变频离心机的优缺点

YORK变频，意义何在？

1、变频离心冷水机组的开发背景

在世界中央空调冷水机组的历史上，特灵1981年开发成功的三级离心式冷水机组是一次重要的革命。该产品一经出现，便改写了世界冷水机组的最高效率，它将当时的机组效率从0.80kW/ton提高到0.68kW/ton，将所有的竞争对手远远甩在身后，奠定了特灵在离心机组生产厂商中“武林霸主”的地位。

在激烈的市场竞争压力下，各公司不断的调整自己的战略，开发自己的新产品。在这种背景下YORK公司在当时不得不开始了提高机组效率的工作。由于他们的压缩机是开式结构，压缩机上带有轴封，存在无法弥补的泄漏点，因此如果追随特灵公司开发R123冷媒的冷水机组是没有前途的。因为低压制冷剂R123机组需要解决的最大问题不是制冷剂的泄漏，而是空气的渗入问题。开式压缩机存在泄漏点，无法避免的要进入空气，而空气的渗入量要远远大于闭式冷水机组中空气的渗入量。（用氦检的数量级来描述，开式压缩机冷水机组的数量级为10-5m3bar/s，而特灵的闭式压缩机冷水机组达到的数量级为10-11m3bar/s。这样就要求抽气装置既要有很高的质量（空气渗入，抽气装置不得不长时间运转，成了易损元件？！），还要求抽气装置能有很好的过滤冷媒效果），否则冷媒泄漏过多不但影响机组的效率，而且还背上了危害环境的恶名。（这些就是为什么YORK公司有R123冷媒的冷水机组却又不作为主流产品的原因。其实并不是制冷剂本身的问题，因为R134a本身也不环保，我会在另一篇文章中阐述）。在这样的条件下，YORK 公司不得不铤而走险，使用在当时还并不是很成熟的变频技术，试图与特灵公司高效率的冷水机组一决高下。

2、离心冷水机组，适合变频吗？

可以说在所有的压缩机中，离心压缩机是最不适合于使用变频技术的，因为如果离心机组具有本身无法克服的致命问题-------喘振。我们知道，喘振的诱发因素是冷凝压力与蒸发压力压差过高或压缩机流量过低。也就是说在部分负荷时喘振是很容易发生的。而变频技术恰恰要解决的是部分负荷的节能问题。这样就为研制变频技术的专家们制造了一个很大的问题。这犹如是在长江险滩中撑船的艄公，不得不小心翼翼的绕过每个负荷点的喘振极限。而如果有一个点控制不好的话，机组就会无法正常运行，严重时甚至会造成压缩机轴承损坏。变频对电机的要求很高，不能使用普通电机，只能购买特制的电机。这样YORK在样本、广告中许下的诺言（电机更换容易、迅速）。

我们从中可以看得出，他们下定决心，排除万难的去走华山一条道，其实也是迫不得已。在经过无数次试验，历经三代改革后，YORK公司的变频冷水机组终于推向用户了。YORK公司似乎很愿意将变频机组作为与特灵CVHE/G离心机组相抗衡的产品。他们在中国市场极力推广这种产品，在一定时期、一定区域内取得了一定的成功。那么，变频离心冷水机组真的有他们所说的这么节电吗？我愿意与大家一起认真的研究变频离心冷水机组的原理后再下结论。

3、变频离心冷水机组的原理

下文中关于变频离心冷水机组的原理的阐述均引用YORK公司公开发表的论文，不代表我个人观点。

作为对我们竞争同行的尊重，我不愿去设想YORK公司在论文中提供的数据是否真实，我们引用论文的数据的前提条件是这些数据是真实可靠的。

1）离心式冷水机组部分负荷调节与变频器原理

我们知道，离心压缩机是一种固定压头、变流量的压缩机。单

级离心压缩机靠电机通过增速齿轮带动叶轮高速旋转，叶轮高速旋转产生的离心力提高制冷剂气体的速度，然后通过扩压室，并在其中完成动能与压力能的转化。压缩机的最大压头由压缩机叶轮的最大线速度决定。对于制冷量较大的冷水机组，我们通常需要考虑增加能量调节机构，一方面是为了防止机组在满负荷启动时扭矩过大，另一方面是增加机组的适应能力，使机组的负荷能与系统用户的负荷相匹配，避免频繁的开启机组。对于离心式压缩机来说，通常采用通过导流叶片或改变压缩机的转速来实现。

A、导流叶片控制

固定转速的离心机通过导流叶片的作用就可以使压缩机在最大压头下任意点运行。当压缩机在系统低负荷运行时，导流叶片开始关闭，当机组发生喘振时，此时的负荷就是机组允许的最小负荷。导流叶片关小时，机组的冷媒的循环量就会减小，机组的制冷量相应有所下降。另一方面，由于导流叶片在关闭过程中叶片角度改变，此时进入压缩机的冷媒气体的方向也会相应改变，有效的改善了压缩机内冷媒的压缩条件，防止了机组的喘振。然而，导流叶片的调节范围是有限的，对于单级压缩机来说，通常只能下载到20%~30%。如果机组需要在20%以下运转时，则需要热气旁通或是变频机构来控制了。

B、速度控制

在离心压缩机中，压缩机的功耗如下：

BHP=FLOW*HEAD/EFF

式中：BHP--------压缩机功耗

FLOW------制冷剂流量

HEAD-----压缩机压头

EFF--------效率

对于离心压缩机而言：

FLOW正变于速度PRM的一次方，HEAD正变于速度PRM的二次方，所以功耗BHP正变于速度PRM 的三次方。由此可知，压缩机的功耗与转速的三次方成正比。当转速降低时，功耗将急剧下降，从而达到部分负荷节能的效果。速度控制的弱点在于机组的下载范围较小。在较低负荷（约小于60%）时，如果将压缩机速度降低来控制部分负荷，机组将产生喘振。

C、变频驱动离心机组

如果将变频控制与导流叶片控制有机结合，共同来控制压缩机，就能充分利用这两种控制方式的优点，既能使机组有较大的运行范围，又能达到很好的节能目的。这种控制的逻辑如下：

70%~100% 机组保持导流叶片全开，通过变频来下载。

50%~70% 导流叶片开始关闭，转速维持恒定。

<50% 为避免出现喘振，适当增加转速，增大运行范围。

由此我们可以看出变频技术如果在离心机中得到应用，则最先考虑的是如何避免喘振，而不是如何提高效率。

4、变频离心冷水机组的优缺点综述

A、优点

1）增强机组的卸载能力

2）电机软启动，减小对电网的冲击

3） 50%负荷以下节能效果优越.

B.缺点

1）满负荷运转时机组并不节电，反而耗能。变频控制离心机组在满负荷运转时要比正常机组耗电2%~5%。

2）控制过于复杂，控制元件增多，使机组调试、维护的难度增大。

我们知道，大部分空调用冷水机组属于民用范畴。在民用舒适性空调中，机组的易维护性、可靠性是考核其性能的很重要的因素。因此，机组的维护是否便利也成为考核一台机组是否优秀的重要参数。变频机组由于控制复杂，控制元件增多，都会影响到机组的可靠性与易维护性。目前国内无法制作变频器，关于变频的维修YORK公司在国内的维修力量不强。因此如果变频器有故障的话很难及时维修。由此会造成很严重的问题。

3）使用特殊电机，无法及时维护、更换

在使用变频控制时，通常无法使用普通电机。普通电机由于变频器传动时，由于高次频波的影响和电动机运行速度范围的扩大，将出现一些新的问题。与共频电源传动时有较大的差别，主要有以下方面的问题：

A、谐波的影响。采用PWM变频器对鼠笼型异步电机供电时，定子电流中不可避免的带有高次谐波，电动机的功率因数和效率都会变差。从损耗的角度看，电动机的损耗主要是定转子铜损耗，铁损耗和机械损耗。高次频波损耗基本与负载大小无关。空载运行时，谐波损耗所占比率相对较大，空载运行时电动机功率因数和效率将更低，高次频波损耗主要包括铜损耗和铁损耗两部分，其中铁损耗是磁感应强度和频率的函数，由于PWM变频器中含有载波频率，与谐波有关的铁损耗较大。

B、散热能力的影响。通用的标准型鼠笼电机依靠在电机轴上的风扇来进行。如果采用变频，则风扇转速过低，造成电机冷却不足，引起过热。

由此可以看出电机只能使用特制电机。

4）、变频器中电子元件的发热非常大，需要很好的冷却才能保证其可靠性。目前YORK公司出厂的变频器的冷却水使用机组冷水或冷却水，如果使用冷水，则会浪费制冷量。如果使用冷却水，则会造成换热设备结构，变频器散热越来越低，最后导致过热的结果。

5）、节能实战，YORK Versus TRANE

本案例选用三台600TONS的冷水机组，所有运行数据出自YORK公司公开发表的论文。

以下为三台600 TONS 的冷水机组。