超市用多机并联变频机组运行分析

王铁 代小军 谭永安

（大连三洋冷链有限公司 辽宁大连 116600）

1 引言

能源紧缺和环境恶化成为全球范围内的课题，为了应对能源危机和资源过度消耗引起的环境问题，节能减排成为社会发展的主题。中国政府在哥本哈根会议后承诺，2020年中国将使国内单位生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%。而根据调查，全国零售业企业年总耗电量已超过300多亿千瓦时，节能减排具有具有巨大空间，为响应企业所在国和中国的节能减排政策要求，内资及外资的零售巨头在店铺节能环保上不断增大资金投入，加强节能措施推进，并鼓励设备供应商提供节能设备提供节能新技术。而超市制冷系统的能耗一直在超市整体能耗中占比超过30%，所以制冷系统的节能意义重大。

中国日常用电为固定频率（50Hz）的交流电源。变频技术是通过整流和逆变转换等一系列技术措施来改变用电设备的供电频率，从而控制设备的输入、输出功率，达到系统在高低负载时都能节能的目的。在发改委、经贸委、国家计划委员会等多部委制定的《节约能源法》、《节约用电管理办法》、《关于加强节能工作的决定》等政策法规中，着重推荐了变频调速技术，并将变频技术列为发改委启动的十大重点节能工程之一。同时，随着国家各种节能优惠政策的出台，变频技术已广泛应用到空调行业。但目前在超市制冷行业的变频技术还是较少应用。

超市用的制冷系统随着卖场内和室外环境气温的不同、营业时间不同，以及卖场人流量、物流量的不同，卖场内制冷陈列柜和冷库的负荷也在大幅变化，国内超市制冷系统通常用的制冷机组为多个压缩机并联的组成，一般由多台活塞式压缩机并联组成，多台并联压缩机共用吸、排气集管及机组配件，通过各个压缩机ONOFF控制，达到多级调节冷量，从而实现制冷机组的负荷与卖场内的冷柜与冷库负荷匹配。这种控制多级冷量调节的控制方式由于级别间差值较大使制冷系统内的蒸发温度波动很大，大大影响了末端冷柜、冷库设备的温度稳定性。另外，为了保证制冷末端的温度需求，可能会导致压缩机的频繁启停，而压缩机电机在启停过程中要重复克服转子从静止到额定转速间的变化所产生的巨大转动惯量，且压缩机电机带负载启动时的启动力矩大于运行力矩数倍，导致额外耗能的增加和压缩机运动部件的磨损加剧。另外，压缩机的启停还会产生较大的振动、噪声和对电网电压造成一定冲击。本文将对实际运行的超市用多机并联制冷机组的变频和工频运行中的能耗、制冷系统的稳定性、冷柜的温度稳定性多方面进行分析，对超市用多联机制冷机组的变频应用前景进行探讨。

2 交流活塞压缩机的工作原理

超市制冷用多联机多采用半封闭活塞压缩机，这种压缩机采用的电机是交流异步电动机，制冷压缩机的转数见公式（1），压缩机的转数和压缩机的频率成正比，而普通活塞压缩机的排气量和转数成正比，所以通过改变压缩机的频率可以改变压缩机的转数，通过转数变化达到排气量的变化，进而达到制冷量的调节。而普通活塞压缩机一般运行频率范围是25～60Hz,专门的变频压缩机可在20～87Hz范围内变频，即使是普通可变频压缩机当频率在25～60Hz范围内变化时，压缩机的冷量也是在定频压缩机的50%～120%之间无级输出，压缩机冷量可调节范围很大，可以适应变负荷工况运行。

n—压缩机转速（r/min）

f—电源频率（Hz）

s—转差率，异步交流电动机的转子速度与同步速度（磁场转速）之差占同步速度的百分比

p—电机磁极对数

表1 深圳某超市制冷机组概况

表2 深圳某超市制冷机组工频变频能耗对比表

3 超市定频制冷机组运行特性

一般情况下，超市的整体制冷系统根据冷柜使用温度分为冷冻（-22℃）、冷藏（0℃）系统两部分，根据冷冻和冷藏系统负荷的大小和经济性考虑，通常配冷冻和冷藏用半封闭活塞并联机组各一套。而超市制冷系统与工业制冷和家用制冷相比，末端冷柜侧的负荷波动较大，因为超市分为营业时间和闭店时间，同一天内冷柜在这两个时间段内的负荷最大相差达70%以上；而且超市机组多为风冷冷凝，受室外冷凝温度的影响，冬季和夏季同一台压缩机组制冷量会最大相差30%以上；冷柜所处的室内卖场温度也夏季空调设计温度25℃，湿度65%，冬季室内环境设计温度20℃，湿度50%，冷柜所处环境温湿度度的不同也会使冷柜需求的的冷量也不同，冬季和夏季负荷最大会相差40%以上；而且中国国内超市人流在节假日会比平常高2倍以上，同一季节内因节假日关系，冷柜内物品的取放次数，补货次数也会相差巨大，也会导致冷柜冷量负荷相差巨大。以上各种因素的叠加造成同一超市卖场，同一组冷柜、制冷机组设备，因为时间因季节气候、早晚温差和卖场内人流、物流等因素影响，系统热负荷在15%～100%变动，所以整个制冷系统要不断地调节系统的制冷量以适应负荷变化，普通的并联制冷机组一般通过压缩机的开停个数调节来分级满足不同冷量需求，对制冷机组要求高的超市会要求在压缩机侧增加能量调节阀使压缩机头的冷量达到原来的33%或50%的以增加制冷能级调节数量。对应超市制冷负荷变化时制冷机组需要通过开关不同的压缩机，或者开停压缩机上的能量调节阀，机组上的压缩机数量越多或能量调节阀的数量越多，意味着冷量可调节级数愈多，机组与负荷变化的匹配越好。但是这种调节毕竟是有级的能调，在特定的工况的冷量需求下，还会有机组冷量与冷柜需求冷量不匹配的情况，会造成冷柜的温度波动巨大，而且为保证冷柜侧温度，压缩机会频繁启停，

4 实际超市多机并联变频机组运行分析

本文中实际使用变频机组的项目是深圳的一家超市，共计3台机组，低温系统冷柜温度-22℃冷冻机组型号LTA，中温系统冷柜温度0℃冷藏机组MTB, 高温系统冷库温度10℃冷机组MTC,变频前冷柜温度，3台机组的相关参数和变频器对应的压缩机见表1。

图1 工频运转时冷柜侧吸气压力波动图

3台机组均配置工频、变频切换开关，可以根据运转需要进行工频、变频切换，并在变频故障时自动切换到工频运转，考虑到并联机组本身结构，避免某些频率产生结构共振，所以本项目压缩机的变频频率在28～55Hz。对比的运转过程取使室外环境温度、室内环境温度相当，客流量相当时，从而冷柜侧的负荷相当，机组侧运转数据具备可比性。运转数据为工频和变频交替记录的方式，记录仪器为系统自带的DANFOSS公司SC255型监控系统，温度探头、压力探头分别为DANFOSS自带的AKS系列 PT1000型温度探头和AKS-33型压力传感器，分别记录冷柜的柜温，压缩机组侧的吸气压力、吸气温度、电功率表采用正泰DT-666型进行实际消耗能量的记录。

取其中MTB制冷系统中的一组对比数据进行分析，以系统中冷柜代号为MTB-10的一组冷柜为例,图1为机组工频运转时1小时内冷柜侧的吸气压力变化图，图2为机组变频运转时1小时内冷柜侧的吸气压力变化图。从二图中可以看出，在机组变频后，冷柜的吸气压力在同样的时间段内波动更小，波动次数也更少，并且在机组变频运行后吸气压力在比工频运转更高了。冷柜在使用温度不变的条件下，实现了平均换热温差的降低，温差低后冷柜的结霜量会更少，除霜的功耗会更小。而吸气压力的提高意味压缩机平均运行平均蒸发温度的提高，机组的COP值提高，而且冷柜侧吸气压力的平稳意味着机组吸气压力平稳，压缩机的启停次数会更少。从SC255记录的压缩机启停次数显示，变频前压缩机的启停次数每天平均在82次，变频后同台压缩机的启停次数下降为12次每天，明显减少了压缩机的启停次数。

图2 变频运转时冷柜侧吸气压力波动

现场监测的变频机组在压缩机的启动电流降低，整体机组运转噪音，机组的震动方面都有很大的改善，从主要的能效方面比较见表2。变频后压缩机的启停次数减少了，但是运转时间相应增加了，所以压缩机的吸气温度相对稳定。变频后LTA制冷系统的整体能耗降低了约3.97%，变频后MTB制冷系统的整体能耗降低了约6.4%,变频后MTC制冷系统的整体能耗降低了约16.7%。从表2中可见多机并联机组变频节能虽然不象单机的节能效果那么巨大可以达到30%以上，但是实际测量也能达到4%～17%的节能效果。LTA机组节能比率最小，因为工频机组上装了1个能调阀，已经具备6级冷量调节，MTC机组节能最大因为原来机组只有2个能级，所以变频后节能比率也大。

5 超市多机并联变频机组特点综述

从实际项目运行分析中，可以看出超市并联系统使用变频后，与常规的活塞并联机组相比，有以下特点：

(1)变频机组更节能。压缩机组在变频运转时，相比工频运转可以达到3%～17%的节能效果。变频压缩机可以实现调节范围内的无级调节，使压缩机组始终运行在最佳点，机组吸气压力得到提升，从而提高压缩机的COP减少耗能。另外，变频启动时，逐步升频启动减小了启动时能耗。

(2)变频机组使陈列柜和冷库温度波动幅度更小，冷柜的的柜内温度更加恒定，使储存食品更加符合存储条件，更加满足食品安全要求。

(3)变频机组使压缩机的启停次数减少，避免了压缩机频繁起停引起的压缩机的机械和电气故障，降低了设备的后期维护的成本，相当于延长了机组的使用寿命。

(4)变频机组降低了压缩机启停对电网的冲击，如果压缩机工频启动会产生数倍的电机额定电流的电流冲击，这将大大增加电机绕组的电应力产生的热量并而降低电机的寿命。使用变频调速能充分降低减小启动电流，降低压缩机的电机维护成本和延长压缩机的寿命。

6 结论

超市多机并联压缩机使用变频器后，可以很好地和超市制冷负荷变化较大特点匹配。实际测试中3台机组可以变频后节能3.97%～16.7%，具体的节能效果需要看原来机组的能量调节级数；变频压缩机使用后减少了压缩机的启停次数，一定程度上可以减少压缩机的故障率；减少了压缩机启动对外部电网的影响；降频运行时机组的噪音震动都有改善；使用变频机组后压缩机的吸气压力有了提高，机组运行的COP有提高；陈列柜的柜内温度波动更小，更符合食品安全要求；使用变频机组后陈列柜的换热温差更小，冷柜结霜量更小，除霜的能耗会更小，结霜量的减少也意味冷柜换热效果更好。总之，超市变频机组和工频机组比较，具有节能，系统稳定、冷柜温度稳定的优势，并且可以通过合理选择变频压缩机的冷量范围，达到最佳节能效果的目的。

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