心式冷水机组上的应用
图７上海气象资料
说还有超过９９％的时间冷水机组是在非额定工况下运行，我国其余地区气象资料也基本类似。这给Ｏｐｉｔ—ＳｐｅｅｄＴＭ变频驱动装置（ＶＳＤ）应用于离心式冷水机组能够节能提供了客观条件。
由上述可知，ＯｐｉｔＳｐｅｅｄⅢ变频驱动装置（ＶＳＤ）应用于离心式冷水机组能够节能主要是体现在非额定工况下，因此其节能可分为两种情况：部分负荷工况下的节能及低冷却水温下的节能。２．２．１部分负荷工况下的节能
由上述可知，冷水机组９９％以上的时间运行在部分负荷工况。通常，在部分负荷下，恒速离心机通过调节导流叶片开度来调节机组输出冷量，最高效率点通常在７０％一８０％负荷左右，负荷降低，单位冷量能耗增加较显著。而ＶＳＤ不断监测下列参数：冷冻水温度，冷冻水温度设定值，冷媒压力导流叶片开度和电机的转速。然后自适应容量控制逻辑定出有效的调节方法。它将优化电机转速和导流叶片（ＰＲＶ）的开度，使机组运行转速最小而效率最高，能耗达到最小。
以约克６００冷吨的离心机组为例，机组型号为ＹＫＣＥＣＥＱ７ＣＯＦ，采用约克自行开发ＹＯＲＫｗｏｒｋｓ选型软件（通过ＡＲＩ认证），在冷却水温度为２５℃时，
恒速离心式冷水机组和应用ＯｐｉｔＳｐｅｅｄＴＭ变频驱动装置（ＶＳＤ）的离心式冷水机组的运行参数如下表２所示，相应的曲线图如图８，图９。
从图表可以看出，在部分负荷的情况下，在１００％负荷下，变频离心机组反而比相同型号的恒速机组能效比差，这主要时变频驱动装置本省耗能的关系，但是在其余部分负荷下，变频机组的单位制冷量的能耗都要低很多。而且９９％的时间机组都是运行在部分负荷下，因此使用变频机组无疑给用户节省了大量的电费。
２．２。２低于设计冷却水温下的节能
在夜间、过渡季节甚至是冬天机组运行时，冷却水的温度往往低于设计值。对于恒速机组，需要有
恒定的工作条件，即需要有恒定的蒸发压力和冷凝压
图８２５℃定冷却水工况下每冷吨功耗比较图
图９２５℃定冷却水工况下输入功率比较图
表２２５℃定冷却水工况下能效比较表
恒速机输入功率
变频机输入功率
恒速机单位功耗变频机单位功耗
制冷量（冷吨）
负荷百分比
节约电功率（ｋｗ）
（ｋＷ）
（ｋＷ）
（ｋｗ／冷吨）
（ｋｗ／冷吨）
１２０２０％９６７３２３Ｏ．８０００．６０８１８０
３０％１１９８１３８０．６６ｌ０．４５０２４０
４０％１４２１００４２０．５９２０．４１７３００５０％
１６６１２０４６０．５５３
０．４００３６０６毗
１９１１４３４８０．５３ｌ
０．３９７４２０
７０％２１７１６６５１０．５１７０．３９５４８０
８０％２４５１９７４８０．５１０
Ｏ．４１０５４０９０％２７３２７３
ＯＯ．５０６０．５０６
６００
１００％
３０６
３２ｌ—１５
０．５ｌＯ
Ｏ．５３５
薯役斛技
总第１２５期
表３变冷却水温工况能耗比较表
负荷百分比
冷却水温度
恒速机输入功变频机输入功节约电功率
恒速机单位功变频机单位功（％）
制冷量（冷吨）
（℃）
率（ｋｗ）
率（ｋｗ）
（ｋＷ）
耗（ｋｗ／冷吨）
耗（ｋｗ／冷吨）
７０％
４２０
１６１９７１２７７００．４６９０．３０２
７似
４２０
１８２０５
１４２６３
Ｏ．４８８
０．３３８
７０％４２０２０２１４
１５６曾ｍ
５８
７
０．５１００．３７ｌ７０％４２０
２４２３３１８８
ｈ
１－４５
Ｏ．５５５０．４４８７０％
４２０
２８２５５２３３２２０．６０７０．５５５７０％
４２０
３０２６８２４４
２４０．６３８０．５８１
７毗
４２０
３２
２８２
２７０
１２
Ｏ．６７１
０．６４３
力。但冷却水温度降低后，必然使得冷凝压力相应地降低，此时，为了满足离心压缩机的工作条件，只有通过关小导流叶片（ＰＲＶ），减小吸气量，从而调整离心压缩机的工作点，以适应更低的冷凝压力。但以上调节却可能降低机组的效率，无端地消耗了更多的能量。而使用变频调速后，则可以通过调整压缩机的转速，以适应冷凝温度的变化，最大限度地利用低冷却水温的节能效应，达到节能的目的。
同样以６００冷吨离心机组为例，采用约克自行开发ＹＯＲＫＷｏｒｋｓ选型软件（通过ＡＲＩ认证），在７０％负荷时，不同冷凝温度下，恒速机和变频机的运行参数如下表３所示，相应的曲线图如图１０，图１ｌ。
图表表明，在低于设计冷却水温下，使用变频驱动装置有非常明显的节能效果，冷却温度越低，节能效果越显著，当负荷减小时，这个效果还更加明显。对于在过渡季节甚至冬天使用的机组来说，安装变频器动装置的优越性是非常明显的。
数据表明，带ＶＳＤ变频驱动装置的离心式冷水
机组相比常规恒速离心式冷水机组在非额定设计工况下有着明显的节能优势，为了更加直观感性的表现其节能优势。美国空调与制冷学会（ＡＲＩ）在Ｓｔａｎ—ｄａｒｄ５５０／５９０一２００３中提议提出了部分负荷非标值
图１０变冷却水温工况下每冷吨功耗比较图
（ＮＰＬＶ）来衡量机组的部分负荷性能ｌ。该计算公式如下：
１
ＮＰＬＶ
５诹］赢÷瓦１丽
Ａ
Ｂ
Ｃ
Ｄ
式中Ａ：１００％负荷下单位冷吨能耗ｋＷ／冷吨（冷却水进水温度为设计工况）
Ｂ：７５％负荷下单位冷吨能耗ｋＷ／冷吨（冷却水进水温度为１００％与５０％工况的平均值）
Ｃ：２５％负荷下单位冷吨能耗ｋｗ／冷吨（冷却水进水温度为６５。Ｆ／１８．３℃）
Ｄ：２５％负荷下单位冷吨能耗ｋＷ／冷吨（冷却水
进水温度为６５６Ｆ／１８．３℃）
根据上述计算公式，我们同样采用上述６００冷吨离心式冷水机组，采用约克自行开发ＹＯＲＫＷｏｒｋｓ
选型软件（通过Ａ
Ｒ
Ｉ认证），冷却水设计进水温度为
３２℃，恒速机和变频机的ＮＰＬＶ值如下表４所示：
由上述计算可知，带ＯｐｉｔＳｐｅｅｄＴＭ变频驱动装置（ＶＳＤ）的离心式冷水机组与常规恒速离心式冷水机组的ＮＰＬＶ值分别为０．３８２ｋＷ／冷吨和０．５６３ｋＷ／冷吨，变频机组相对提高部分负荷能效约３２％。因此在节能方面，带变频装置的离心式冷水机组相对恒速离
图１
ｌ变冷却水温工况下输入功率比较图
２００８年第１２期
变频技术在离心式冷水机组上的应用
表４部分负荷非标值（ＮＰＬＶ）比较表
负荷百分比
冷却水温度
恒速机单位功变频机单位功恒速机ＮＰＬＶ变频机ＮＰＬＶ（％）
制冷量（冷吨）
（。Ｃ）
耗（ｋｗ／冷吨）
耗（ｋｗ／冷吨）
（ｋＷ／冷吨）
（ｋｗ／冷吨）
１００％６００３２０．６５５
Ｏ．６８７
７５％４５０２５．２
０．５６２
Ｏ．４７８
Ｏ．５６４
Ｏ．３８２
５０％３００
１８．３Ｏ．５３１Ｏ．３２
２５％
１５０
１８。３
０．７２
０．３８７
心机组有着无可比拟的优势。
约克变频离心机几千个工程的应用表明：变频
离心机节能显著，与恒速离心机相比，同样冷量的
机组，使用变频离心机，年运行费用节省１５～２５％左右。节约能耗的间接影响就是减少了电煤的消耗，既等于减少了二氧化碳等温室气体的排放。据概算，约克超过６０００台带ＯｐｉｔＳｐｅｅｄｌＭ变频驱动装置（ＶＳＤ）的离心式冷水机组的应用，每年可减少二氧化碳排放４０万吨。
３
ｏｐｉｔｓｐｅｅｄＴＭ变频驱动装置（ＶｓＤ）特点介绍
３．１非额定工况机组性能好。节省能耗
由上面分析可知，离心式机组将近９９％的时间运行在非额定工况，配置ＯｐｉｔＳｐｅｅｄＴＭ变频驱动装置（ＶＳＤ）的离心式冷水机组每年可节能１５～２５％的能源。从而可节约用户大量的运行费用。３．２避开喘振点，提高机组可靠性
配置ｏｐｉｔＳｐｅｅｄ１Ｍ变频驱动装置（ＶＳＤ）的离心式冷水机组在低负荷状态运行时，依靠ＶＳＤ装置自带的白适应控制可同时调节导流叶片开度和电机转速，调节机组运行状态，可控制离心机组迅速避开喘振点，
避免喘振对机组的伤害，确保机组运行安全。
负荷电流，从而减少对电网的冲击。这个优势不仅省掉了启动柜的费用，而且减少了启动装置的冲击和磨损，延长了驱动装置的寿命，对电网的冲击最小。
３．４部分负荷低转速运行
约克配置ＯｐｉｔＳｐｅｅｄＴＭ变频驱动装置（ＶＳＤ）的离心式冷水机组大部分时间运行在部分负荷工况，低转速运行，降低了电机噪音，且降低冷媒的排气速度，气流噪音降低。约克３００ＴＲ冷水机组现场测试的结果表明：３０％负荷状态下运行时，带ＶＳＤ变频装置的离心机组的噪音相比恒速离心机组降低８ｄＢＡ。因电机转速的降低，使得电机和压缩机的运转部件的磨损减少，运行寿命延长。３．５直接安装，节省费用
常规恒速离心机的星三角启动器单独安装在机房地面，通常需配备控制变压器、电流表及电压表等，需现场安装接线。而变频离心机不需要另外的启动器
等电器设备，其驱动装置可由工厂直接安装在机组
上，不需现场接线，节省机房面积，节省安装费用。
３．３实现电机软启动
配置ＯｐｉｔＳｐｅｅｄＴＭ变频驱动装置（ＶＳＤ）的离心式冷水机组在电机启动时，从ｌＨｚ开始，逐渐增加，电机的启动扭矩很大，但启动电流最小，不超过机组的满负荷工作电流（ＦＬＡ）。ＶＳＤ与星一三角启动电流的对比见图１３。从图中可以看出，使用传统的星一三角启动期有两个问题，第一是星一三角切换过程中对电机有冲击，第二是机组的启动电流较大，大约为满图１３ｖｓＤ与星一三角启动器冲击电流值比较
载电流的２—３倍。使用ＶＳＤ变频装置首先可以去除切换的过程；其次可以大大降低启动电流，使之小于满
（下转第９６页）
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