用變頻器控制空調(diào)冷卻節(jié)能的一次嘗試

1、 珠海市共創(chuàng)職業(yè)培訓學校 李7798844用變頻器對中央空調(diào)冷卻塔風機的節(jié)能改造【摘要】：本文敘述了中央空調(diào)系統(tǒng)運行在低負荷時，水泵、風機能耗量較大，運行效率低等問題，從中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗組成分析冷卻塔風機節(jié)能的可行性。并重點闡述用變頻調(diào)速對中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔風機進行節(jié)能降耗的改造。【關(guān)鍵詞】：變頻器、中央空調(diào)、冷卻塔風機、PID控制、節(jié)能改造?！厩把浴浚焊母镩_放以來，我國國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，但是能源緊張已成為一個棘手的問題，而且在相當一個時期內(nèi)能源的緊張狀態(tài)不會改觀。近幾年的夏天，我國許多城市都出現(xiàn)了用電緊張，供電部門被迫實施強制性錯峰用電的現(xiàn)象，中山也是眾多被迫實施強制性錯峰用電的城市之一，

2、強制性錯峰用電嚴重影響了居民的正常生活和企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營?？照{(diào)設備，尤其是中央空調(diào)設備耗電巨大，由于中央空調(diào)設計是按最高氣溫條件和最大用冷面積設計的，且留有20%左右的余量，因此中央空調(diào)絕大部分時間運行在滿負荷的70%以下，空調(diào)冷卻塔風機的配置也是和主機相匹配的，因此空調(diào)的冷卻塔風機也存在很大的節(jié)能空間。針對中山大信商廈空調(diào)系統(tǒng)設計的局限性及使用中的“大馬拉小車”現(xiàn)象。我公司作為專業(yè)的設備工程公司，我們向大信物業(yè)管理公司提出用變頻器對中央空調(diào)冷卻塔風機進行節(jié)能改造（我公司和大信物業(yè)是合作公司），得到了公司領(lǐng)導的支持，作為永安消防工程公司項目主管，我有幸在2005年組織實施了此次節(jié)能改造。改造后節(jié)

3、能效果明顯，具有良好的實用性?！菊摹浚阂?、設備的原有狀況：中山大信商廈是一家大型購物廣場，在2002年安裝了美國約克公司生產(chǎn)的單機容量為1300冷噸離心式冷水機組四臺，型號為：YKHFGBJ25DBD。供冷面積約70000m2。配備55KW冷凍一次泵6臺，型號為：ISG300-235，流量為：720m3/H，揚程為：18M，額定電流為：104A。75KW冷凍二次泵10臺，型號為：200RK400-50A，流量為：386m3/H，揚程為：46m，額定電流為：139A。132KW冷卻泵6臺，型號為：ISG300-235（I）A，流量為：965 m3/H，揚程為：32m，額定電流為：235A。有3

4、個編號分別為1#，2#和3#循環(huán)水冷卻塔，每個冷卻塔內(nèi)裝設1臺軸流風機，其直徑為5500mm，由電壓為380V，額定功率為55kW的4極異步電機驅(qū)動,額定電流為：104A。電機和風機之間采用恒定減速比的減速機直聯(lián)，塔內(nèi)不裝設節(jié)流閥。因此軸流風機的轉(zhuǎn)速與風量是不可調(diào)的。3個塔的總處理能力達6000 m3/h。 圖A 中央空調(diào)系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)流程由于大信商廈是一家大型商業(yè)廣場，他的商業(yè)定位較高，每天的人流量都很大，因此中央空調(diào)每天都必須運行。但是，隨著季節(jié)的變化，每天溫度的不斷變化，空調(diào)主機的負荷也在不斷變化，但是冷卻塔風機采用恒流裝置，負荷不隨主機負荷的變化而變化。為了控制風量，使空調(diào)所需循環(huán)水溫度

5、是32的冷水又不至于太浪費電能必須人工頻繁啟、停風機的臺數(shù)。由此可見此系統(tǒng)存在以下主要問題：1、 風機在全速下運行，不隨負荷的減小而卸載，而大部分時間風量的需求量低于設計要求，因而大量的電能被浪費。2、 人工頻繁啟、停，即不能準確的滿足設備需要，也浪費人力。3、 風機為大慣性負載，起動電流大、噪聲大、機械振動大，致使設備故障率高，維修工作量大，維修成本高。二、中央空調(diào)系統(tǒng)的能耗狀況：1、中央空調(diào)制冷主機系統(tǒng)：中央空調(diào)制冷主機系統(tǒng)在每天開啟后的前1小時左右，由于環(huán)境溫度和室內(nèi)溫度比人體感知的舒適溫度偏高，制冷主機基本工作在滿負荷狀態(tài)，隨著制冷時間延長和制冷量的增加，室內(nèi)溫度開始下降，當?shù)竭_設定溫

6、度值后，制冷主機開始逐漸自動調(diào)整負荷率，直至到卸載狀態(tài)。因此，中央空調(diào)主機的制冷在每天的制冷工作過程中除開始啟動時段內(nèi)的負載率比較高外，其余時段的負載率并不高，使用的能量相應也少，大約占中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗35%55%。2、中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)：中央空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)分為冷凍水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，在制冷主機開啟前，開啟循環(huán)泵，在制冷主機停機后，關(guān)閉循環(huán)泵。因冷卻水泵與冷凍水泵已改造過。3、冷、熱交換系統(tǒng)：冷、熱交換系統(tǒng)分冷卻塔風機和盤管風機，而盤管風機是根據(jù)用冷氣單元的使用量開啟和停止的，是不定的工作狀態(tài)，而且功率也很小、數(shù)量多。因此，它大約占中央系統(tǒng)的總能耗的5%-12%。冷卻塔風機工作是在制

7、冷主機開機前啟動，在制冷主機停止后停止。因此，冷卻塔風機在整個工作過程中沒有卸載和輕載時間的，它始終工作在基本恒定的工作狀態(tài)。大約占中央空調(diào)系統(tǒng)的總能耗的20%-25%。鑒于以上問題和缺點，我經(jīng)過認真仔細的研究，決定用變頻器對冷卻塔風機進行改造，使風機實現(xiàn)軟啟動，來降低對電網(wǎng)的影響，同時使風機運行在變頻狀態(tài)下，達到節(jié)能降耗的目的。三、中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的可行性：1、從中央空調(diào)系統(tǒng)的組成及其能耗狀態(tài)可以看出：中央空調(diào)主機耗能和水循環(huán)系統(tǒng)耗能占整個系統(tǒng)耗能的比例較大，而中央空調(diào)制冷主機系統(tǒng)帶有自動加載、卸載功能，中央空調(diào)制冷系統(tǒng)基本不需做節(jié)能改造；冷熱交換系統(tǒng)的能耗比較少，尤其是盤管風機的功率小、數(shù)

8、量多，工作時間不確定。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造一般都是對水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔風機進行節(jié)能改造。2、根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)的工作特點：中央空調(diào)制冷主機除開機的前段時間工作負荷比較大以外，其余時間的負荷并不大，能耗跟環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度低、制冷主機工作在開機前段的時間就短，環(huán)境溫度高、制冷主機工作在開機前段的時間就長，當供需達到基本平衡時，主機處于卸載狀態(tài)；水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔風機一秒鐘也不能停止工作，不管是回水、出水溫度大還是小，冷卻塔風機一直是處于恒量運行，存在著較大的節(jié)能空間。對于風機來說，在某一范圍內(nèi)變化有一大特點：TL=KLN2 PL=KPN3風量（Q）與轉(zhuǎn)速（N）成正比，負載轉(zhuǎn)距（T）與轉(zhuǎn)

9、速（N）的平方正比，軸功率（P）與轉(zhuǎn)速（N）的立方成正比。見下（表一），只要變頻器使風機的轉(zhuǎn)速稍降一點，負載轉(zhuǎn)距和軸功率就能大幅度降低，也就是實際消耗的功率可以顯著減少。表一轉(zhuǎn)速N%風量Q%頻率負載轉(zhuǎn)距T%軸功率%100100501001009090458172.98080406451.27070354934.36060303621.65050252512.5顯然，采用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，將風機的風量從不能隨負荷變化的風量運行，轉(zhuǎn)化成跟隨負荷變化的變風量運行的變風量控制系統(tǒng)的節(jié)能效果 是十分顯著的，另外，從表一還可以看出，在高風量區(qū)（90%-100%）調(diào)速控制裝置的效率變化不大。越是低風量

10、，變頻器控制所需的功率顯著減少。因此，風機最好能在低風量區(qū)（80%-90%以下）采用變頻控制，而在高風量區(qū)切換到工頻電源上，這樣節(jié)能效果更好。 四、中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔風機的節(jié)電原理：根據(jù)中央空調(diào)系統(tǒng)的工作狀況，為了達到變風量的目的，我采用了閉環(huán)控制模式變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改變風機轉(zhuǎn)速方式進行節(jié)能。由安裝在冷卻塔出水口內(nèi)的溫度傳感器測定冷卻塔出水溫度，經(jīng)過溫控器轉(zhuǎn)換成420mA標準的電流信號，送到變頻器的摸擬輸入端經(jīng)變頻器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算并與設定的水溫值比較后，給出PID調(diào)節(jié)后的輸出頻率來控制變頻器的轉(zhuǎn)速，改變風機的風量，從而改變冷卻塔的出水溫度，形成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。當出水口溫度增高，自控

11、環(huán)節(jié)令變頻器輸出頻率上升，電機轉(zhuǎn)速上升，增加風量，減小溫差。反之，頻率下降，減小風量，是溫度上升。最終達到出水溫度恒定的目的。這樣既提高了系統(tǒng)的工作效率，又使該系統(tǒng)運行在最經(jīng)濟、合理的狀態(tài)，同時，也節(jié)約了能源電能。五、中央空調(diào)系統(tǒng)冷卻塔風機的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)改造過程：1、主回路轉(zhuǎn)換由于變頻調(diào)速控制系統(tǒng)是串聯(lián)在水泵電機的輸入側(cè)，在3臺冷卻塔風機之間切換，因此，主回路也會根據(jù)風機的設計要求作相應的切換。為了保證主回路切換和運行的安全性，我采用了中間繼電器和時間繼電器對主回路進行控制。原理圖如下：（梯形圖附后） 圖B主回路切換原理圖 中央空調(diào)冷卻塔風機是根據(jù)制冷主機系統(tǒng)水循環(huán)量和冷卻塔風量的要求配置

12、的，同時配有備用泵。本空調(diào)系統(tǒng)配有1#、2#、3#3個循環(huán)水冷卻水塔。當時共有三種設計方案：（1）、一臺冷卻塔風機使用變頻器，其它兩臺為工頻。（2）、用一臺變頻器在兩臺風機間手動切換，另一臺風機為工頻。（3）、用一臺變頻器結(jié)合繼電器控制電路實現(xiàn)一拖三的控制方式。第1、2方案簡單，但不能實現(xiàn)所有風機的變頻軟啟動，不能完全實現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)冷卻塔水溫的目的。第三種方案繼電器控制電路較復雜，應用的元件也較多，雖然增加了控制難度及成本，但可以完全滿足系統(tǒng)工作的要求，且可以方便的進行下一步系統(tǒng)改造，所以采用了第3方案 ：使用一拖三的控制方式。2、變頻器調(diào)速過程我查閱了各種變頻器資料，根據(jù)電機參數(shù)及變頻器的

13、選用原則：變頻器的額定電流應大于電動機在運行過程中可能出現(xiàn)的最大電流，選用一臺日本富士電機株式會社生產(chǎn)的FRN55P11S-4CXP型變頻器,該變頻器的容量55KVA，輸出頻率0.1-120HZ，額定電流114A，大于冷卻塔風機最大運行電流。有欠壓、過壓、過流、過載能力強等優(yōu)點。由于是改造工程，原有系統(tǒng)仍然保留，設一個自動和手動選擇開關(guān)。從主回路的原理圖可以看出，交流接觸器組中KM1和KM2分別控制1#風機的變頻運行和工頻運行，而KM3和KM4則控制2#風機的變頻運行和工頻運行，KM5和KM6控制3#風機的變頻運行和工頻運行。 選擇自動時，當給出循環(huán)起動風機指令后，接觸器KM1接通，使M1風機

14、以變頻方式起動。由于風機的最低轉(zhuǎn)速必須滿足冷卻塔正常工作最小風量的要求，變頻器必須設定一個能夠滿足冷卻塔正常工作的最低頻率下限，使風機轉(zhuǎn)速成下降到一定程度不再下降。根據(jù)耐心細致的調(diào)整，下限頻率設為25HZ，是因為當風機電機頻率下降到20HZ時，冷卻塔內(nèi)循環(huán)水對風力的感覺度很弱。由于風機是大慣性負載，所以變頻器起動頻率、加減速時間的設置至關(guān)重要。若加減速時間設定過短，在加速過程中容易會出現(xiàn)過流、過載，在減速時容易出現(xiàn)過電壓保護，但設定時間過長，會導致風量調(diào)節(jié)緩慢，跟隨性能變差，使系統(tǒng)易處在短期不穩(wěn)定狀態(tài)中，因此，在滿足變頻器正常運行（不跳閘故障）的前題下，需盡量將參數(shù)設定合理。所以設水泵啟動頻率

15、為5HZ，變頻器上限頻率設為50HZ，因電機的額定最高頻率為50HZ。按循環(huán)水的工藝要求將給定溫度設為32C。當變頻器的運行頻率輸出升至50HZ時冷卻塔內(nèi)的軸流風機實行強制通風，加快冷卻塔填料上循環(huán)水與液相的熱交換，同時輸出一個上限信號給自動循環(huán)控制電路，而冷卻塔水溫仍超過設定值，經(jīng)過已經(jīng)設定在控制電路的時間繼電器延時后（一般為5min左右），自動循環(huán)控制電路會自動快速切斷KM1，接通KM2，（此處設雙輔助頭串聯(lián)機械聯(lián)鎖，保證工頻電源和變頻輸出完全隔離）將M1風機切入工頻運行，然后自動接通KM3，使M2風機變頻起動并運行。如M2風機工作頻率升到50HZ仍達不到設定溫度，則順序起動M3風機。在這

16、里每切換投入下一臺風機均要通過時間繼電器延時5min左右，因為冷卻塔內(nèi)的水溫反應較遲緩，所以在控制電路上必須有一個延時。相反，當冷卻塔水溫小于設定值時，自然要求降低頻率，當頻率降到一定值（如25HZ）時，則會自動切出一臺工頻運行的循環(huán)風機，如果輸出頻率再次低于25HZ，則再切出一臺工頻運行的循環(huán)泵?？傊冀K保持有一臺循環(huán)泵在變頻狀態(tài)，在切換時同樣要有一個延時。在這里整個電路的邏輯控制都靠中間繼電器和時間繼電器組成的控制電路來完成。這樣既保證了節(jié)能，又保證工況不受影響。a、溫度感應部分由于冷卻塔出水口水溫較低，變化范圍不大，故溫度傳感器以鉑電阻（PT100）為宜，感溫探頭的測量范圍為050，額定

17、工作電壓為DC24V，安裝在冷卻塔出水口的公共管道上。b、PID調(diào)整部分信號轉(zhuǎn)換采用AL808溫度變送器，從溫度傳感器取回的溫度信號經(jīng)處理后變?yōu)?20mA的電流信號，送給變頻器，再變頻器內(nèi)部與設定值進行比較，經(jīng)PID運算后，輸出一個隨溫度變化的模擬量值，來調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，從而控制冷卻塔風機的轉(zhuǎn)速。變頻器內(nèi)部PID系統(tǒng)調(diào)試首先進行脫機調(diào)試，即不連接空調(diào)主機，單純調(diào)試PID系統(tǒng)，將45端子間的電流調(diào)至4mA時，使pr.904=0（變頻器輸出停止頻率）。再將45端子間電流調(diào)至20mA，使pr.905=50HZ（變頻器輸出最高頻率）。將感溫探頭放置在冷卻塔出水口的公共管道上，分別輸入pr.904和

18、pr.905后，運行中央空調(diào)系統(tǒng)，運行變頻器，當溫度為28時，設定下限頻率為25HZ，當溫度為36時，設定上限頻率50HZ。c、變頻調(diào)速部分變頻器是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，它接受從溫度變送器來的模擬信號，根據(jù)模擬信號的變化，為電機提供一個頻率可變的電流，調(diào)整風機電機的運行轉(zhuǎn)速。同時根據(jù)模擬信號的變化，由PU端和OL端向自動循環(huán)控制電路輸出上限頻率和下限頻率的開關(guān)信號，通過上限頻率和下限頻率的信號來改變自動循環(huán)控制電路對電氣系統(tǒng)的邏輯控制，來改變每個水泵的運行模式。從而使冷卻塔的實際溫度值和設定值盡量保持一致，達到供需平衡。下圖為變頻器控制回路接線圖 圖C 變頻器控制回路接線圖 圖C加減速曲

19、線圖表二變頻器主要參數(shù)設定表參數(shù)名稱參數(shù)號設定值參數(shù)名稱參數(shù)號設定值電機極數(shù)Pr.814極減速時間Pr.815S上限頻率Pr.150HZ起動頻率Pr.135HZ下限頻率Pr.225HZ過流保護Pr.9110A額定頻率Pr.350HZ額定頻率電壓Pr.19380V加速時間Pr.715S電機功率Pr.8055KW3、 變頻器的安裝a、按照變頻器廠家的說明書，變頻器必須安裝在環(huán)境溫度-10-50 且需通風良好，無腐蝕的工作環(huán)境。我們的冷卻塔風機控制柜因在中央空調(diào)主機房安裝，所以以上的安裝條件都可以滿足。 b、我們在原冷卻塔風機控制柜旁并列重新安裝一臺立式控制柜，用來安裝變頻器和自動循環(huán)控制回路，變頻器在柜內(nèi)立式安裝，變頻器的接地和去風機電機的接地及柜內(nèi)主電源的接地進行可靠連接。冷卻塔安裝在附樓的4層樓頂，中央空調(diào)的主機房在附樓的地下一層，從冷卻塔風機的電機到風機控制柜變頻器的輸出端有32米，完全符合變頻器輸出有效距離50米的范圍。 C、在變頻器控制柜內(nèi)，把變頻器及其主回路線路與自動循環(huán)控制回路的元器件及其線路分開排列，使其不相互干擾?？刂凭€路排列在柜內(nèi)控制線槽內(nèi)，變頻器的進出主電源由于線徑較粗（35mm2）在柜內(nèi)裸排，連接處用端子壓接，在柜內(nèi)