变频器在中央空调系统中的节能应用

摘要 本文分析了中央空调系统中冷冻水、冷却水循环系统和风机电能浪费的原因，阐述中央空调系统的工作原理。利用变频器内置的PID功能，构成了冷冻水泵、冷却水泵和风机的闭环自动控制系统，使电动机的输出功率根据需要自动调节，不仅增加系统运行的稳定性、可靠性，而且使节约电能高达30%以上，带来良好的经济效益。 在中央空调系统中，冷冻水泵和冷却水泵的容量是根据空调系统最大设计热负荷选定的，且留有一定的设计余量。在没有使用调速的系统时，水泵在全负荷状态下运行，只有采用节流或回流的方式来调节流量，产生大量的节流或回流浪费，由此造成了水泵电机电能的很大浪费。由于外界气温的不断变化，使得中央空调的热负荷在绝大部分时间里运行在低负荷状态下。据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的70%以上，其中，中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20一40/0，实践证明，利用变频技术调节冷却泵和冷冻泵电机的转速，来调节流量和压力的变化取代用阀门控制流量，不仅增加系统运行的稳定性、可靠性，而且使节约电能高达30/0以上，带来良好的经济效益。 中央空调系统的工作原理冷却水循环系统 中央空调系统主要组成结构如图1所 示，由冷冻水泵、变频器、冷冻水（热水）循环系统和冷却水泵、变频器、冷却水循环系统及空调主机组成。冷冻水泵电机、冷却水泵电机分别由变频器控制，空调主机完成冷冻水循环系统和冷却水循环系统的热量交换任务。 中央空调系统的工作原理 1. 冷冻水循环系统的控制。由冷冻水管道及热交换器等组成，冷冻泵加压使冷冻水在冷冻水管内往复循环。从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送人冷冻水管道，在各个房间内由风机将与热交换器充分接触的清洁空气送入室内，进行热交换，带走房间内热量，从而达到调节室温的目的。 2. 冷却水循环系统的控制。由冷却水管道及冷却塔等组成，冷却泵加压使冷却水在冷却水管及冷却塔中往复循环。冷冻水循环系统和冷却水循环系统在空调主机内通过蒸发器、冷凝器进行热量交换，冷冻水释放热量使水温降低，由冷冻泵加压循环;冷却水吸收热量使水温升高，由冷却泵压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到主机内进行热交换。如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。 对中央空调系统的变频节能改造的控制线路 冷冻水循环系统的变频闭环控制节能改造 具体控制方式如图2所示。对于冷冻水系统，其出水温度取决于主机内的蒸发器设定值，回水温度取决于主机内的蒸发器接收的热量，中央空调冷冻出水温度与冷冻的回水温度设计最大温差为6℃ （例如出水为8℃，回水为14℃），现采用在蒸发器的出水管和回水管路上装有检测其温度的感温探头，分别将温度传于温度传感器。由温度传感器把出水管和回水管的温差变化转换为4一20mA的电流信号，并反馈于变频器的4、5端子，由4一20mA的电流信号控制变频器的输出频率，再由变频器的输出频率控制水泵电动机的转速。温度传感器和变频器内置的PID功能构成了冷冻水循环系统的闭环自动控制系统，当温差变大、偏离定值时，变频泵会自动加速，使出/回水温差往定值靠近;反之，当出/回水温差下降，变频泵自动减速。取得了由变频器根据温差自动调速代替采用阀们节流的方式来调节流量目的，从而达到了节能的效果。 冷却水循环系统的变频闭环控制节能改造 对于冷却水循环系统，主要功能是散发冷却水中的热量，降低冷却水的温度，所以仍然可采用温度传感器和变频器内置的PID功能构成冷却水循环系统的闭环控制系统。 具体控制方式如图3所示。在冷凝器的出水管和回水管路上装有检测其温度的感温探头，分别将温度传于温度传感器。由温度传感器把出水管和回水管的温差变化转换为4一20mA的电流信号，并反馈于变频器的4、5端子，由4一20mA的电流号控制变频器的输出频率，再由变频器的输出频率控制水泵电动机的转速。温度传感器和变频器内置的PID功能构成了冷却水循环系统的闭环自动控制系统，温差大，说明冷却机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度;反之则应该降低转速，使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化，而冷却水的温差保持在设定值不变。取得了由变频器根据温差自动调速代替采用阀门节流的方式来调节流量目的，从而达到了节能的效果。 中央空调末端送风机的的变频闭环控制节能改造 1.调节风量。 在中央空调系统中，热量的输送介质通常是水，在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。在输送介质（水）温度恒定的情况下，通过改变送风量的大小来改变带入室内的制冷量，从而较方便地调节室内温度。使用变频器对风机实现无级变速来改变送风量的大小，取代了采用挡板调节送风量，不仅节约了电能，而且降低了系统噪音，增加了室内的舒适性。 2.控制方式的选择。 （1） 手动调节控制方式。具体控制方式如图4所示。当开关SB闭合后，变频器控制风机电动机开始运转，由手动电位器WR控制变频器的输出频率，从而控制风机电动机的运转。通过变频器对风机的无级变速，较方便地实现了按需调节送风量，从而达到了随意调节室温的目的。 （2） 自动恒温运行方式。具体控制方式如图5所示。当室外温度变化，或者冷水输送介质温度发生改变时，可能造成室温随之改变，采用内置PID软件模块的变频器，对风机进行自动调速，实现室温自动恒定。控制终端的方式与手动方式相同，电位器WK用来设定温度（而不是调整频率），变频器通过采集来自反馈端VPF/IPF的温度测量值，与给定值作比较，送入PID模块运算，自动改变变频器的输出频率，从而调整风机的送风量，达到自动恒温运行的目的。送风机的分布可能不是均匀的，对于稍大的室内空间，则可以采用“区域温度平均法”策略调节送风量，以满足特殊需要量场所。 对冷冻水泵、冷却水泵和送风机控制的变频节能改造方案在保留原工频系统的基础上加装，并且与原工频系统之间须设置联锁以确保系统工作安全。 在保留原工频系统的基础上加装，并且与原工频系统之间须设置联锁以确保系统工作安全。 使用变频器时设置参数应注意的几个问题 上 、下 限频率的设定 因为是在原系统基础上进行的变频改造，所以电动机仍是普通型三相异步电动机，而不是变频专用型电动机，所有变频器的上限频率的设定值不宜超过50Hz。在设置风机变频器的上、下限频率时，还要考虑空气与冷冻水管的充分热交换和室内的舒适性，所以应根据现场实际选择适宜的上、下限频率，一般下限频率以不小于15Hz，上限频率不要超过50Hz为宜。 避免共振频率 应先测试电动机的共振转速点，然后所有变频器都应设定回避频率及其宽度值，以避免共振现象的发生，保证系统可靠、安全工作。 载波频率的设定 将变频器的载波频率适当提高，则可以降低电动机运行噪音，提高环境质量。多机并联运行时，若电机距离变频器较远，则需调整载波频率，以避免引起电机电流振荡。 转矩曲线的（V/F）设定 水泵和风机都属于平方率转矩负载，适宜选择水泵类、凤机专用变频器（亦称为节能型变频器）较好，并将其转矩曲线（V/F） 设定为“平方转矩”，这样可以达到较好的节能效果。 中央空调系统经变频改造后的性能 1.变频器对电动机有过电压、欠电压、过电流、短路等多种保护功能，使系统运行的稳定性、安全可靠性得到大大提高。 2. 由于软启动、软停机和降速运行，减少了振动、噪音和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命，提高了设备的MTBF（平均故障维修时间）值，并减少对电网冲击，提高了系统的可靠性和运行效率。 3.变频调速系统主回路与原水泵主回路并联，变频系统控制回路与原水泵工频控制回路互锁;变频系统并人不影响其原系统的正常使用。变频系统需检修，可立即切换到原工频状态运行。 4.采用变频器闭环控制，可按需要进行软件组态并设定温度进行PID调节，实现恒温差控制;并使电动机输出功率随热负载的变化而变化，在满足使用要求的前提下达到最大限度的节能。 对中央空调系统的水泵、凤机进行变频调速改造，采用温度传感器和变频器的PID调节功能配合使用，构成了恒温差闭环控制系统。不仅提高了中央空调系统运行的稳定性、安全可靠性，实现了高度自动化调节，提高了空调的制冷质量和效果，而且取得了30%左右的节电效果。 参考文献【1】李佐周，卫宏毅，岑铭伦.制冷与空调设备原理.北京:高等教育出版社，1994 【2】 吴忠智，吴加林.变频器应用手册（第2版）[M].北京:机械工业出版社，2002