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变频器在中央空调系统中的应用

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中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一,电能的消耗非常大,约占建筑物总电能消耗的50%。中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计,而实际上在一年中满负载下运行最多只有十多天,甚至十多个小时,几乎绝大部分时间负载都在70%以下。通常中央空调系统中的冷冻水泵、冷却水泵不能自动调节负载,几乎长

    中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一,电能的消耗非常大,约占建筑物总电能消耗的50%。中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计,而实际上在一年中满负载下运行最多只有十多天,甚至十多个小时,几乎绝大部分时间负载都在70%以下。通常中央空调系统中的冷冻水泵、冷却水泵不能自动调节负载,几乎长期在100%负载下运行,造成了能量的极大浪费,存在明显的节能空间。将变频技术引入中央空调系统,保持室内恒温,对其进行节能改造,是降本增效的一条有效途径。
    7.7.1 中央空调系统的组成
    典型中央空调系统如图7-20所示,主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及主机三部分组成。
典型中央空调系统
    图7-20 典型中央空调系统
    (1)冷冻水循环系统由冷冻水泵、室内风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水泵加压送入冷冻水管道(出水),进入室内在各个房间内进行热交换,带走房间内的热量,使房间内的温度下降,最后回到主机蒸发器(回水)。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道,加速室内热交换。
    (2)冷却水循环系统由冷却水泵、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,该热能通过主机内冷媒传递给冷却水,使冷却水温度升高。冷却水泵将升温后的冷却水压入冷却水塔(出水),使之在冷却塔中与大气进行热交换,降温后送回到主机冷凝器(回水)。如此不断循环,带走冷冻机组释放的热量。
    (3)主机由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒(制冷剂)等组成,其工作循环过程如下:
    1)低压气态冷媒被压缩机加压后进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中,冷媒会释放大量的热能,这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却水塔里,最终释放到空气中。
    2)冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时,因压力的突变而气化,形成气液混合物进入到蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化,同时吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。
    3)蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体,重新进入压缩机,如此循环工作。
    7.7.2节能控制原理
    中央空调变频调速的控制依据是冷冻水和冷却水两个循环系统完成中央空调的外部热交换,而循环水系统的回水与出水温度之差,反映了需要进行热交换的热量。因此,根据回水与出水温度之差来控制循环水的流动速度,从而控制热交换的速度,这是比较合理的控制方法。冷冻水循环系统和冷却水循环系统略有不同,具体控制方法如下:
    (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室内的温度。所以,冷冻水泵的变频调速可以简单地根据回水温度来进行控制:回水温度高,则说明室内温度高,应提高冷冻水泵的转速,加快冷冻水的循环速度;反之,回水温度低,说明室内温度低,可降低冷冻水泵的转速,减缓冷冻水的循环速度,以节约能源。简言之,对于冷冻水循环系统,控制依据是回水温度,即通过变频调速来实现回水的恒温控制。
    (2)冷却水循环系统的控制。由于冷却水的进水温度就是冷却水塔的水温,随环境温度等因素影响而变化,单侧水温不能反映冷冻机组内产生热量的多少。因此,对于冷却水泵,以其进水和回水作为控制依据,实现进水和回水的恒温差控制是比较合理的。温差大,则说明冷冻机组产生的热量大,应提高冷却水泵的转速,增大冷却水的循环速度;反之,则可减缓冷却水的循环速度,以节约能源。
    中央空调的水循环系统一般都由若干台水泵组成,采用变频调速时,一般有两种方案。
    (1)一台变频器方案。若干台冷冻水泵由一台变频器控制,各台水泵之间的切换方法如下:
    1)先启动1号水泵,进行恒温度(差)控制。
    2)当1号水泵的工作频率上升到50Hz或上限切换频率(如48Hz)时,将其切换至工频电源;同时将变频器的给定频率迅速降到0Hz,使2号水泵与变频器相连,并开始启动,进行恒温度(差)控制。
    3)当2水泵的工作频率上升到50Hz或上限切换频率(如48Hz)时,将其切换至工频电源;同时将变频器的给定频率迅速降到0Hz,使3号水泵与变频器相连,并开始启动,进行恒温度(差)控制。
    4)当3号水泵的工作频率下降至下限切换频率时,将1号水泵停机。
    5)当3号水泵的功率频率再次下降至下限切换频率时,将2号水泵停机,此时只有3号水泵处于变频调速状态。
    这种方案的优点是只用一台变频器,设备投资少,缺点是节能效果稍差。
    (2)全变频方案。即所有的冷冻水泵和冷却水泵都采用变频调速,各台水泵切换方法如下:
    1)先启动1号水泵,进行恒温度(差)控制。
    2)当1号水泵的工作频率上升到50Hz或上限切换频率(如48Hz)时,启动2号水泵,1号水泵和2号水泵同时进行变频调速,进行恒温度(差)控制。
    3)当工作频率又上升至切换频率上限值时,启动3号水泵,3台水泵同时进行变频调速,进行恒温度(差)控制。
    4)当3台变频器同时运行,而工作频率下降至设定的下限切换频率时,可关闭3号水泵,使系统进行两台水泵运行的状态;当频率继续下降至下限切换频率时,关闭2号水泵,进入单台水泵运行状态。
    全变频方案由于每台水泵都要配置变频器,故设备投资较高,但节能效果更明显。
    7.7.3 系统设计
    一、硬件设计
   某中央空调冷却系统有3台水泵,现采用变频调速,整个系统由PLC和变频器配合实现自动恒温控制。其具体控制要求如下:
    (1)按设计要求每次运行两台水泵,一台水泵备用,10天轮换一次。
    (2)冷却进、回水温差超出上限温度时,一台水泵全速运行,另一台变频运行;冷却进、回水温差小于下限温度时,一台水泵变频低速运行,另一台停机。
    (3)3台水泵分别由电动机M1、M2、M3拖动,全速运行由接触器KM1、KM2、KM3控制,变频调速分别由接触器KM4、KM5、KM6控制。
    (4)变频器调速通过七段速度控制来实现。
    冷却水泵主回路接线如图7-21所示,PLC与变频器连接如图7-22所示。
冷却水泵主回路接线
图7-21 冷却水泵主回路接线
PLC与变频器连接
图7-22 PLC与变频器连接
     二、参数设置
     (1)恢复变频器工厂默认值,设定P0010=30和P0970=1,按下P键,开始复位。
     (2)电动机参数设置见表7-21。电动机参数设置完成后,设P0010=1,变频器当前处于准备状态,可正常运行。
    表7-21    电动机参数设置
电动机参数设置
    (3)变频器七段速度的相关参数设置见表7-22。
    表7-22    变频器七段速度的相关参数设置
变频器七段速度的相关参数设置
    三、PLC程序设计
    (1) PLC的输入、输出地址分配见表7-23。
    (2)冷却水泵控制的参考程序梯形图如图7-23所示。
    表7-23    PLC的输入、输出地址分配
PLC的输入、输出地址分配

冷却水泵控制的参考程序梯形图(一)
图7-23 冷却水泵控制的参考程序梯形图(一)
冷却水泵控制的参考程序梯形图(二)
图7-23 冷却水泵控制的参考程序梯形图(二)
冷却水泵控制的参考程序梯形图(三)
图7-23 冷却水泵控制的参考程序梯形图(三)
冷却水泵控制的参考程序梯形图(四)
图7-23 冷却水泵控制的参考程序梯形图(四)

(责任编辑: 佚名 )

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