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变频器在中央空调改造上的应用

栏目: 暖通制冷

发表时间: 2017年11月6日

一、引言

中央空调是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一,据统计电能的消耗约占建筑物总消耗的50%。中央空调系统在设计上都是按最大负载并增加10%至20%的余量设计,由于季节、昼夜及用户负荷的变化,实际负载比设计负载小的多,满负载运行时间不到1%,虽然中央空调冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载,但是系统匹配的冷冻泵、冷却泵及冷却塔风机却不能自动调节负载,长期在100%负载下运行,造成了能量的极大浪费,具有很大的节能空间。

二、中央空调系统

如图1所示为典型的中央空调系统图,主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及冷冻主机三部分组成:


图1 中央空调系统原理图

冷冻水循环系统
该部分主要由冷冻水泵、终端风机盘柜机及冷冻水管道等组成。从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道,进入室内进行热交换,带走房间内的热量,最后回到主机蒸发器。室内风机盘柜用于将空气吹过冷冻水管道,降低空气温度,加速室内热交换。
冷却水循环系统
该部分由冷却泵、冷却水管道及冷却水塔等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时,必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水,使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔,使之与大气进行热交换。
制冷主机
中央空调主机部分由制冷压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀及冷媒等组成,其工作循环过程为,首先低温低压气态冷媒被压缩机加压成高温高压液体,进入冷凝器中经冷却循环水冷却并通过室外冷却塔把热量释放到大气中。随后经过节流阀节流降压变成低压气液混合物进入蒸发器,冷媒在蒸发器中不断气化,同时吸收冷冻循环水中的热量形成冷水。最后,蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体,重新进入了压缩机,如此循环往复。

三、中央空调节能理论

由流体力学理论可知,离心式流体传输设备(如离心式水泵、风机等)的输出流量 Q与其转速 n 成正比;输出压力 P(扬程)与其转速 n 的平方成正比;输出功率 N 与其转速 n的三次方成正比,用数学公式可表示为:
Q=K1×n
P=K2×n²
N=P×Q =K3×n³ (K1 K2 K3 为比例常数)
由上述原理可知,采用变频无极调速技术控制水泵的转速方式调节流量,当流量下降时,电能消耗将以三次方的比例下降。如将电机的供电频率由50Hz 降为40Hz,则理论上,电能消耗将减少48.8%。

四、中央空调改造方案

1、循环水系统的控制方案
冷冻水循环系统采用稳定温差(实时根据用冷量,调整变频器的输出频率来稳定温差)、压差(保证最高供冷处压力满足要求)等参数控制;冷却水循环系统采用稳定温差、及冷却塔环境温湿度等参数控制,冷却系统温差及环境温湿度控制,主机性能明显优于冷却水出水温度控制。将冷冻和冷却水的进、出水温差控制在4.5~5℃,控制系统根据负荷变化的反馈信号经PID调节与变频器组成闭环控制系统,PLC根据监控值控制变频器工作频率和水泵运行台数,从而调节循环水流量,控制中央空调系统热交换的速度。
2、冷却塔散热系统控制方案
冷却塔散热系统温度传感器检测冷却塔出水温度值,将冷却塔出水温度控制在27~29℃,PLC根据出水温度控制冷却塔风机的运行台数及变频器的工作频率,使冷却水出水温度达到设定值。
3、电气控制方案
某大厦中央空调机组数据如下表:


改造之前工频运行,冷冻和冷却进出水平均温差在3.5℃左右,温差越小改造节能空间越大。

图2 冷冻泵变频电气原理图

冷冻泵变频电气原理如图2所示,控制原理为:(PLC)先控制0#变频器软启动电机M1,当M1到达额定转速时,仍未达到设定温差值时,(PLC)控制M1切换工频电网运行,然后再控制0#变频器启动M2,当M2到达额定转速时,仍未达到设定温差值时,(PLC)控制1#变频器启动M3,此时0#变频器给定50HZ额定频率,主要控制1#变频器调节电机转速,控制冷冻水的循环速度;当M3工作在下限转速时,如果检测值大于设定值,(PLC)控制电机M3停机,同时控制0#变频器调节,当M2工作在下限转速时,如果检测值大于设定值,停止M1电机,0#变频器通过调节M2水泵从而达到设定要求。
冷却水循环系统和冷却塔系统变频控制原理和冷冻水循环系统变频控制原理相同,在方案中保留原工频系统的基础上加装变频控制系统,与原工频系统之间仅设置连锁以确保系统工作安全。
调试参数设置
1)F0.1 =6,CC 模拟量4~20mA输入给定频率,调节电机转速;
2)F0.4 =0001,选择端子运行命令控制电机正转、停止;
3)F0.6 =0110,禁止水泵、风机反转运行;
4) F0.6 =30,变频器下限频率设为30HZ,为确保水泵风机有效流量及电机合适的温升;
5)F4.0=1,变频器启动方式设置为转速跟踪再启动,避免冷却塔风机由于外界风力作用
使风机自转而造成再生电能损坏变频器。
调试主要事项
1、整改设备安装完毕后,先将编好的程序写入PLC,设定变频器参数,检查电器部分并逐级通电调试;
2、投入试运行时,人为地减少负荷,观察流量是否因频率的降低而减小,并找到制冷机报警时的最低变频器频率,以及流量降低后管道末端的循环情况,使变频器工作在一个最低的稳定工作点;
3、用温度计及时检测各点温度,以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。
五、中央空调系统变频改造的优点
1、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,使电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;
2、变频器具有软启软停,减少了振动、噪音和磨损,延长了设备维修周期和使用寿命,并减少了对电网冲击,提高了系统的可靠性;
3、变频器对电机具有过压、欠压、过流、接地等多项保护措施,使系统的运转率和安全可靠性大大提高;
4、变频器中直流电容器的隔离作用使输入的功率因数接近于1,电动机的励磁无功电流由电容器提供,可节约电网容量;
5、变频调速闭环控制系统与原工频控制系统互为互锁,不影响原系统的运行,且在变频调速闭环控制系统检修或故障时,原工频控制系统照样可以正常运行

六、小结

变频器应用于中央空调系统,采用变频闭环控制电机,按需要设定温度,使设备储备容量和随时间季节的热负载通过转速调节,在满足使用要求下达到最大限度的节能。目前已成功应用于多个中央空调节能改造现场,据统计分析节电率平均达到了30%以上。