變頻器在中央空調系統(tǒng)中的應用

1、成都理工大學工程技術學院畢業(yè)論文變頻器在中央空調系統(tǒng)中的應用作者姓名：程 剛專業(yè)名稱：電氣工程及其自動化指導教師：李自成 副教授 許麗 助教 變頻器在中央空調系統(tǒng)中的應用摘要近年來，隨著城市高樓大廈的不斷涌現(xiàn)，人民生活水平的不斷提高，人們對居住和工作的環(huán)境要求也越來越高，冬暖夏涼是人們共同的要求。中央空調系統(tǒng)正好滿足了人們的要求，但是中央空調系統(tǒng)每年所耗費的能源大概占整個建筑能耗的60%，所以節(jié)能問題就擺在了人們面前。本文提出將變頻器運用于中央空調系統(tǒng)中，使電機的輸出功率跟隨負載的變化，在很多程度上節(jié)約了能源。另一方面，在中央空調系統(tǒng)中一般都有一臺專門用來制取衛(wèi)生熱水的主機。夏天，由于中央空調

2、系統(tǒng)中的冷卻水一般只有37攝氏度，很難直接利用，利用熱泵機組和板式換熱器將建筑物集中供應的衛(wèi)生熱水需要的熱能與中央空調制冷過程中排放的冷卻水熱能聯(lián)動、溝通供熱與放熱這兩個價值鏈、形成建筑物內的熱能循環(huán)。冬天，可以運用建筑物內的消防水來代替冷卻水，實現(xiàn)熱能循環(huán)利用、達到減少排放、節(jié)約能源的目的。關鍵詞：中央空調 變頻器 節(jié)能 - iv -abstractin recent year, with the constantly emerging of the high buildings and large mansions in city and the constantly improvemen

3、t of the peoples living standards ,the people to the ask of the surroundings of the work condition and reside become more and more important cool in summer and warm in winter is the common need of people. the center air-condition system meet the need of the people .but the energy consumption of the

4、center aid-condition system takes 60% in the buildings every year .so the problem of the saving energy before people. in this text. the converter will be applied in the central air-conditioning system the output power of the electrical load with the changes in many extent .saving energy .on the othe

5、r hand .at the central air-conditioning systems in general have a system devoted to the health of hot water for the host .in summer since the central air-conditioning system in the cooling water generally only 37 centigrade. it is hard to the direct use .use of heat pump units and plate heat exchang

6、er will focus on building water supply to the health needs of the-heat and central air-conditioning cooling process of cooling water emissions of heat link age .there is a value chain about communication with the heat of the two heating .building a thermal cycle in winter in buildings it can use wat

7、er to the fire instead of cooling water implementation of heat recycling to reduce emissions energy conservation purposes.keywords: central air-conditioning system, transducer, energy saving目錄摘要iabstractii目錄iii前言11 變頻器概述21.1 變頻器的發(fā)展21.2 變頻器的類型與結構31.2.1 變頻器的類型31.2.2 變頻器的基本構成32 中央空調簡介及耗能分析52.1 中央空調系統(tǒng)的組

8、成52.2 中央空調現(xiàn)狀62.3 系統(tǒng)耗能成因分析83 變頻器調速的原理及控制改造過程123.1 變頻器調速的原理123.2 調速系統(tǒng)的控制依據(jù)143.3 變頻器對中央空調系統(tǒng)地控制過程163.4 變頻器在中央空調系統(tǒng)改造中的應用203.4.1 冷卻機循環(huán)水系統(tǒng)介紹203.4.2 冷卻塔變頻節(jié)能改造原理213.4.3 冷卻泵和風機的變頻改造224 變頻器在中央空調系統(tǒng)中的應用方案244.1 系統(tǒng)的設計方案244.1.1 1控x方案（x為水泵臺數(shù)）244.1.2 “1控1”方案244.2 主電路接線圖254.3 相關器件的選型及接線264.3.1 plc的選擇及接線264.3.2 變頻器的選型2

9、74.3.3 pid調節(jié)器31總結32致謝33參考文獻34附件 plc梯形圖35前言隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，各種大型建筑在我們國家越來越普遍，其中一般都安有中央空調系統(tǒng)，用于保持整棟大廈溫度恒定。如今，人們對中央空調系統(tǒng)提出的要求就是舒適和節(jié)能，要求在能耗更低的情況下保持室內合適的溫度、濕度，讓居住者感覺最舒適。新建的中央空調系統(tǒng)在按照舒適節(jié)能的目標設計，而越來越多的使用多年的中央空調控制系統(tǒng)在進行改造來實現(xiàn)節(jié)能、舒適的目的。本課題的研究意義在于：1. 通過對中央空調系統(tǒng)的節(jié)能措施的研究，可以避免不合理的低效用能，降低了空調系統(tǒng)的能耗，提高了能源的利用率，對于解決當前電力供

10、需矛盾，提高電網(wǎng)的負荷率和發(fā)電設備及輸電設施利用率，保證電力系統(tǒng)安全運行。減小國家的電力投資等也具有重要的意義。2. 對中央空調系統(tǒng)中的冷卻水實施回收利用，將其輸入到集中供應的衛(wèi)生熱水系統(tǒng)中，利用有源熱泵機組提升水溫，增設動態(tài)管理的儲熱循環(huán)裝置，降低了中央空調系統(tǒng)向外界釋放的熱量，整個系統(tǒng)既可以節(jié)能，也減少了對環(huán)境的污染。1 變頻器概述1.1 變頻器的發(fā)展變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調的交流電的裝置。變頻器的問世，使電氣領域發(fā)生了一場技術革命。即交流調速取代支流調速。交流電動機變頻調速技術具有節(jié)能、改善工藝流程、提高產品質量和便于自動控制等諸多的優(yōu)勢，被國內外公認為最有發(fā)展前途的

11、調速方式。三相交流異步電動機，由于轉子側的電流不從外部引入，而由電磁感應產生，故而具有結構簡單牢固、體積小、重量輕、價格低廉、便于維護等優(yōu)點，被受人們的青睞。與其他電動機相比，它在工農業(yè)設備中的占有率一直處于絕對領先的地位。在中、小容量范圍內，采用自關斷器件的全數(shù)字控制pwm變頻器已經(jīng)實現(xiàn)通用化，通用變頻器具有調速范圍寬、調速精度高、動態(tài)響應快、運行效率高、功率因數(shù)高、操作方便、易與其他設備接口等優(yōu)點，在機電控制技術中占有非常重要的地位。變頻器的發(fā)展與普及應用提高了現(xiàn)代工業(yè)的自動化水平，提高了產品質量和勞動生產率，節(jié)約了能源和原材料，降低了生產成本。目前，變頻器的應用幾乎遍及生產、生活的各個領

12、域。通用變頻器在我國經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在產品種類、性能和應用范圍等方面都有了很大提高。目前，國內市場上流行的通用變頻器品牌多達幾十種，如歐美國家的品牌有西門子、abb、vacon（瓦控）等十幾個品牌，日本產的品牌有富士、三菱、安川、三墾、日立等十幾個品牌，韓國產的品牌有l(wèi)g、三星、現(xiàn)代等。國產的品牌有康沃、安邦信、惠豐、森蘭等十幾個品牌。歐美國家的產品以性能先進、適應環(huán)境性強而著稱。日本產的產品以外形小巧、功能多而聞名。港澳臺地區(qū)的產品以符合國情、功能簡單實用而流行。而國產的產品則以大眾化、功能簡單、功能專用、價格低的優(yōu)勢廣泛應用。1.2 變頻器的類型與結構變頻器在分類和結構有許多種，但是在調

13、速系統(tǒng)中最常用的、最基本的變頻器就是通用變頻器。下面將介紹其分類與結構。1.2.1 變頻器的類型變頻器是將電網(wǎng)供電的工頻交流電源變?yōu)檫m用于交流電機變頻調速用的電壓可變、頻率可變的交流電的變流裝置。在變頻調速系統(tǒng)中，主要采用 “交直交”變頻器，“交直交”變頻器示意圖如1.1所示。vv(電壓可變)vf（頻率可變） ac acdccc圖1.1 “交直交”變頻器示意圖1.2.2 變頻器的基本構成迄今為止，在中小容量變頻器中應用得最為廣泛的是“交直交”電壓型通用變頻器,其基本結構原理如圖1.2所示。整流電路中間直流電路逆變電路控制電路交流電交流電工頻電壓頻率可控圖1.2 變頻器的基本結構由圖1.2可見變

14、頻器主要由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成，變頻器基本構成分述如下：1. 整流器。整流器的作用是把三相（也可以是單相）交流整流成直流。2. 逆變器。最常見的結構形式是利用六個半導體主開關器件組成的三相橋式逆變電路。有規(guī)律地控制逆變器中主開關的通斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。3. 中間直流環(huán)節(jié)。由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為1，因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。4. 控制電路。

15、控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等?？刂品椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。高性能的變頻器目前已經(jīng)采用計算機進行全數(shù)字控制，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數(shù)字控制方式?？梢酝瓿赡M控制方式難以完成的功能。2 中央空調簡介及耗能分析2.1 中央空調系統(tǒng)的組成中央空調系統(tǒng)的組成框圖如圖2.1所示。由圖2.1可以看出，中央空調的冷水機組主要有兩個水循環(huán)系統(tǒng)構成，即冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。壓縮機不斷地從蒸發(fā)器中抽取制冷劑蒸汽，低壓制冷劑蒸汽在壓

16、縮機內部被壓縮為高壓蒸汽后進入冷凝器中，制冷劑和冷卻水在冷凝器中進行熱交換，制冷劑放熱后變?yōu)楦邏阂后w，通過熱力膨脹閥后，液態(tài)制冷劑壓力急劇下降，變?yōu)榈蛪阂簯B(tài)制冷劑后進入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中，低壓液態(tài)制冷劑通過與冷凍水的熱交換吸收冷凍水的熱量，冷凍水通過盤管吹出冷風以達到降溫的目的，溫度升高了的循環(huán)水回到冷凍主機又成為了冷凍水，而變?yōu)榈蛪赫羝闹评鋭?，在通過回氣管重新吸入壓縮機，開始新的一輪制冷循環(huán)。而冷卻水在與制冷劑完成熱交換之后，由冷卻水泵加壓，通過冷卻水管道到達散熱塔與外界進行熱交換，降溫后的冷卻水重新流入冷凍主機開始下一輪的循環(huán)。圖2.1 中央空調系統(tǒng)的組成框圖1. 冷凍水系統(tǒng)（1）冷凍機

17、組這是中央空調的“致冷源”，通往各個房間的循環(huán)水由冷凍機組進行“內部熱交換”，降溫為“冷凍水”。（2）盤管風機安裝于所有需要降溫的房間內，用于將由冷凍水盤管冷卻了的冷空氣吹入房間，加速房間內的熱交換。（3）冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍泵及冷凍水管道組成。從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各房間內進行熱交換，帶走房間內的熱量，使房間內的溫度下降。從冷凍機組流出、進入房間的冷凍水簡稱為“出水”；流經(jīng)所有的房間后回到冷凍機組的冷凍水簡稱為“回水”。2. 冷卻水系統(tǒng)（1）冷卻塔冷凍主機在制冷過程中，必然會釋放熱量，使機組發(fā)熱。冷卻塔用于為冷凍主機提供“冷卻水”。冷卻水在盤旋流過冷凍主機后，將

18、冷凍主機降溫。（2）冷卻塔風機用于降低冷卻塔中的水溫，加速將“回水”帶回的熱量散發(fā)到大氣中去。（3）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷卻機組進行熱交換，使水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量。該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水送回到冷凍機組。如此不斷循環(huán)，帶走了冷凍機組釋放的熱量。流進冷凍機組的冷卻水簡稱為“進水”,從冷卻機組流回冷卻塔的冷卻水簡稱為“回水”。2.2 中央空調現(xiàn)狀在變頻調速技術用于中央空調控制系統(tǒng)之前，中央空調系統(tǒng)的控制方法主要存在以下問題：1. 冷卻水系統(tǒng)的不足從設計角度

19、考慮，冷卻水泵電機的容量是按照最大換熱量（即環(huán)境氣溫最高，且所有場所的空調都開足）的情況下，在取一定的安全系數(shù)來確定的。而通常情況下，由于季節(jié)和晝夜溫差的變化以及開機數(shù)目的不足，實際換熱量遠小于設計值，因此，電機容量遠大于實際負荷，出現(xiàn)了大馬拉小馬的情況。在從冷卻水流量來考慮，冷卻水的作用是要及時將冷凝器中的熱量帶走以保證制冷機能正常工作。從節(jié)能的角度看，只要能保證制冷機正常工作，冷卻水的流量越小，所做的無用功就越少，節(jié)能也就越明顯。根據(jù)流量公式q=sv，過去由于轉速不能調，只能通過調節(jié)節(jié)流閥來改變管道橫切面積s的方式來調節(jié)流量q，節(jié)流閥的存在對水流產生阻力，從而產生節(jié)能損耗，并且會引起機械振

20、動和產生噪音。冷卻水是用冷卻水泵將其送到冷卻搭中去的，由冷卻塔風扇對其進行噴淋冷卻，與大氣進行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中去，這樣會對中央空調系統(tǒng)周圍的環(huán)境造成熱島效應。2. 冷凍水系統(tǒng)的不足冷凍水泵的作用是將經(jīng)制冷機降溫的冷凍水通過輸送管道送到中央空調的各出風口處的風機盤管組件中，對環(huán)境起降溫作用，冷凍水的流量與冷凍水泵的轉速成正比，當冷凍水泵轉速高時，冷凍水的流量大，流速也快。因此，當冷凍水流過風機盤管組件時，還沒有充分的時間將所攜冷量全都釋放完，就又返回到制冷機去了，因此冷凍水泵電機做了很多無用功，這些都是不必要的能耗。若能夠調節(jié)冷凍水泵電機的轉速，根據(jù)實際熱負荷的大小來調節(jié)冷凍水的流量（

21、實際上是調節(jié)交換冷量的大?。┖土魉伲员阕尷鋬鏊陲L機盤管組件中有充分的時間釋放與熱負荷大小相當?shù)睦淞?，冷凍水泵電機的功耗可大大降低。3. 水泵頻繁開啟的不足通過水泵開啟臺數(shù)的控制，造成電機起停頻繁，對設備長期安全運行帶來不利影響，起動電流通常為額定值的5倍左右，電機在如此大的電流沖擊下，進行頻繁的起停，對電機、接觸器觸點、空氣形狀觸點產生電弧沖擊，也會給電網(wǎng)帶來一定沖擊，起動時帶來的機械沖擊和停止時的承重現(xiàn)象也會對機械傳動、軸承、閥門等造成疲勞損傷。原國家經(jīng)貿委于1994年下發(fā)了763號文件關于加強風機、水泵節(jié)能改造的意見，鼓勵支持變頻節(jié)能技術在各行各業(yè)中推廣使用，使變頻節(jié)能獲得政策上的支持

22、。另外，根據(jù)交流電機的特性，要實現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調節(jié)，最佳的方法就是采用變頻調速技術，變頻器是將標準的交流電轉成頻率、電壓可變的交流電，供給電機并能對電機轉速進行調節(jié)的裝置。采用變頻調速技術對風機、水泵的節(jié)能改造，不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費，而且還會極大提高控制和調節(jié)的精度，從而方便地實現(xiàn)恒溫空調系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。在近年來出現(xiàn)一些對中央空調系統(tǒng)實施變頻改造的項目，取得不錯的節(jié)能效果。而如何采用更先進的控制方法實現(xiàn)系統(tǒng)更加節(jié)能而高效的運行值得進一步研究。設計優(yōu)良的控制系統(tǒng)要能在各種供冷負荷條件下高效運行，水泵風機等的流量可以隨著負荷變化而自動調節(jié)變化，用戶側室溫保持穩(wěn)定，而更重

23、要的是能給投資者帶來良好的投資回報。2.3 系統(tǒng)耗能成因分析在中央空調系統(tǒng)中，冷凍水泵和冷卻水泵的容量是按建筑物的最大熱負載設計選定的，留有比較多的余量，從而使設備在一年四季都固定在大流量下運行。但是由于季節(jié)、氣候、晝夜和用戶負荷的變化，實際空調的熱負荷在大部分時間都比設計要低。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12月熱負載率100%75%50%25% 圖2.2 熱負載年變化圖圖2.2、2.3為某大廈的實際熱負載變化情況，可見，與決定水泵流量和壓力的最大設計負載相比，一年中負載率低于時間的一半以上。一般冷凍水設計溫差為57，50%的時間要占全部冷卻水的設計溫差為45，在系統(tǒng)冷凍泵

24、和冷卻水泵流量固定不變的情況下，溫差并不穩(wěn)定。而且全年大部分時間溫差僅為13，即長期在低溫差、大流量情況下運行，不僅浪費了大量的電能，而且還造成大樓內空調冷暖不適的情形。一般空調水泵的耗電量約占空調系統(tǒng)總耗電量的20%-30%，故節(jié)省低熱負載時水泵的耗電量，具有很重要的意義。在中央空調系統(tǒng)冷卻水泵和冷凍水泵中采用變頻調速技術，實現(xiàn)循環(huán)水流量隨熱負載變化而自動調節(jié)，顯示了很大的節(jié)能優(yōu)越性。0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 時熱負載率100%75%50%25% 圖2.3 熱負載日變化圖對于水泵而言，流量q與轉速n的一次方成正比，溫差t與轉速n的一次方成反比，揚程h與轉速

25、n的二次方成正比，而軸功率p則與轉速n的三次方成正比，即：， （2.1）參看下表：表2.1 轉速與流量溫差揚程軸功率的關系轉速 n(%) 流量q(%)溫差t(%)揚程h(%)功率p(%)100100 10010010090901108172.980 801256451.270701434934.360601673621.650502002512.5從上表數(shù)字中，可看出當實際氣溫較空調設計最高溫度相差越大，節(jié)能效果就越明顯，例如，晚秋（n月初至次年4月初）之間，應算在白天平均最高氣溫下，也僅運行在50%的負載，該期間全天24小時平均負載僅為20%-30%，即節(jié)電率可達70%80%，很顯然，中央空

26、調循環(huán)水采用變頻調速實現(xiàn)變流量控制，節(jié)能效果十分顯著，節(jié)電率通常都在40w以上（非24小時運行），當然，若在610月間，日氣溫在3335以上時（主要時間在該日中午12:00下午3:00間），設備幾乎全頻運行，即滿負荷運行，此時系統(tǒng)是無法節(jié)能的。 3 變頻器調速的原理及控制改造過程3.1 變頻器調速的原理異步電動機的轉速公式： （3.1）式中，n為電動機轉速；f為電動機定子的供電頻率；s為轉差率；p為電動機定子繞組極對數(shù)；n0為旋轉磁場的同步轉速。由上式可知，調節(jié)轉速有3種方法，改變頻率f、改變電機磁極對數(shù)p、改變轉差率s。在以上調速方法中，變頻調速性能最好，調速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高

27、。因此用改變頻率來改變轉速的方法最方便有效。1. 變頻調速的基本控制方式在進行異步電機調速時，希望保持電機中每極磁通量為定量不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，也不能產生足夠的電磁力矩，影響電機的加減速時的快速性；如果增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。三相異步電機定子每相電動勢的有效值是： （3.2）式中，定子頻率； 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；基波繞組系數(shù)；每極氣隙磁通量。由上式可知，、是常數(shù)，只要控制好和，便可達到控制磁通的目的。對此，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況。2. 基頻以下調速由上式可知，要保持不變，當頻率從額定值。向

28、下調節(jié)時，必須同時降低，使:/=常值即采用恒定的電動勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接測量的，當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓，則得：/=常值低頻時，和都較小，定子漏阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略，這時，可以人為的把電壓抬高一些，以便近似的補償定子漏阻抗壓降。其控制特性如圖所示。圖3.1 恒壓頻比控制特性：1不帶定子壓降的補償；2帶定子3. 基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率可以從向上增高，但電壓卻不能超過電機的額定電壓u，n最多只能保持=。由上式可知，這將迫使磁通與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基

29、頻以上的情況結合起來可得圖3.2所示的異步電動機變壓變頻調速控制特性。恒轉矩負載恒功率控制圖3.2 異步電動機變壓變頻調速控制特性如果電動機在不同的轉速下都具有額定電流，即電機都能在溫升允許清況下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化。根據(jù)電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質；而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的裝機容量足夠大，所以不會出現(xiàn)基頻以上調速的情況，因此主要考慮基頻以下調速。3.2 調速系統(tǒng)的控制依據(jù)1. 中央空調系統(tǒng)變頻的控制方式在水系統(tǒng)的變頻調速方案中，可行的控制方式主要有兩種：（1）壓差為主

30、的控制方式即以制冷主機的出水壓力和回水壓力之間的壓差作為控制依據(jù)，使循環(huán)于各樓層的冷凍水能夠保持足夠的壓力，進行恒壓差控制。如果壓差低于規(guī)定下限值，電動機的轉速將不再下降。當壓差較小，說明系統(tǒng)負荷不大，減小水泵的轉速，壓差上升；當壓差較大，說明系統(tǒng)負荷較重，增加水泵的轉速，壓差下降。這樣一來，既考慮到了系統(tǒng)負荷的因素，又改善了節(jié)能效果。（2）溫差為主的控制方式這種方式同樣對壓差進行檢測，壓差低于規(guī)定下限值，電動機的轉速將不再下降，確保各樓層的管路具有足夠的壓力。但所不同的是非恒壓差控制。以制冷主機的回水溫度和出水溫度之間的溫差信號為反饋信號，使循環(huán)于各樓層的冷凍水能夠保持足夠的低溫，進行恒溫差

31、控制。當溫差較小，說明系統(tǒng)負荷不大，減小水泵的轉速，溫差上升；當溫差較大，說明系統(tǒng)負荷較重，增加水泵的轉速，溫差下降。不論使用何種調節(jié)方法，其流量調節(jié)的范圍不應低于系統(tǒng)的報警閑值。嚴格地說，排除冷凍水在傳輸途中的損失的話，制冷主機的回水溫度和出水溫度之差表明了冷凍水從房間帶走的熱量，相比壓差更能反映系統(tǒng)供冷負荷，應該作為控制依據(jù)。因此決定在控制系統(tǒng)中采用溫差為主的控制方式。制冷主機的出水溫度一般較為穩(wěn)定，一般為設定值，其差值一般為。因此實際上，也可以只根據(jù)回水溫度進行控制。2. 以溫差為主的控制方式的優(yōu)點采用以溫差為主的控制方式，非常適合對已有空調的變頻改造。相比其他控制方式，無需在各支路增加

32、電動二通調節(jié)閥，又能保證系統(tǒng)運行的可靠性。各支路并沒有采用自主調節(jié)的電動二通閥門，閥門的開度還是根據(jù)初調節(jié)決定的。這樣經(jīng)過改造后的變流量系統(tǒng)，在泵進行調速時，流量還是按照原先的比例進行分配。絕大多數(shù)情況下，各個房間的負荷急劇變化的情況很少出現(xiàn)，可以近似認為是相似工況，所以按照過去比例分配流量是可行的。采用這種控制方式將定流量系統(tǒng)改造為變流量系統(tǒng)有以下優(yōu)點:（l）改造費用低。可利用原有閥門，節(jié)省電動二通閥的費用，更重要的是沒有改變管路的原有特性。在經(jīng)過校核計算冷凍機最小流量的前提下，設定泵的轉速的最小頻率，不需要增加二次泵；（2）施工難度低。不需要對系統(tǒng)進行大的改造，全部改造在機房內就可完成;（

33、3）運行管理和維修保養(yǎng)相對簡便。由于改造涉及部分只有變頻器、溫度和壓傳感器等少數(shù)設備，并不增加管理人員的工作量。3. 溫差控制過程中央空調系統(tǒng)的外部熱交換由兩個循環(huán)水系統(tǒng)來完成。循環(huán)水系統(tǒng)的回水與進（出）水溫度之差，反映了需要進行熱交換的熱量，因此根據(jù)回水與進（出）水溫度之差來控制循環(huán)水的流動速度，可以控制系統(tǒng)熱交換的速度。由于冷卻塔的水量是隨環(huán)境溫度而變的，其單側水溫不能準確反映冷凍機內產生熱量的多少，所以對于冷卻泵，以進水回水間的溫差作為控制依據(jù)，實現(xiàn)進水和回水的恒溫差控制也是合理的，溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機組產生熱量小

34、，可以降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。3.3 變頻器對中央空調系統(tǒng)地控制過程1. 對冷凍（溫）水泵的控制項目中冷凍水泵的變頻控制信號取自蒸發(fā)器兩端的溫差，我們采用兩個溫度傳感器、一個溫差調節(jié)器與變頻器組成溫差閉環(huán)控制系統(tǒng)，對冷凍水的出水、回水的溫差進行控制，使冷凍水泵的轉速相應于熱負載的變化而變化。冷凍水泵電動機應采用軟啟動。冷凍水泵電動機啟動頻率系統(tǒng)設定為45hz。為保護空調系統(tǒng)的安全運行，冷溫水系統(tǒng)最低運行頻率設定值為30hz。在溫差調節(jié)器上設定上限報警輸出信號，當末端負荷突變，溫差達到5時，將頻率直接切換到45hz。使水泵輸出加大到最大流量，以提高負載的跟蹤速度。冷凍

35、水泵啟動后，按智能控制器輸出的控制參數(shù)值，調節(jié)冷凍水泵變頻器的運行頻率，控制冷凍水泵的轉速，動態(tài)調節(jié)冷凍水的流量，使冷凍水的供回水溫度逼近智能控制器給定的最優(yōu)值。夏天：冷凍水額定供水溫度為7，額定回水溫度為12，溫差t=5。冬天：冷溫水供水溫度為50，回水溫度為45，溫差t=5。當冷凍水泵正常運行后，若實際所需耗冷量大于1臺空調主機制冷量，應提示操作人員準備啟動第二臺空調主機。在得到冷卻水閥門和冷凍水閥門都已開啟的確認后，系統(tǒng)以軟啟動方式依次啟動第二臺冷卻水泵和第二臺冷凍水泵。當?shù)诙_變頻器的運行頻率達到第一臺變頻器的運行頻率時，提示操作人員可以開啟第二臺空調主機。系統(tǒng)依據(jù)供回水溫度實測值與設

36、定值的誤差及誤差變化率，智能控制器根據(jù)模糊控制的運算值，確定冷凍水泵運行頻率，此時二臺水泵保持相同頻率運行。溫差反饋用戶蒸發(fā)器冷凍水泵溫差調節(jié)變頻器電機溫差設定當?shù)诙_水泵正常運行后，若實際所需耗冷量小于1臺空調主機制冷量，應提示操作人員準備停止第二臺空調主機。在得到第二臺空調主機己經(jīng)停止的確認后，系統(tǒng)以軟停機方式依次停止第二臺冷凍水泵和第二臺冷卻水泵。系統(tǒng)仍然依據(jù)供回水溫度實測值與設定值的誤差及誤差的變化率，智能控制器根據(jù)模糊控制的運算值，確定冷凍水泵的運行頻率，使供回水溫度逼近設定值。冷凍水泵變頻控制系統(tǒng)圖如下所示圖3.3 冷凍水變頻控制系統(tǒng)框圖2. 對冷卻水泵的控制項目中冷卻水泵的變頻控

37、制信號取自冷凝器進、出水（冷卻水的進水、出水）溫度差，當進、出水溫差大于設定值時，頻率無級上調至上限頻率，當進、出水溫差小于設定值時，頻率無級下調至下限頻率。進、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高。進、出水溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。為保證主機的最小流量要求，設定變頻器最低下限頻率為30hz并鎖定，即保證最小流量為70%。防止主機升溫。冷卻水泵啟動后，按智能控制器輸出的控制參數(shù)值調節(jié)冷卻水泵變頻器的運行頻率，控制冷卻水泵的轉速，動態(tài)調節(jié)冷卻水的流量，使冷卻水的進、出水溫度逼近智能控制器給定的最優(yōu)值。冷卻水進水溫度為32，出水溫度為37，溫差t=5。當溫度超過37時，將頻率直接提升到45hz

38、，加大冷卻泵輸出流量，以保障主機的安全運行需求。冷卻水系統(tǒng)變頻控制框圖如下3.4圖所示溫差反饋冷凝器冷卻水泵溫差調節(jié)變頻器電機溫差設定冷卻塔圖3.4 冷卻水變頻控制系統(tǒng)框圖3. 對冷卻塔風機的控制項目中冷卻水泵的變頻控制信號取自冷凝器進、出水（冷卻水的進水、出水）溫度差，當進、出水溫差大于設定值時，頻率無級上調至上限頻率，當進、出水溫差小于設定值時，頻率無級下調至下限頻率。進、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高進、出水溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。當風機啟動后，在冷卻塔風機頻率設定高限值45hz保持運行30分鐘后，系統(tǒng)根據(jù)空調主機冷卻水進出水溫度傳感器的輸入值變頻調節(jié)風機轉速，使冷卻水進水溫

39、度逼近設定值，從而保證中央空調主機隨時處于最佳運行狀態(tài)。以實現(xiàn)冷卻塔風機和空調主機在最佳工況下的節(jié)能運行。冷卻塔風機出水溫度(冷凝器的進水溫度)設定值為32，進水溫度（冷凝器的出水溫度）設定值為37，溫差t=5。冷卻塔風機自動停機溫度為冷卻塔風機出水溫度（冷卻水進水溫度）28。當冷卻塔風機出水溫度（冷卻水進水溫度）降至28，風機自行軟停機；當冷卻塔風機出水溫度（冷卻水進水溫度）升至32，風機自行軟開機。保證主機的正常運行。冷卻塔風機變頻控制系統(tǒng)框圖如下3.5圖所示。圖3.5 冷卻塔風機變頻系統(tǒng)控制圖中央空調系統(tǒng)通常分為冷凍（媒）水和冷卻水兩個系統(tǒng)。根據(jù)國內外最新資料介紹，并多處通過對在中央空調

40、水泵系統(tǒng)進行閉環(huán)控制改造的成功范例進行考察，現(xiàn)在水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的方案大都采用變頻器來實現(xiàn)。4. 冷凍（媒）水系統(tǒng)的閉環(huán)控制（1）制冷模式下冷凍水系統(tǒng)的閉環(huán)控制該方案在保證最末端設備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水溫度大于設定溫度時頻率無極上調。（2）制熱模式下冷凍水系統(tǒng)的閉環(huán)控制該模式是在中中央空調中熱泵運行（即制熱）時冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案。同制冷模式控制方案一樣，在保證最末端設

41、備冷凍水流量供給的情況下，確定一個冷凍泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減。不同的是：冷凍回水溫度小于設定溫度時頻率無極上調，當溫度傳感檢測到的冷凍水回水溫越高，變頻器的輸出頻率越低。另外，針對已往改造的方案中首次運行時溫度交換不充分的缺陷，無錫伊萊克電氣有限公司生產的系列智能變頻器增加了首次起動全速運行功能，通過設定變頻器參數(shù)可使冷凍水系統(tǒng)充分交換一段時間，然后再根據(jù)冷凍回水溫度對頻率進行無極調速，并且變頻器輸出頻率是通過檢測回水溫度信號及溫

42、度設定值經(jīng)pid運算而得出的。5. 冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制目前，在冷卻水系統(tǒng)進行改造的方案最為常見，節(jié)電效果也較為顯著。該方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調節(jié)冷卻水流量，當中中央空調冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中中央空調冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量，從而達到在保證中中央空調機組正常工作的前提下達到節(jié)能增效的目的?，F(xiàn)有的控制方式大都先確定一個冷卻泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設定為下限頻率并鎖定，變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進、出水溫度差和出水溫度信號來調節(jié)，當進、出水溫差大于設定值時，頻率無極上調，當進、出水溫差小于設定值時，頻率無極下

43、調，同時當冷卻水出水溫度高于設定值時，頻率優(yōu)先無極上調，當冷卻水出水溫度低于設定值時，按溫差變化來調節(jié)頻率，進、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高；進、出水溫差越小，變頻器的輸出頻率越低。3.4 變頻器在中央空調系統(tǒng)改造中的應用變頻器在中央空調系統(tǒng)的各部分的改造中都有很好的應用。經(jīng)過改造后將充分發(fā)揮節(jié)能的功效。3.4.1 冷卻機循環(huán)水系統(tǒng)介紹冷凍機組的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)如圖3.6所示。冷凍機組的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)主要由冷凍機組、冷水泵、冷卻塔組成。冷卻水經(jīng)冷卻泵加壓后，送入冷凍機組的冷凝器，屆時，由冷卻水吸收冷凝劑蒸汽的熱量，使冷凝劑冷卻、冷凝。冷卻水帶走制冷劑熱量后，被送入冷卻塔，靜布水器，通過冷卻

44、塔風機降溫，降溫后的冷卻水通過出水管，流入冷卻水泵，經(jīng)過加壓后再送入冷凍機組的冷凝器。圖3.6 冷卻機組冷卻循環(huán)水系統(tǒng)圖3.4.2 冷卻塔變頻節(jié)能改造原理冷卻塔是冷凍機組的冷卻水最主要的交換設備之一，它主要靠冷卻塔風機對冷卻水降溫，風機過去是靠交流接觸器直接啟動控制，風機的轉速也是恒定的，不能調速，因此，風機的風量也是恒定的，不能調節(jié)。為了使冷凍機組進口冷卻水溫度保持在2832之間，我們在冷卻塔水泵的出口，即冷凍機組的冷卻水進口管道上安裝一個溫度傳感器，采集冷卻水溫度，通過給出一路模擬信號給變頻器經(jīng)變頻器自身的pid進行調節(jié)如圖3.7所示，變頻器給出適當?shù)碾妷汉皖l率給冷卻塔電機調節(jié)冷卻塔風機轉

45、速和輸出功率，這樣形成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，維持冷卻水溫度，冷卻水溫度降低時，減小風機轉速，放慢熱交換的速度，從而減慢冷卻水溫度的降低。冷卻塔冷卻水泵變頻器pid冷凍機組st圖3.7 冷卻塔變頻改造示意圖3.4.3 冷卻泵和風機的變頻改造冷卻泵用于冷卻水在系統(tǒng)中的循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，水流進制冷機組（簡稱為“進水”），和其冷凝器進行熱交換，帶走制冷機組制冷過程中產生的熱量，再有冷卻泵送上冷卻塔（簡稱為“回水”），在進行噴淋冷卻后又流進制冷機組，并如此反復循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變化的，其單側溫度不能準確地反映制冷機組內產生的熱量的多少。 所以，對于冷卻泵的變頻改

46、造，應以回水和進水的溫度差作為依據(jù)，實現(xiàn)恒溫差是比較合理的。溫差大，則說明制冷機組產生的熱量多，應該通過變頻器提高冷卻泵的轉速，以加快冷卻水的循環(huán)速度，帶走更多的熱量；溫差小，則說明冷凍機組產生的熱量少，就可以通過變頻器降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。冷卻塔的散熱風扇主要是是用來加快冷卻水在噴淋過程中的散熱程度，對于風扇的變頻控制可以采用開環(huán)的方式，根據(jù)季節(jié)、天氣變化通過變頻器手動改變風扇的轉速。天熱的時候轉速調高一點，天涼的時候，轉速調低一點，配合冷卻泵的變頻調節(jié)，達到最佳的節(jié)能效果。冷卻泵和風扇的變頻改造方案如圖3.8所示。圖3.8 冷卻泵和散熱風機的變頻改造4 變頻器

47、在中央空調系統(tǒng)中的應用方案4.1 系統(tǒng)的設計方案中央空調水循環(huán)變流量控制系統(tǒng)，能自動跟蹤負荷的變化，自動調節(jié)水泵轉速及動態(tài)參數(shù)修正，以達到理想的節(jié)能效果。4.1.1 1控x方案（x為水泵臺數(shù)）由于變頻器的價格偏高，故許多用戶常采用由一臺變頻器控制多臺水泵的方案，即所謂1拖x方案。其工作過程如下：首先，由1號泵在變頻控制的情況下工作；當用水量增大，1號泵工作頻率上升，當已經(jīng)達到額定頻率而水壓仍不足時，經(jīng)過短暫的延時后，將1號泵切換為工頻工作。同時變頻器的輸出頻率迅速將為0hz，然后使2號泵投入變頻運行；當2號泵也達到額定頻率而水壓仍不足時，又使2號泵切換為工頻工作，讓3號泵投入變頻運行。反之，當

48、用水量減少時，則先1號泵退出工作，然后2號泵依次退出工作，完成一次加減泵的循環(huán)。此方案所需設備費用較少，但因只有一臺水泵實行變頻調速，故節(jié)能效果較差。4.1.2 “1控1”方案 即每臺水泵都由一臺變頻器來控制。這時，需指定一臺作為主泵，系統(tǒng)的工作過程如下： 首先起動1號泵（主泵），進行變頻控制； 當1號泵變頻器的輸出頻率上升到50hz，而水壓仍不足時，2號泵起動并升速，使1號泵、2號泵同時進行變頻控制；當1號泵的變頻器的輸出頻率又上升到50hz，水壓還不足時，3號泵起動并升速，使3臺泵同時進行變頻控制。當1號泵變頻器的輸出頻率下降到下限頻率（如30hz），而水壓仍偏高時，2號泵減速并停止，進入

49、1號泵、3號泵同時進行變頻控制的狀態(tài)；當1號泵變頻器的輸出頻率再次下降到下限頻率，而水壓仍偏高時，3號泵也減速并停止，又進入1號泵單獨工作的狀態(tài)。為了均衡三臺泵的工作情況，可以進行切換，使三臺泵輪流擔任主泵，但主控變頻器則不變。此方案的一次性投入費用較高，但節(jié)能效果十分顯著。從投資、機動性、使用環(huán)境、使用要求方面考慮，“1控x”的方案比較適合而且滿足要求，因此選用第一種方案1控x方案。4.2 主電路接線圖本設計采用plc對冷卻水泵電機進行控制。其中采用了一臺變頻器對三臺電機進行變頻的調速控制。主電路主要由熔斷器、斷路器、電磁繼電器無線電噪聲濾波器、變頻器和異步電動機組。其主電路如圖4.1所示。

50、圖4.1 主電路組成電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。km1、 km3、 km5 分別為電動機m1 、m2 、m3 工頻運行時接通電源的控制接觸器，km0、 km2 、km4 分別為電動機m1、m2、 m3 變頻運行時接通電源的控制接觸器。4.3 相關器件的選型及接線本設計冷卻泵選用的三臺電動機均為75kw，采用的是一臺變頻器控制其冷卻泵電動機變頻控制?，F(xiàn)將此電動機的參數(shù)計算如下：由,可知：4.3.1 plc的選擇及接線水泵m1、m2，m3可變頻運行，也可工頻運行，需plc的6個輸出點，變頻器的運行與關斷由plc的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉需1個輸出信號控制，報警器的

51、控制需要1個輸出點，輸出點數(shù)量一共9個?？刂破饎雍屯Ｖ剐枰?個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用plc2個輸入點，系統(tǒng)自動/手動起動需1輸入點，手動控制電機的工頻/變頻運行需6個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需1個輸入點，檢測電機是否過載需3個輸入點，共需15個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入/輸出點數(shù)量共為24個點。本系統(tǒng)選用fxos-30mr-d型plc。其接線如圖4.2所示。y0接km0控制m1的變頻運行，y1接km1控制m1的工頻運行；y2接km2控制m2的變頻運行，y3接km3控制m2的工頻運行；y4接km4控制m3的變頻運行，y5接km5控制m3的工頻運行。x0接起動按鈕，x1接停止按鈕，x2接

52、變頻器的fu接口，x3接變頻器的ol接口，x4接m1的熱繼電器，x5接m2的熱繼電器，x6接m3的熱繼電器。為了防止出現(xiàn)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同時控制m1電動機的兩個接觸器km1、km0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過ol和fu輸出至plc的x2與x3輸入端作為plc增泵減泵控制信號。 圖4.2 plc的接線圖4.3.2 變頻器的選型1. 二次方率負載及其特性泵類負載屬于二次方率負載，存在以下特性：（1）轉矩特性負載的轉矩與轉速的二次方成正比，即 （4.1）（2）功率特點負載的功率（單位為kw），轉矩與轉速之間的關系是 （4.

53、2）將式4.2代入上式即可得負載的功率與轉速的三次方成正比，即 （4.3）式子二次方率負載的功率常數(shù) 2. 根據(jù)泵類負載的機械特性及其功率特性，應選擇風機泵類專用變頻器，其主要特點如下（1）風機、泵類負載一般不容易過載，所以這類變頻器的過載能力較低，為120%/1min（通用變頻器為150%/1min），因此在進行功能預置時必須注意，由于負載的轉矩與轉速的平方成正比，當工作頻率高于額定頻率時，負載的轉矩有可能大大超過變頻器額定轉矩，使電動機過載，所以，其最高工作頻率不得超過額定頻率。（2）配置了進行多臺控制的切換功能。（3）配置了一些其他專用的控制功能，如“睡眠”、“喚醒”的功能，pid調節(jié)功

54、能。3. 變頻器容量的計算變頻器供電單臺連續(xù)運行時變頻器容量的計算：連續(xù)恒定負載運行時所需的變頻器容量的計算：是負載所要求的電動機的軸輸出功率，單位是kw；是電動機的效率，通常是0.85；是電動機的功率因數(shù)，通常是0.75；是基準頻率時（通常是工頻）時電動機的額定電流單位是a；k為電流波形的修正系數(shù)，pwm方式時通常取1.0-1.05；是變頻器的額定容量單位是kw；是變頻器的額定電流，單位為a。單機供電連續(xù)運行時式子4.5、4.6兩者是統(tǒng)一的，根據(jù)上式的計算結果和表4.1，選擇fr-a540l-90k可滿足要求。fr-a540變頻器的管腳如圖4.3所示。 表4.1 三菱a系列變頻器的規(guī)格型號額定容量/kva額定電流/a適配電動機/kwfr-a540-2.2k-ch4.262.2fr-a540-7.5k-ch13177.5fr-a540-15k-ch23.63115fr-a540-45k-ch658645fr-a540-55k-ch8411055fr-a540l-75k11014475fr-a540l-90k13718090fr-a540l-110k165216110fr-a540l-132k198260132fr-a540l-160k248325160