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變頻調(diào)速器在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用
1 引言
在工農(nóng)業(yè)行產(chǎn)各人們的日常生活中，經(jīng)常需要對(duì)一些物理量進(jìn)行控制，如空調(diào)系統(tǒng)的溫度、供水系統(tǒng)的水壓、通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量等，這些系統(tǒng)絕大多數(shù)是用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。以前由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速無法方便調(diào)節(jié)，為了達(dá)到對(duì)上述物理量的控制，人們只好采用一些簡單的方法，如用檔板調(diào)節(jié)風(fēng)量，用閥門來調(diào)節(jié)流量壓力等，致使這些系統(tǒng)不僅達(dá)不到很好的調(diào)節(jié)效果，而且大量的電能被檔板和閥門白白浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國目前使用的風(fēng)機(jī)、水泵大約有25%的能量是無謂消耗。因此，國家經(jīng)貿(mào)委于1994年下發(fā)了763號(hào)文件《關(guān)于加強(qiáng)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能改造的意見》，鼓勵(lì)支持變頻節(jié)能技術(shù)在各行各業(yè)推廣使用。另外，根據(jù)交流電機(jī)的特性，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調(diào)節(jié)，最佳的方法就是采用變頻調(diào)速器，變頻器是將標(biāo)準(zhǔn)的交流電轉(zhuǎn)成頻率、電壓可變的交流電，供給電機(jī)并能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速成進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置。采用變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)、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(fèi)，而且還會(huì)極大提高控制和調(diào)節(jié)的精度，我們可以真正方便地實(shí)現(xiàn)恒溫空凋系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。
2 中央空調(diào)系統(tǒng)
大、中型中央空調(diào)由3部分組成:
(1) 制冷、制熱站
(2) 空調(diào)水管網(wǎng)系統(tǒng)
(3) 空調(diào)末端裝置(空調(diào)機(jī)組，風(fēng)機(jī)盤管和新風(fēng)機(jī)組等)
大、中型中央空調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 大、中型中央空調(diào)系統(tǒng)框圖
工作原理:采用設(shè)備中的風(fēng)扇使室內(nèi)空氣循環(huán)，并通過設(shè)備中的冷、溫水盤管來冷卻和加熱，以達(dá)到空調(diào)的目的。盤管中的冷、溫水由機(jī)房中的制冷設(shè)備和鍋爐提供。
該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是:設(shè)備配置較大，風(fēng)機(jī)噪音大。當(dāng)環(huán)境溫度變化或冷、熱負(fù)荷變化時(shí)，只能通過增減冷、溫水循環(huán)泵數(shù)量或使用擋風(fēng)板的方法來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，既耗費(fèi)能源又造成環(huán)境溫度波動(dòng)。
3 負(fù)載與節(jié)能關(guān)系
(1) 負(fù)載類型與節(jié)能關(guān)系,生產(chǎn)機(jī)械各式各樣，種類繁多，但負(fù)載類型主要分3類，它們與節(jié)能的關(guān)系見表1
(2) 幾種典型負(fù)載與節(jié)能關(guān)系
由于中央空調(diào)系統(tǒng)中都是各種風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，根據(jù)流體學(xué)原理可知，p}n3，故應(yīng)用變頻器后，節(jié)能效果顯著。表2列出風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載應(yīng)用變頻器后，在不同流量q、轉(zhuǎn)速n、由功率p(額定值的相對(duì)百分?jǐn)?shù))在某頻率值時(shí)的節(jié)能率。
4 中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制依據(jù)
中央空調(diào)系統(tǒng)的外部熱交換由2個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)來完成。循環(huán)水系統(tǒng)的回水與進(jìn)(出)水溫度之差，反映了需要進(jìn)行熱交換的熱量。因此，根據(jù)回水與進(jìn)(出)水溫度之差來控制循環(huán)水的流動(dòng)速度，從而控制了熱交換的速度，是比較合理的控制方法。
(1) 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制
由于冷凍水的出水溫度是冷凍機(jī)組“冷凍”的結(jié)果，常常是比較穩(wěn)定的。因此，單是回水溫度的高低就足以反映房間內(nèi)的溫度。所以，冷凍泵變頻調(diào)速系統(tǒng)，可以簡單地根據(jù)回水溫度進(jìn)行如下控制:回水溫度高，說明房間溫度高，應(yīng)提高冷凍泵的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。反之則反。總之，對(duì)于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，控制依據(jù)是回水溫度，即通過變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)回水的恒溫控制。原理圖見圖2。
圖2 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的控制原理圖
(2) 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制
由于冷卻塔的水溫是隨環(huán)境溫度而變的，其單測水溫不能準(zhǔn)確地反映冷凍機(jī)組內(nèi)產(chǎn)生熱量的多少。所以，對(duì)于冷卻泵，以進(jìn)水和回水間的溫差作為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水的循環(huán)速度;溫差小，說明冷凍機(jī)組產(chǎn)生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉(zhuǎn)速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制原理圖見圖3。
圖3 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制原理圖
5 中央空調(diào)末端送風(fēng)機(jī)的變頻控制
隨著生活水平的提高，人們已開始關(guān)注生活與工作環(huán)境的舒適性。大型公共建筑(如商場、賓館、影劇院等)均設(shè)置有中央空調(diào)系統(tǒng)，而大多數(shù)中央空調(diào)的運(yùn)行，絕大部分末端機(jī)采用開/關(guān)控制方式，難以滿足人們對(duì)舒適感的要求。變頻技術(shù)的飛速發(fā)展，成本進(jìn)一步下降，使得這一要求成為現(xiàn)實(shí)。
圖4 手動(dòng)調(diào)節(jié)控制終端
5.1 調(diào)節(jié)風(fēng)量
在中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷、暖的輸送介質(zhì)通常是水，在末端將與熱交換器充分接觸的清潔空氣由風(fēng)機(jī)直接送入室內(nèi)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)室溫的目的。
在輸送介質(zhì)(水)溫度恒定的情況下，改變送風(fēng)量可以改變帶入室內(nèi)的制冷(熱)量，從而較方便地調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。這樣，便可以根據(jù)自己的要求來設(shè)定需要的室溫。
調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以控制送風(fēng)量。使用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，在變頻的同時(shí)，輸出端的電壓亦隨之改變，從而節(jié)約了能源，降低了系統(tǒng)噪音，其經(jīng)濟(jì)性和舒適性是不言而喻的。
5.2 控制方式的確立
(1) 在室內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢茫惭b手動(dòng)調(diào)節(jié)控制終端，如圖4所示，調(diào)速電位器vr和運(yùn)行開關(guān)kk置于控制終端盒內(nèi)，變頻器的集中供電由空氣開關(guān)控制，需要送電時(shí)在配電控制室直接操作。
調(diào)整頻率設(shè)定電位器vr，可以改變變頻器的輸出頻率，從而控制風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，關(guān)閉時(shí)斷開kk即可，此方式成本低廉，隨意性強(qiáng)。
(2) 當(dāng)室外溫度變化，或者冷/暖輸送介質(zhì)溫度發(fā)生改變時(shí)，將可能造成室溫隨之改變，對(duì)環(huán)境舒適要求較高的消費(fèi)群體，則可以采用自動(dòng)恒溫運(yùn)行方式，如圖5所示。
圖5 自動(dòng)恒溫運(yùn)行方式
選擇內(nèi)置pid軟件模塊的變頻器。控制終端的方式同手動(dòng)方式。電位器用來設(shè)定溫度(而不是調(diào)整頻率)。變頻器通過采集來自反饋端vpf/ipf的溫度測量值，與給定值作比較，送入pid模塊運(yùn)算事自動(dòng)改變u、v、w端子的輸出頻率，調(diào)整送風(fēng)量，達(dá)到自動(dòng)恒溫運(yùn)行。
(3) 送風(fēng)機(jī)的分布可能不是均勻的，對(duì)于稍大的室內(nèi)空間，則可以采用“區(qū)域溫度平均法”策略調(diào)節(jié)送風(fēng)量，以滿足特殊需要量場所。
(4) 為降低成本，個(gè)別的變頻器可能沒有內(nèi)置pid軟件模塊，選用外加pid調(diào)節(jié)器即可。
5.3 應(yīng)用方案的系統(tǒng)考慮
(1) 共振(動(dòng)):選擇末端送風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮測試其在全轉(zhuǎn)速范圍的共振轉(zhuǎn)速點(diǎn)，應(yīng)避免電機(jī)工作于這樣的轉(zhuǎn)速區(qū)，通過設(shè)定變頻器的回避頻率及其寬度值，則可以避免電機(jī)運(yùn)行于該轉(zhuǎn)速區(qū)域。
(2) 節(jié)能:風(fēng)機(jī)屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，應(yīng)用時(shí)，選擇風(fēng)機(jī)、泵類專用變頻器(亦稱為節(jié)能型變頻器)較好，并將其轉(zhuǎn)矩曲線(v/f)設(shè)定為“平方轉(zhuǎn)矩”，這樣可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。
(3) 安裝:變頻器應(yīng)裝于末端機(jī)的“隔離室”內(nèi)，除保證良好的散熱外，還應(yīng)讓其不置身于潮濕環(huán)境下。亦需考慮中央空調(diào)在制冷或制熱時(shí)末端機(jī)自身的溫度影響。
(4) 頻率限制:電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，散熱效果較差:轉(zhuǎn)速過大，則會(huì)引起因風(fēng)速過高而造成的不適當(dāng)狀態(tài)，如制冷時(shí)，可能因風(fēng)速過大，致辭使冷凝水不能被吸水盤完全接收，造成外漏。應(yīng)選擇適宜的上、下限頻率，下限頻率以不小于15hz為宜，上限頻率不要超過60hz，根據(jù)最大風(fēng)速確定。
(5) 載波頻率:將變頻器的載波頻率適當(dāng)提高，則可以降低電機(jī)運(yùn)行噪音，提高環(huán)境質(zhì)量。
(6) 多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若電機(jī)距離變頻器較遠(yuǎn)，則需調(diào)整載波頻率，以避免引起電機(jī)電流振蕩。
6 機(jī)組臺(tái)數(shù)控制
(1) 某大廈基本工況:3臺(tái)機(jī)組，一用兩備，根據(jù)大廈的熱負(fù)荷量自動(dòng)控制機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，自動(dòng)保持各機(jī)組運(yùn)行時(shí)間基本一致，達(dá)到最低能耗，達(dá)到最低的主機(jī)折舊。
(2) 解決方案
基本思路:根據(jù)回流量，供/回水溫度來調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，負(fù)荷計(jì)算根據(jù): q=c×m×|t1-t2|∣
注:c常數(shù);m回水流量;t1回水溫度;t2供水溫度
當(dāng)負(fù)荷大于單臺(tái)機(jī)組80%，則第2臺(tái)機(jī)組備份;當(dāng)負(fù)荷大于前2臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷總量的80%，則第3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行(80%該數(shù)值可調(diào))。
采用plc作為主控制器，采用摸擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。原理圖如圖6所示。
圖6 某大廈控制原理圖
參考文獻(xiàn)
[1] 艾默生變頻器td2100、td2000系列變頻器技術(shù)手冊、用戶手冊。
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