摘 要：通過分析電制冷中央空調(diào)主機壓縮機電機的選型要求及電機的起動特性，闡述了用戶現(xiàn)場配電系統(tǒng)選型設計的原則與配電線路保護參數(shù)整定的方法。

關鍵詞：電制冷中央空調(diào)主機;壓縮機電機;開關器件;起動方式;保護參數(shù)

0 ? ?引言

近年來，筆者在市場調(diào)研和項目跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)，電制冷中央空調(diào)主機配電系統(tǒng)選型設計和配電線路保護整定方面出現(xiàn)的一些問題給客戶帶來了諸多不便，甚至電制冷中央空調(diào)主機就位后需要變更配電設施類型或擴大配電容量才能夠投運電制冷中央空調(diào)主機。出現(xiàn)這種情況大多是因為沒有考慮電制冷中央空調(diào)主機的壓縮機電機選型要求和壓縮機電機的起動電流特性。因此，研究壓縮機電機的選型要求與起動電流特性對提高電制冷中央空調(diào)主機的投運效率具有十分重要的意義。

1 ?數(shù)據(jù)中心機房空調(diào)負荷特征

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）負荷。

電制冷中央空調(diào)主機為整個電制冷中央空調(diào)系統(tǒng)的核心單元，由壓縮機、驅動壓縮機的電機、蒸發(fā)器、冷凝器、經(jīng)濟器、節(jié)流裝置等部件組成，如圖1所示。

2 ?電制冷中央空調(diào)主機壓縮機電機的選型

2.1 ?電制冷中央空調(diào)主機離心式壓縮機電機設計選型要求

離心式壓縮機電機的選型除了要考慮壓縮機功率消耗的最大需求外，還要考慮壓縮機起動時負載的輕重程度。從電機自身的角度看，其既需要滿足運行轉矩要求，又要有足夠的起動轉矩。通常離心式壓縮機配套的電機的功率容量為壓縮機額定工況下滿負荷運行時消耗功率的110%～120%。有時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）電機能夠平穩(wěn)起動，需要提高電機的起動轉矩，電機容量也需要適當增加。

2.2 ?電制冷中央空調(diào)主機螺桿式壓縮機電機設計選型要求

螺桿式壓縮機電機的選型除了要考慮壓縮機功率消耗需求外，還要考慮螺桿式壓縮機自身的負載特性和壓縮機起動時空調(diào)系統(tǒng)工況的惡劣程度。一般螺桿式壓縮機電機的容量為壓縮機額定工況下滿負荷運行時能耗需求的120%～150%。起動和運行工況惡劣時，為了能夠順利起動電機，確保電機壽命且快速達到中央空調(diào)主機設定的目標溫度，所配置的電機容量可能要超過壓縮機額定工況下滿負荷運行時能耗需求的150%。

3 ?常用電機起動方式及起動特性說明

按照市場應用規(guī)律，考慮到經(jīng)濟性，中壓電機一般選擇直接（全壓）起動方式（用戶配電容量足夠的前提下），低壓電機一般選擇星三角起動方式。隨著能源管理行業(yè)的發(fā)展和人們節(jié)約能源意識的提高，越來越多的用戶選用了在中央空調(diào)主機部分負荷運行時更節(jié)能的變頻器起動（驅動）電機方式。本文主要對中壓直接起動、低壓星三角起動和低壓變頻起動（驅動）方式的起動特性進行闡述。

3.1 ?中壓直接起動

中壓電機直接起動時，電機在額定電壓下起動，起動轉矩大，起動時間短，但是起動電流峰值高，起動電流大。

測試1臺額定電壓10 kV、額定頻率50 Hz、額定功率420 kW的離心式壓縮機電機的起動過程。起動電流曲線和數(shù)據(jù)表明，該電機在當時的用戶工況下直接起動時，起動峰值電流是額定電流的14倍左右，起動過程前兩個周期的電流有效值為額定電流的6.65倍左右，開始起動至起動過程結束，電機轉速達到額定轉速穩(wěn)定運行的過程大約持續(xù)了1.4 s。如圖2所示。

3.2 ?低壓星三角（Y-D）起動

以額定電壓380 V異步電機星三角起動過程為例，在星形起動時，定子線圈電壓降低到額定電壓的1/√3，起動電流理論上會降至全壓起動時起動電流的1/3，由于加到線圈上的電壓降低，起動時的轉矩也會降低。設計選型時需要確保電機的起動轉矩足夠大，以便電機在定子星形接法運行過程中，轉子可以快速達到額定轉速。電機星形運行過程中，轉速達到額定轉速后（此時運行電流會降到電機額定電流以下），進行定子線圈星形和角形接法的切換。星形和角形切換時的沖擊電流峰值要遠大于星形起動時的電流峰值，此時的峰值電流容易引起電氣保護裝置動作。另外，如果星形起動后電機達不到額定轉速就進行星形和角形的切換，切換電流峰值會更大，切換后電流下降時間會更長，電機溫升會更高。

測試1臺額定電壓380 V、額定頻率50 Hz、額定功率220 kW的離心式壓縮機電機的起動過程。起動電流曲線和數(shù)據(jù)表明，該電機在當時的用戶工況下星形起動時，起動峰值電流是額定電流的4.2倍左右，星形起動過程前兩個周期的電流有效值為額定電流的2.2倍左右，起動至額定轉速的過程大約持續(xù)了7.6 s。電機定子線圈星形和角形接法切換時，切換峰值電流是額定電流的11.4倍左右，前兩個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)定運行電流時的過程大約持續(xù)了0.4 s。如圖3所示。

3.3 ?低壓變頻驅動

變頻器在電制冷中央空調(diào)電機驅動上的應用主要有兩個比較突出的特點：

（1）在中央空調(diào)主機部分負荷運行時，降低了電機運行頻率、轉速，進而減少機組電能消耗，達到節(jié)能的目的;

（2）驅動高額定頻率（適配的電機額定頻率在150～400 Hz）的電機，在這種情況下，電機軸和壓縮機葉輪軸轉數(shù)相同，行業(yè)內(nèi)通常稱被驅動的機組為直驅機組（電機直接驅動壓縮機葉輪），由于取消了增速齒輪，故對機組來說減少了齒輪箱的能量損耗。

另外，應用變頻驅動的中央空調(diào)機組，電機的起動過程電流不會超過額定電流。原因在于變頻器驅動離心式壓縮機電機起動時，一般變頻器對電機的輸出電壓和輸出頻率的比值固定，定子產(chǎn)生的旋轉磁場切割轉子的速度慢，在保證合適的起動轉矩前提下，起動電流比較小。

測試1臺額定電壓400 V、額定頻率50 Hz、額定功率1 000 kW的離心式壓縮機電機的起動過程。起動電流曲線和數(shù)據(jù)表明，該電機在當時的用戶工況下使用變頻器起動時，起動峰值電流非常小，起動過程電流基本平滑上升，起動過程（頻率由0 Hz上升到額定頻率50 Hz的過程）持續(xù)的時間在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)主機的工廠配電柜的選型與整定分析

4.1 ?低壓配電柜保護器件選型原則

低壓配電柜保護器件最常用的就是斷路器，本文只闡述斷路器的選型原則。

在設計選型中央空調(diào)主機配電柜時，首先需要參照本文2.1～2.2內(nèi)容，確定配電柜下負載的類型，結合機組的工況電流和電機銘牌的標稱額定電流確定斷路器的容量。接下來還要參照本文3.1～3.3內(nèi)容，確定電機的起動方式所對應的起動曲線特性，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)主機起動過程的電流，不會誤動作，又可以在負載設備發(fā)生短路、過流、過載等故障時，起到保護作用。

4.2 ?中壓配電柜保護器件選型原則

關于中壓配電柜的保護器件，本文針對“真空斷路器+綜合保護器”的方案進行選型說明。真空斷路器選型時，滿足額定電壓、負載額定電流和額定短路分斷能力的要求即可。對于電流互感器的選型，在滿足測量等精度要求的前提下，盡量確保量程在負載額定電流的1.5～2倍。綜合保護器要求選擇電動機保護型。如果選擇了線路保護型的綜合保護器，那么在整定時應特別注意要躲過起動電流（電動機保護型的綜合保護器可以設定電機的起動時間，在這個時間內(nèi)一些整定投入的保護功能是退出的，起動時間過后，原來整定投入的保護功能都將處于投入狀態(tài)）。

4.3 ?配電柜保護器件整定分析

整定原則：（1）配電柜保護器件整定時，要考慮電機的起動時間、起動過程的峰值電流和電流下降時間等數(shù)據(jù)，并且要考慮可靠系數(shù);（2）在電路設計時，要考慮負載類型和起動特性，設計合理的配電線路，保護器件整定要嚴格執(zhí)行階梯保護原則，當發(fā)生電氣故障時，最先保護動作（斷開供電線路）的應該是離故障點最近的配電保護裝置，并且盡量不引起其他保護裝置的動作。

5 ?結語

通過項目實踐，筆者發(fā)現(xiàn)在中央空調(diào)主機配電設計和整定時，時有考慮片面、忽略設備起動特性的情況。本文主要從中央空調(diào)主機壓縮機電機選型原則以及電機在不同起動方式時的起動曲線特性方面入手，闡述了配電系統(tǒng)設計和選型的方法，希望對電制冷中央空調(diào)項目的配電選型和保護整定過程有所幫助。

[參考文獻]

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

收稿日期：2021-03-10

作者簡介：張旭昀（1983—），男，河北張家口人，工程師，研究方向：中央空調(diào)機組的控制與驅動系統(tǒng)設計。