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变频调速器在中央空调系统中的应用
1 引言
在工农业行产各人们的日常生活中，经常需要对一些物理量进行控制，如空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量等，这些系统绝大多数是用交流电机驱动的。以前由于电机的转速无法方便调节，为了达到对上述物理量的控制，人们只好采用一些简单的方法，如用档板调节风量，用阀门来调节流量压力等，致使这些系统不仅达不到很好的调节效果，而且大量的电能被档板和阀门白白浪费。据统计，我国目前使用的风机、水泵大约有25%的能量是无谓消耗。因此，国家经贸委于1994年下发了763号文件《关于加强风机、水泵节能改造的意见》，鼓励支持变频节能技术在各行各业推广使用。另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频调速器，变频器是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供给电机并能对电机转速成进行调节的装置。采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高控制和调节的精度，我们可以真正方便地实现恒温空凋系统和恒压供水系统。
2 中央空调系统
大、中型中央空调由3部分组成:
(1) 制冷、制热站
(2) 空调水管网系统
(3) 空调末端装置(空调机组，风机盘管和新风机组等)
大、中型中央空调系统框图如图1所示。
图1 大、中型中央空调系统框图
工作原理:采用设备中的风扇使室内空气循环，并通过设备中的冷、温水盘管来冷却和加热，以达到空调的目的。盘管中的冷、温水由机房中的制冷设备和锅炉提供。
该系统的缺点是:设备配置较大，风机噪音大。当环境温度变化或冷、热负荷变化时，只能通过增减冷、温水循环泵数量或使用挡风板的方法来调节室内温度，既耗费能源又造成环境温度波动。
3 负载与节能关系
(1) 负载类型与节能关系,生产机械各式各样，种类繁多，但负载类型主要分3类，它们与节能的关系见表1
(2) 几种典型负载与节能关系
由于中央空调系统中都是各种风机、泵类负载，根据流体学原理可知，p}n3，故应用变频器后，节能效果显著。表2列出风机、泵类负载应用变频器后，在不同流量q、转速n、由功率p(额定值的相对百分数)在某频率值时的节能率。
4 中央空调变频调速系统的控制依据
中央空调系统的外部热交换由2个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进(出)水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。因此，根据回水与进(出)水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制了热交换的速度，是比较合理的控制方法。
(1) 冷冻水循环系统的控制
由于冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。所以，冷冻泵变频调速系统，可以简单地根据回水温度进行如下控制:回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的循环速度，以节约能源。反之则反。总之，对于冷冻水循环系统，控制依据是回水温度，即通过变频调速，实现回水的恒温控制。原理图见图2。
图2 冷冻水循环系统的控制原理图
(2) 冷却水循环系统的控制
由于冷却塔的水温是随环境温度而变的，其单测水温不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度;温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。冷却水循环系统的控制原理图见图3。
图3 冷却水循环系统的控制原理图
5 中央空调末端送风机的变频控制
随着生活水平的提高，人们已开始关注生活与工作环境的舒适性。大型公共建筑(如商场、宾馆、影剧院等)均设置有中央空调系统，而大多数中央空调的运行，绝大部分末端机采用开/关控制方式，难以满足人们对舒适感的要求。变频技术的飞速发展，成本进一步下降，使得这一要求成为现实。
图4 手动调节控制终端
5.1 调节风量
在中央空调系统中，冷、暖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，改变送风量可以改变带入室内的制冷(热)量，从而较方便地调节室内温度。这样，便可以根据自己的要求来设定需要的室温。
调整风机的转速可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速，在变频的同时，输出端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪音，其经济性和舒适性是不言而喻的。
5.2 控制方式的确立
(1) 在室内适当的位置，安装手动调节控制终端，如图4所示，调速电位器vr和运行开关kk置于控制终端盒内，变频器的集中供电由空气开关控制，需要送电时在配电控制室直接操作。
调整频率设定电位器vr，可以改变变频器的输出频率，从而控制风机的送风量，关闭时断开kk即可，此方式成本低廉，随意性强。
(2) 当室外温度变化，或者冷/暖输送介质温度发生改变时，将可能造成室温随之改变，对环境舒适要求较高的消费群体，则可以采用自动恒温运行方式，如图5所示。
图5 自动恒温运行方式
选择内置pid软件模块的变频器。控制终端的方式同手动方式。电位器用来设定温度(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模块运算事自动改变u、v、w端子的输出频率，调整送风量，达到自动恒温运行。
(3) 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。
(4) 为降低成本，个别的变频器可能没有内置pid软件模块，选用外加pid调节器即可。
5.3 应用方案的系统考虑
(1) 共振(动):选择末端送风机时，应考虑测试其在全转速范围的共振转速点，应避免电机工作于这样的转速区，通过设定变频器的回避频率及其宽度值，则可以避免电机运行于该转速区域。
(2) 节能:风机属于平方转矩负载，应用时，选择风机、泵类专用变频器(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。
(3) 安装:变频器应装于末端机的“隔离室”内，除保证良好的散热外，还应让其不置身于潮湿环境下。亦需考虑中央空调在制冷或制热时末端机自身的温度影响。
(4) 频率限制:电机转速较低时，散热效果较差:转速过大，则会引起因风速过高而造成的不适当状态，如制冷时，可能因风速过大，致辞使冷凝水不能被吸水盘完全接收，造成外漏。应选择适宜的上、下限频率，下限频率以不小于15hz为宜，上限频率不要超过60hz，根据最大风速确定。
(5) 载波频率:将变频器的载波频率适当提高，则可以降低电机运行噪音，提高环境质量。
(6) 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。
6 机组台数控制
(1) 某大厦基本工况:3台机组，一用两备，根据大厦的热负荷量自动控制机组运行台数，自动保持各机组运行时间基本一致，达到最低能耗，达到最低的主机折旧。
(2) 解决方案
基本思路:根据回流量，供/回水温度来调节机组运行台数，负荷计算根据: q=c×m×|t1-t2|∣
注:c常数;m回水流量;t1回水温度;t2供水温度
当负荷大于单台机组80%，则第2台机组备份;当负荷大于前2台机组的负荷总量的80%，则第3台机组运行(80%该数值可调)。
采用plc作为主控制器，采用摸拟量模块进行数据采集。原理图如图6所示。
图6 某大厦控制原理图
参考文献
[1] 艾默生变频器td2100、td2000系列变频器技术手册、用户手册。
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