论文部分内容阅读
摘 要：通过分析电制冷中央空调主机压缩机电机的选型要求及电机的起动特性，阐述了用户现场配电系统选型设计的原则与配电线路保护参数整定的方法。
关键词：电制冷中央空调主机;压缩机电机;开关器件;起动方式;保护参数
0 引言
近年来，笔者在市场调研和项目跟踪过程中发现，电制冷中央空调主機配电系统选型设计和配电线路保护整定方面出现的一些问题给客户带来了诸多不便，甚至电制冷中央空调主机就位后需要变更配电设施类型或扩大配电容量才能够投运电制冷中央空调主机。出现这种情况大多是因为没有考虑电制冷中央空调主机的压缩机电机选型要求和压缩机电机的起动电流特性。因此，研究压缩机电机的选型要求与起动电流特性对提高电制冷中央空调主机的投运效率具有十分重要的意义。
1 数据中心机房空调负荷特征
电制冷中央空调系统由冷（热）源系统和空气调节系统组成。冷（热）源系统为空气调节系统提供所需的冷（热）量，用以抵消使用环境的热（冷）负荷。
电制冷中央空调主机为整个电制冷中央空调系统的核心单元，由压缩机、驱动压缩机的电机、蒸发器、冷凝器、经济器、节流装置等部件组成，如图1所示。
2 电制冷中央空调主机压缩机电机的选型
2.1 电制冷中央空调主机离心式压缩机电机设计选型要求
离心式压缩机电机的选型除了要考虑压缩机功率消耗的最大需求外，还要考虑压缩机起动时负载的轻重程度。从电机自身的角度看，其既需要满足运行转矩要求，又要有足够的起动转矩。通常离心式压缩机配套的电机的功率容量为压缩机额定工况下满负荷运行时消耗功率的110%～120%。有时为了保证在特殊的空调系统工况下（如冷冻水或冷却水水温比较高时）电机能够平稳起动，需要提高电机的起动转矩，电机容量也需要适当增加。
2.2 电制冷中央空调主机螺杆式压缩机电机设计选型要求
螺杆式压缩机电机的选型除了要考虑压缩机功率消耗需求外，还要考虑螺杆式压缩机自身的负载特性和压缩机起动时空调系统工况的恶劣程度。一般螺杆式压缩机电机的容量为压缩机额定工况下满负荷运行时能耗需求的120%～150%。起动和运行工况恶劣时，为了能够顺利起动电机，确保电机寿命且快速达到中央空调主机设定的目标温度，所配置的电机容量可能要超过压缩机额定工况下满负荷运行时能耗需求的150%。
3 常用电机起动方式及起动特性说明
按照市场应用规律，考虑到经济性，中压电机一般选择直接（全压）起动方式（用户配电容量足够的前提下），低压电机一般选择星三角起动方式。随着能源管理行业的发展和人们节约能源意识的提高，越来越多的用户选用了在中央空调主机部分负荷运行时更节能的变频器起动（驱动）电机方式。本文主要对中压直接起动、低压星三角起动和低压变频起动（驱动）方式的起动特性进行阐述。
3.1 中压直接起动
中压电机直接起动时，电机在额定电压下起动，起动转矩大，起动时间短，但是起动电流峰值高，起动电流大。
测试1台额定电压10 kV、额定频率50 Hz、额定功率420 kW的离心式压缩机电机的起动过程。起动电流曲线和数据表明，该电机在当时的用户工况下直接起动时，起动峰值电流是额定电流的14倍左右，起动过程前两个周期的电流有效值为额定电流的6.65倍左右，开始起动至起动过程结束，电机转速达到额定转速稳定运行的过程大约持续了1.4 s。如图2所示。
3.2 低压星三角（Y-D）起动
以额定电压380 V异步电机星三角起动过程为例，在星形起动时，定子线圈电压降低到额定电压的1/√3，起动电流理论上会降至全压起动时起动电流的1/3，由于加到线圈上的电压降低，起动时的转矩也会降低。设计选型时需要确保电机的起动转矩足够大，以便电机在定子星形接法运行过程中，转子可以快速达到额定转速。电机星形运行过程中，转速达到额定转速后（此时运行电流会降到电机额定电流以下），进行定子线圈星形和角形接法的切换。星形和角形切换时的冲击电流峰值要远大于星形起动时的电流峰值，此时的峰值电流容易引起电气保护装置动作。另外，如果星形起动后电机达不到额定转速就进行星形和角形的切换，切换电流峰值会更大，切换后电流下降时间会更长，电机温升会更高。
测试1台额定电压380 V、额定频率50 Hz、额定功率220 kW的离心式压缩机电机的起动过程。起动电流曲线和数据表明，该电机在当时的用户工况下星形起动时，起动峰值电流是额定电流的4.2倍左右，星形起动过程前两个周期的电流有效值为额定电流的2.2倍左右，起动至额定转速的过程大约持续了7.6 s。电机定子线圈星形和角形接法切换时，切换峰值电流是额定电流的11.4倍左右，前两个周期的电流有效值为额定电流的4.7倍左右，开始切换至电流下降到稳定运行电流时的过程大约持续了0.4 s。如图3所示。
3.3 低压变频驱动
变频器在电制冷中央空调电机驱动上的应用主要有两个比较突出的特点：
（1）在中央空调主机部分负荷运行时，降低了电机运行频率、转速，进而减少机组电能消耗，达到节能的目的;
（2）驱动高额定频率（适配的电机额定频率在150～400 Hz）的电机，在这种情况下，电机轴和压缩机叶轮轴转数相同，行业内通常称被驱动的机组为直驱机组（电机直接驱动压缩机叶轮），由于取消了增速齿轮，故对机组来说减少了齿轮箱的能量损耗。
另外，应用变频驱动的中央空调机组，电机的起动过程电流不会超过额定电流。原因在于变频器驱动离心式压缩机电机起动时，一般变频器对电机的输出电压和输出频率的比值固定，定子产生的旋转磁场切割转子的速度慢，在保证合适的起动转矩前提下，起动电流比较小。 测试1台额定电压400 V、额定频率50 Hz、额定功率1 000 kW的离心式压缩机电机的起动过程。起动电流曲线和数据表明，该电机在当时的用户工况下使用变频器起动时，起动峰值电流非常小，起動过程电流基本平滑上升，起动过程（频率由0 Hz上升到额定频率50 Hz的过程）持续的时间在60 s左右，电流未超过额定电流。如图4所示。
4 适用电制冷中央空调主机的工厂配电柜的选型与整定分析
4.1 低压配电柜保护器件选型原则
低压配电柜保护器件最常用的就是断路器，本文只阐述断路器的选型原则。
在设计选型中央空调主机配电柜时，首先需要参照本文2.1～2.2内容，确定配电柜下负载的类型，结合机组的工况电流和电机铭牌的标称额定电流确定断路器的容量。接下来还要参照本文3.1～3.3内容，确定电机的起动方式所对应的起动曲线特性，检查断路器整定范围，要求选出的断路器既能躲过中央空调主机起动过程的电流，不会误动作，又可以在负载设备发生短路、过流、过载等故障时，起到保护作用。
4.2 中压配电柜保护器件选型原则
关于中压配电柜的保护器件，本文针对“真空断路器+综合保护器”的方案进行选型说明。真空断路器选型时，满足额定电压、负载额定电流和额定短路分断能力的要求即可。对于电流互感器的选型，在满足测量等精度要求的前提下，尽量确保量程在负载额定电流的1.5～2倍。综合保护器要求选择电动机保护型。如果选择了线路保护型的综合保护器，那么在整定时应特别注意要躲过起动电流（电动机保护型的综合保护器可以设定电机的起动时间，在这个时间内一些整定投入的保护功能是退出的，起动时间过后，原来整定投入的保护功能都将处于投入状态）。
4.3 配电柜保护器件整定分析
整定原则：（1）配电柜保护器件整定时，要考虑电机的起动时间、起动过程的峰值电流和电流下降时间等数据，并且要考虑可靠系数;（2）在电路设计时，要考虑负载类型和起动特性，设计合理的配电线路，保护器件整定要严格执行阶梯保护原则，当发生电气故障时，最先保护动作（断开供电线路）的应该是离故障点最近的配电保护装置，并且尽量不引起其他保护装置的动作。
5 结语
通过项目实践，笔者发现在中央空调主机配电设计和整定时，时有考虑片面、忽略设备起动特性的情况。本文主要从中央空调主机压缩机电机选型原则以及电机在不同起动方式时的起动曲线特性方面入手，阐述了配电系统设计和选型的方法，希望对电制冷中央空调项目的配电选型和保护整定过程有所帮助。
[参考文献]
[1] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册：全2册[M].4版.北京：中国电力出版社，2016.
收稿日期：2021-03-10
作者简介：张旭昀（1983—），男，河北张家口人，工程师，研究方向：中央空调机组的控制与驱动系统设计。
关键词：电制冷中央空调主机;压缩机电机;开关器件;起动方式;保护参数
0 引言
近年来，笔者在市场调研和项目跟踪过程中发现，电制冷中央空调主機配电系统选型设计和配电线路保护整定方面出现的一些问题给客户带来了诸多不便，甚至电制冷中央空调主机就位后需要变更配电设施类型或扩大配电容量才能够投运电制冷中央空调主机。出现这种情况大多是因为没有考虑电制冷中央空调主机的压缩机电机选型要求和压缩机电机的起动电流特性。因此，研究压缩机电机的选型要求与起动电流特性对提高电制冷中央空调主机的投运效率具有十分重要的意义。
1 数据中心机房空调负荷特征
电制冷中央空调系统由冷（热）源系统和空气调节系统组成。冷（热）源系统为空气调节系统提供所需的冷（热）量，用以抵消使用环境的热（冷）负荷。
电制冷中央空调主机为整个电制冷中央空调系统的核心单元，由压缩机、驱动压缩机的电机、蒸发器、冷凝器、经济器、节流装置等部件组成，如图1所示。
2 电制冷中央空调主机压缩机电机的选型
2.1 电制冷中央空调主机离心式压缩机电机设计选型要求
离心式压缩机电机的选型除了要考虑压缩机功率消耗的最大需求外，还要考虑压缩机起动时负载的轻重程度。从电机自身的角度看，其既需要满足运行转矩要求，又要有足够的起动转矩。通常离心式压缩机配套的电机的功率容量为压缩机额定工况下满负荷运行时消耗功率的110%～120%。有时为了保证在特殊的空调系统工况下（如冷冻水或冷却水水温比较高时）电机能够平稳起动，需要提高电机的起动转矩，电机容量也需要适当增加。
2.2 电制冷中央空调主机螺杆式压缩机电机设计选型要求
螺杆式压缩机电机的选型除了要考虑压缩机功率消耗需求外，还要考虑螺杆式压缩机自身的负载特性和压缩机起动时空调系统工况的恶劣程度。一般螺杆式压缩机电机的容量为压缩机额定工况下满负荷运行时能耗需求的120%～150%。起动和运行工况恶劣时，为了能够顺利起动电机，确保电机寿命且快速达到中央空调主机设定的目标温度，所配置的电机容量可能要超过压缩机额定工况下满负荷运行时能耗需求的150%。
3 常用电机起动方式及起动特性说明
按照市场应用规律，考虑到经济性，中压电机一般选择直接（全压）起动方式（用户配电容量足够的前提下），低压电机一般选择星三角起动方式。随着能源管理行业的发展和人们节约能源意识的提高，越来越多的用户选用了在中央空调主机部分负荷运行时更节能的变频器起动（驱动）电机方式。本文主要对中压直接起动、低压星三角起动和低压变频起动（驱动）方式的起动特性进行阐述。
3.1 中压直接起动
中压电机直接起动时，电机在额定电压下起动，起动转矩大，起动时间短，但是起动电流峰值高，起动电流大。
测试1台额定电压10 kV、额定频率50 Hz、额定功率420 kW的离心式压缩机电机的起动过程。起动电流曲线和数据表明，该电机在当时的用户工况下直接起动时，起动峰值电流是额定电流的14倍左右，起动过程前两个周期的电流有效值为额定电流的6.65倍左右，开始起动至起动过程结束，电机转速达到额定转速稳定运行的过程大约持续了1.4 s。如图2所示。
3.2 低压星三角（Y-D）起动
以额定电压380 V异步电机星三角起动过程为例，在星形起动时，定子线圈电压降低到额定电压的1/√3，起动电流理论上会降至全压起动时起动电流的1/3，由于加到线圈上的电压降低，起动时的转矩也会降低。设计选型时需要确保电机的起动转矩足够大，以便电机在定子星形接法运行过程中，转子可以快速达到额定转速。电机星形运行过程中，转速达到额定转速后（此时运行电流会降到电机额定电流以下），进行定子线圈星形和角形接法的切换。星形和角形切换时的冲击电流峰值要远大于星形起动时的电流峰值，此时的峰值电流容易引起电气保护装置动作。另外，如果星形起动后电机达不到额定转速就进行星形和角形的切换，切换电流峰值会更大，切换后电流下降时间会更长，电机温升会更高。
测试1台额定电压380 V、额定频率50 Hz、额定功率220 kW的离心式压缩机电机的起动过程。起动电流曲线和数据表明，该电机在当时的用户工况下星形起动时，起动峰值电流是额定电流的4.2倍左右，星形起动过程前两个周期的电流有效值为额定电流的2.2倍左右，起动至额定转速的过程大约持续了7.6 s。电机定子线圈星形和角形接法切换时，切换峰值电流是额定电流的11.4倍左右，前两个周期的电流有效值为额定电流的4.7倍左右，开始切换至电流下降到稳定运行电流时的过程大约持续了0.4 s。如图3所示。
3.3 低压变频驱动
变频器在电制冷中央空调电机驱动上的应用主要有两个比较突出的特点：
（1）在中央空调主机部分负荷运行时，降低了电机运行频率、转速，进而减少机组电能消耗，达到节能的目的;
（2）驱动高额定频率（适配的电机额定频率在150～400 Hz）的电机，在这种情况下，电机轴和压缩机叶轮轴转数相同，行业内通常称被驱动的机组为直驱机组（电机直接驱动压缩机叶轮），由于取消了增速齿轮，故对机组来说减少了齿轮箱的能量损耗。
另外，应用变频驱动的中央空调机组，电机的起动过程电流不会超过额定电流。原因在于变频器驱动离心式压缩机电机起动时，一般变频器对电机的输出电压和输出频率的比值固定，定子产生的旋转磁场切割转子的速度慢，在保证合适的起动转矩前提下，起动电流比较小。 测试1台额定电压400 V、额定频率50 Hz、额定功率1 000 kW的离心式压缩机电机的起动过程。起动电流曲线和数据表明，该电机在当时的用户工况下使用变频器起动时，起动峰值电流非常小，起動过程电流基本平滑上升，起动过程（频率由0 Hz上升到额定频率50 Hz的过程）持续的时间在60 s左右，电流未超过额定电流。如图4所示。
4 适用电制冷中央空调主机的工厂配电柜的选型与整定分析
4.1 低压配电柜保护器件选型原则
低压配电柜保护器件最常用的就是断路器，本文只阐述断路器的选型原则。
在设计选型中央空调主机配电柜时，首先需要参照本文2.1～2.2内容，确定配电柜下负载的类型，结合机组的工况电流和电机铭牌的标称额定电流确定断路器的容量。接下来还要参照本文3.1～3.3内容，确定电机的起动方式所对应的起动曲线特性，检查断路器整定范围，要求选出的断路器既能躲过中央空调主机起动过程的电流，不会误动作，又可以在负载设备发生短路、过流、过载等故障时，起到保护作用。
4.2 中压配电柜保护器件选型原则
关于中压配电柜的保护器件，本文针对“真空断路器+综合保护器”的方案进行选型说明。真空断路器选型时，满足额定电压、负载额定电流和额定短路分断能力的要求即可。对于电流互感器的选型，在满足测量等精度要求的前提下，尽量确保量程在负载额定电流的1.5～2倍。综合保护器要求选择电动机保护型。如果选择了线路保护型的综合保护器，那么在整定时应特别注意要躲过起动电流（电动机保护型的综合保护器可以设定电机的起动时间，在这个时间内一些整定投入的保护功能是退出的，起动时间过后，原来整定投入的保护功能都将处于投入状态）。
4.3 配电柜保护器件整定分析
整定原则：（1）配电柜保护器件整定时，要考虑电机的起动时间、起动过程的峰值电流和电流下降时间等数据，并且要考虑可靠系数;（2）在电路设计时，要考虑负载类型和起动特性，设计合理的配电线路，保护器件整定要严格执行阶梯保护原则，当发生电气故障时，最先保护动作（断开供电线路）的应该是离故障点最近的配电保护装置，并且尽量不引起其他保护装置的动作。
5 结语
通过项目实践，笔者发现在中央空调主机配电设计和整定时，时有考虑片面、忽略设备起动特性的情况。本文主要从中央空调主机压缩机电机选型原则以及电机在不同起动方式时的起动曲线特性方面入手，阐述了配电系统设计和选型的方法，希望对电制冷中央空调项目的配电选型和保护整定过程有所帮助。
[参考文献]
[1] 中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册：全2册[M].4版.北京：中国电力出版社，2016.
收稿日期：2021-03-10
作者简介：张旭昀（1983—），男，河北张家口人，工程师，研究方向：中央空调机组的控制与驱动系统设计。