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變頻調速器在中央空調系統中的應用
1 引言
在工農業行產各人們的日常生活中，經常需要對一些物理量進行控制，如空調系統的溫度、供水系統的水壓、通風系統的風量等，這些系統絕大多數是用交流電機驅動的。以前由于電機的轉速無法方便調節，為了達到對上述物理量的控制，人們只好采用一些簡單的方法，如用檔板調節風量，用閥門來調節流量壓力等，致使這些系統不僅達不到很好的調節效果，而且大量的電能被檔板和閥門白白浪費。據統計，我國目前使用的風機、水泵大約有25%的能量是無謂消耗。因此，國家經貿委于1994年下發了763號文件《關于加強風機、水泵節能改造的意見》，鼓勵支持變頻節能技術在各行各業推廣使用。另外，根據交流電機的特性，要實現連續平滑的速度調節，最佳的方法就是采用變頻調速器，變頻器是將標準的交流電轉成頻率、電壓可變的交流電，供給電機并能對電機轉速成進行調節的裝置。采用變頻器進行風機、水泵的節能改造，不僅避免了由于采用擋板或閥門造成的電能浪費，而且還會極大提高控制和調節的精度，我們可以真正方便地實現恒溫空凋系統和恒壓供水系統。
2 中央空調系統
大、中型中央空調由3部分組成:
(1) 制冷、制熱站
(2) 空調水管網系統
(3) 空調末端裝置(空調機組，風機盤管和新風機組等)
大、中型中央空調系統框圖如圖1所示。
圖1 大、中型中央空調系統框圖
工作原理:采用設備中的風扇使室內空氣循環，并通過設備中的冷、溫水盤管來冷卻和加熱，以達到空調的目的。盤管中的冷、溫水由機房中的制冷設備和鍋爐提供。
該系統的缺點是:設備配置較大，風機噪音大。當環境溫度變化或冷、熱負荷變化時，只能通過增減冷、溫水循環泵數量或使用擋風板的方法來調節室內溫度，既耗費能源又造成環境溫度波動。
3 負載與節能關系
(1) 負載類型與節能關系,生產機械各式各樣，種類繁多，但負載類型主要分3類，它們與節能的關系見表1
(2) 幾種典型負載與節能關系
由于中央空調系統中都是各種風機、泵類負載，根據流體學原理可知，p}n3，故應用變頻器后，節能效果顯著。表2列出風機、泵類負載應用變頻器后，在不同流量q、轉速n、由功率p(額定值的相對百分數)在某頻率值時的節能率。
4 中央空調變頻調速系統的控制依據
中央空調系統的外部熱交換由2個循環水系統來完成。循環水系統的回水與進(出)水溫度之差，反映了需要進行熱交換的熱量。因此，根據回水與進(出)水溫度之差來控制循環水的流動速度，從而控制了熱交換的速度，是比較合理的控制方法。
(1) 冷凍水循環系統的控制
由于冷凍水的出水溫度是冷凍機組“冷凍”的結果，常常是比較穩定的。因此，單是回水溫度的高低就足以反映房間內的溫度。所以，冷凍泵變頻調速系統，可以簡單地根據回水溫度進行如下控制:回水溫度高，說明房間溫度高，應提高冷凍泵的循環速度，以節約能源。反之則反。總之，對于冷凍水循環系統，控制依據是回水溫度，即通過變頻調速，實現回水的恒溫控制。原理圖見圖2。
圖2 冷凍水循環系統的控制原理圖
(2) 冷卻水循環系統的控制
由于冷卻塔的水溫是隨環境溫度而變的，其單測水溫不能準確地反映冷凍機組內產生熱量的多少。所以，對于冷卻泵，以進水和回水間的溫差作為控制依據，實現進水和回水間的恒溫差控制是比較合理的。溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環速度;溫差小，說明冷凍機組產生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環速度，以節約能源。冷卻水循環系統的控制原理圖見圖3。
圖3 冷卻水循環系統的控制原理圖
5 中央空調末端送風機的變頻控制
隨著生活水平的提高，人們已開始關注生活與工作環境的舒適性。大型公共建筑(如商場、賓館、影劇院等)均設置有中央空調系統，而大多數中央空調的運行，絕大部分末端機采用開/關控制方式，難以滿足人們對舒適感的要求。變頻技術的飛速發展，成本進一步下降，使得這一要求成為現實。
圖4 手動調節控制終端
5.1 調節風量
在中央空調系統中，冷、暖的輸送介質通常是水，在末端將與熱交換器充分接觸的清潔空氣由風機直接送入室內，從而達到調節室溫的目的。
在輸送介質(水)溫度恒定的情況下，改變送風量可以改變帶入室內的制冷(熱)量，從而較方便地調節室內溫度。這樣，便可以根據自己的要求來設定需要的室溫。
調整風機的轉速可以控制送風量。使用變頻器對風機實現無級變速，在變頻的同時，輸出端的電壓亦隨之改變，從而節約了能源，降低了系統噪音，其經濟性和舒適性是不言而喻的。
5.2 控制方式的確立
(1) 在室內適當的位置，安裝手動調節控制終端，如圖4所示，調速電位器vr和運行開關kk置于控制終端盒內，變頻器的集中供電由空氣開關控制，需要送電時在配電控制室直接操作。
調整頻率設定電位器vr，可以改變變頻器的輸出頻率，從而控制風機的送風量，關閉時斷開kk即可，此方式成本低廉，隨意性強。
(2) 當室外溫度變化，或者冷/暖輸送介質溫度發生改變時，將可能造成室溫隨之改變，對環境舒適要求較高的消費群體，則可以采用自動恒溫運行方式，如圖5所示。
圖5 自動恒溫運行方式
選擇內置pid軟件模塊的變頻器。控制終端的方式同手動方式。電位器用來設定溫度(而不是調整頻率)。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模塊運算事自動改變u、v、w端子的輸出頻率，調整送風量，達到自動恒溫運行。
(3) 送風機的分布可能不是均勻的，對于稍大的室內空間，則可以采用“區域溫度平均法”策略調節送風量，以滿足特殊需要量場所。
(4) 為降低成本，個別的變頻器可能沒有內置pid軟件模塊，選用外加pid調節器即可。
5.3 應用方案的系統考慮
(1) 共振(動):選擇末端送風機時，應考慮測試其在全轉速范圍的共振轉速點，應避免電機工作于這樣的轉速區，通過設定變頻器的回避頻率及其寬度值，則可以避免電機運行于該轉速區域。
(2) 節能:風機屬于平方轉矩負載，應用時，選擇風機、泵類專用變頻器(亦稱為節能型變頻器)較好，并將其轉矩曲線(v/f)設定為“平方轉矩”，這樣可以達到較好的節能效果。
(3) 安裝:變頻器應裝于末端機的“隔離室”內，除保證良好的散熱外，還應讓其不置身于潮濕環境下。亦需考慮中央空調在制冷或制熱時末端機自身的溫度影響。
(4) 頻率限制:電機轉速較低時，散熱效果較差:轉速過大，則會引起因風速過高而造成的不適當狀態，如制冷時，可能因風速過大，致辭使冷凝水不能被吸水盤完全接收，造成外漏。應選擇適宜的上、下限頻率，下限頻率以不小于15hz為宜，上限頻率不要超過60hz，根據最大風速確定。
(5) 載波頻率:將變頻器的載波頻率適當提高，則可以降低電機運行噪音，提高環境質量。
(6) 多機并聯運行時，若電機距離變頻器較遠，則需調整載波頻率，以避免引起電機電流振蕩。
6 機組臺數控制
(1) 某大廈基本工況:3臺機組，一用兩備，根據大廈的熱負荷量自動控制機組運行臺數，自動保持各機組運行時間基本一致，達到最低能耗，達到最低的主機折舊。
(2) 解決方案
基本思路:根據回流量，供/回水溫度來調節機組運行臺數，負荷計算根據: q=c×m×|t1-t2|∣
注:c常數;m回水流量;t1回水溫度;t2供水溫度
當負荷大于單臺機組80%，則第2臺機組備份;當負荷大于前2臺機組的負荷總量的80%，則第3臺機組運行(80%該數值可調)。
采用plc作為主控制器，采用摸擬量模塊進行數據采集。原理圖如圖6所示。
圖6 某大廈控制原理圖
參考文獻
[1] 艾默生變頻器td2100、td2000系列變頻器技術手冊、用戶手冊。
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