四方E380變頻器在中央空調(diào)改造上的應(yīng)用
一、引言
中央空調(diào)是現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設(shè)施之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)電能的消耗約占建筑物總消耗的50%。中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上都是按最大負(fù)載并增加10%至20%的余量設(shè)計(jì)，由于季節(jié)、晝夜及用戶負(fù)荷的變化，實(shí)際負(fù)載比設(shè)計(jì)負(fù)載小的多，滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)間不到1%，雖然中央空調(diào)冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，但是系統(tǒng)匹配的冷凍泵、冷卻泵及冷卻塔風(fēng)機(jī)卻不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，具有很大的節(jié)能空間。
二、中央空調(diào)系統(tǒng)
如圖1所示為典型的中央空調(diào)系統(tǒng)圖，主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及冷凍主機(jī)三部分組成：
圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖
冷凍水循環(huán)系統(tǒng)
該部分主要由冷凍水泵、終端風(fēng)機(jī)盤柜機(jī)及冷凍水管道等組成。從主機(jī)蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，最后回到主機(jī)蒸發(fā)器。室內(nèi)風(fēng)機(jī)盤柜用于將空氣吹過(guò)冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內(nèi)熱交換。
冷卻水循環(huán)系統(tǒng)
該部分由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻水塔等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時(shí)，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過(guò)主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔，使之與大氣進(jìn)行熱交換。
制冷主機(jī)
中央空調(diào)主機(jī)部分由制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥及冷媒等組成，其工作循環(huán)過(guò)程為，首先低溫低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機(jī)加壓成高溫高壓液體，進(jìn)入冷凝器中經(jīng)冷卻循環(huán)水冷卻并通過(guò)室外冷卻塔把熱量釋放到大氣中。隨后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降壓變成低壓氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器，冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化，同時(shí)吸收冷凍循環(huán)水中的熱量形成冷水。最后，蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進(jìn)入了壓縮機(jī)，如此循環(huán)往復(fù)。
三、中央空調(diào)節(jié)能理論
由流體力學(xué)理論可知，離心式流體傳輸設(shè)備（如離心式水泵、風(fēng)機(jī)等）的輸出流量 Q與其轉(zhuǎn)速 n 成正比；輸出壓力 P（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比；輸出功率 N 與其轉(zhuǎn)速 n的三次方成正比，用數(shù)學(xué)公式可表示為：
Q=K1×n
P=K2×n2
N=P×Q =K3×n3 （K1 K2 K3 為比例常數(shù)）
由上述原理可知，采用變頻無(wú)極調(diào)速技術(shù)控制水泵的轉(zhuǎn)速方式調(diào)節(jié)流量，當(dāng)流量下降時(shí)，電能消耗將以三次方的比例下降。如將電機(jī)的供電頻率由50Hz 降為40Hz，則理論上，電能消耗將減少48.8%。
四、中央空調(diào)改造方案
1、循環(huán)水系統(tǒng)的控制方案
冷凍水循環(huán)系統(tǒng)采用穩(wěn)定溫差（實(shí)時(shí)根據(jù)用冷量，調(diào)整變頻器的輸出頻率來(lái)穩(wěn)定溫差）、壓差（保證最高供冷處壓力滿足要求）等參數(shù)控制；冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用穩(wěn)定溫差、及冷卻塔環(huán)境溫濕度等參數(shù)控制，冷卻系統(tǒng)溫差及環(huán)境溫濕度控制，主機(jī)性能明顯優(yōu)于冷卻水出水溫度控制。將冷凍和冷卻水的進(jìn)、出水溫差控制在4.5～5℃，控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷變化的反饋信號(hào)經(jīng)PID調(diào)節(jié)與變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，PLC根據(jù)監(jiān)控值控制變頻器工作頻率和水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，從而調(diào)節(jié)循環(huán)水流量，控制中央空調(diào)系統(tǒng)熱交換的速度。
2、冷卻塔散熱系統(tǒng)控制方案
冷卻塔散熱系統(tǒng)溫度傳感器檢測(cè)冷卻塔出水溫度值，將冷卻塔出水溫度控制在27~29℃，PLC根據(jù)出水溫度控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及變頻器的工作頻率，使冷卻水出水溫度達(dá)到設(shè)定值。
3、電氣控制方案
某大廈中央空調(diào)機(jī)組數(shù)據(jù)如下表：
改造之前工頻運(yùn)行，冷凍和冷卻進(jìn)出水平均溫差在3.5℃左右，溫差越小改造節(jié)能空間越大。
圖2 冷凍泵變頻電氣原理圖
冷凍泵變頻電氣原理如圖2所示，控制原理為：（PLC）先控制0#變頻器軟啟動(dòng)電機(jī)M1，當(dāng)M1到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，仍未達(dá)到設(shè)定溫差值時(shí)，(PLC)控制M1切換工頻電網(wǎng)運(yùn)行，然后再控制0#變頻器啟動(dòng)M2，當(dāng)M2到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，仍未達(dá)到設(shè)定溫差值時(shí)，(PLC)控制1#變頻器啟動(dòng)M3，此時(shí)0#變頻器給定50HZ額定頻率，主要控制1#變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制冷凍水的循環(huán)速度；當(dāng)M3工作在下限轉(zhuǎn)速時(shí)，如果檢測(cè)值大于設(shè)定值，(PLC)控制電機(jī)M3停機(jī)，同時(shí)控制0#變頻器調(diào)節(jié)，當(dāng)M2工作在下限轉(zhuǎn)速時(shí)，如果檢測(cè)值大于設(shè)定值，停止M1電機(jī)，0#變頻器通過(guò)調(diào)節(jié)M2水泵從而達(dá)到設(shè)定要求。
冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻塔系統(tǒng)變頻控制原理和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)變頻控制原理相同，在方案中保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝變頻控制系統(tǒng)，與原工頻系統(tǒng)之間僅設(shè)置連鎖以確保系統(tǒng)工作安全。
調(diào)試參數(shù)設(shè)置
1）F0.1 =6，CC 模擬量4～20mA輸入給定頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；
2）F0.4 =0001，選擇端子運(yùn)行命令控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、停止；
3）F0.6 =0110，禁止水泵、風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行；
4) F0.6 =30，變頻器下限頻率設(shè)為30HZ，為確保水泵風(fēng)機(jī)有效流量及電機(jī)合適的溫升；
5）F4.0=1，變頻器啟動(dòng)方式設(shè)置為轉(zhuǎn)速跟蹤再啟動(dòng)，避免冷卻塔風(fēng)機(jī)由于外界風(fēng)力作用使風(fēng)機(jī)自轉(zhuǎn)而造成再生電能損壞變頻器。
調(diào)試主要事項(xiàng)
1、整改設(shè)備安裝完畢后，先將編好的程序?qū)懭隤LC，設(shè)定變頻器參數(shù)，檢查電器部分并逐級(jí)通電調(diào)試；
2、投入試運(yùn)行時(shí)，人為地減少負(fù)荷，觀察流量是否因頻率的降低而減小，并找到制冷機(jī)報(bào)警時(shí)的最低變頻器頻率，以及流量降低后管道末端的循環(huán)情況，使變頻器工作在一個(gè)最低的穩(wěn)定工作點(diǎn)；
3、用溫度計(jì)及時(shí)檢測(cè)各點(diǎn)溫度，以便檢驗(yàn)溫度傳感器的精確度及校驗(yàn)各工況狀態(tài)。
五、中央空調(diào)系統(tǒng)變頻改造的優(yōu)點(diǎn)
1、采用變頻器閉環(huán)控制，可按需要進(jìn)行軟件組態(tài)并設(shè)定溫度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使電機(jī)輸出功率隨熱負(fù)載的變化而變化，在滿足使用要求的前提下達(dá)到最大限度的節(jié)能；
2、變頻器具有軟啟軟停，減少了振動(dòng)、噪音和磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備維修周期和使用壽命，并減少了對(duì)電網(wǎng)沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性；
3、變頻器對(duì)電機(jī)具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、接地等多項(xiàng)保護(hù)措施，使系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和安全可靠性大大提高；
4、變頻器中直流電容器的隔離作用使輸入的功率因數(shù)接近于1，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁無(wú)功電流由電容器提供，可節(jié)約電網(wǎng)容量；
5、變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)與原工頻控制系統(tǒng)互為互鎖，不影響原系統(tǒng)的運(yùn)行，且在變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)檢修或故障時(shí)，原工頻控制系統(tǒng)照樣可以正常運(yùn)行。
六、小結(jié)
四方E380系列變頻器應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，采用變頻閉環(huán)控制電機(jī)，按需要設(shè)定溫度，使設(shè)備儲(chǔ)備容量和隨時(shí)間季節(jié)的熱負(fù)載通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，在滿足使用要求下達(dá)到最大限度的節(jié)能。目前已成功應(yīng)用于多個(gè)中央空調(diào)節(jié)能改造現(xiàn)場(chǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析節(jié)電率平均達(dá)到了30%以上
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