中央空调水泵变频节能与模糊控制的应用.docx

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中央空调水泵变频节能与模糊控制的应用

一．前言2

二，模糊控制原理概述3

三．调节水泵转速的节电原理4

四．中央空调系统的设计5

五、采用PID闭环控制的中央空调泵节能系统存在的缺陷6

六．采用模糊智能闭环控制的中央空调泵节能系统特点7

七．中央空调变频节能方案8

八．系统硬件设计框图10

九．软件设计流程图11

十、节能改造后对设备的影响12

十一、变频器谐波的影响及抑制谐波的措施12

十二．实际节能效果测试及经济效益分析13

十三．结论15

中央空调水泵变频节能与模糊控制的应用

【摘要】：

中央空调冷水机组的最大负载能力是按最大热负荷来设计的，热负荷是随环境温度变化而变化的量，而水泵所耗的功率基本不变，这样，在空调运行的大多数时间里，存在着较大的能量浪费，用PLC可方便的实现模拟信号的数字化处理，利用编程软件的形式实现模糊控制。

从而达到良好的节能效。

关键词：

中央空调、水泵电机、变频节能、模糊控制。

Abstract：

Themaximumloadcapabilityofthecentralairconditionerwater—coollngssemblingsetisdesignedbasedonthemaximumthermalload，andmaximumthermalloadarieswiththeenvironmentTemperatureandwater—pumppowerconsumptlOnkeepsteadyhus．UsePLCcanconvenientlyrealizesimulationsignalofdigitalsignalsdisposalUsing

programmesoftwareofformimplementfuzzy—controlandachievebetterenergy—savingeffect

vords：

CentralAirConditioner，WaterPumpMotor，Frequencyenergy—saving，fuzzy—

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一．前言

中央空调系统运行时间长，耗电量大，且有逐年上升趋势，在深圳年耗电量已达500亿度，随着城市建设的进一步扩大，空调能耗不仅给城市能源、环境保护带来巨大压力，而且也给建筑的经营者带来沉重的经济负担，因此空调节能已成为一个迫切亟待解决课题。

二，模糊控制原理概述

1965年，美国加利福尼亚大学著名教授L¨A．Zadeh首先提出了模糊控制理论，模糊控制的核心是以模糊数学为基础，用语言规则表示方法和先进的计算机技术，把人的控制策略的自然语言描述转化为计算机能接受的算法语言所描述的控制算法。

它不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。

利用模糊推理进行判断的高级控制，无疑是属于智能控制范畴，而且发展至今己成为人工智能领域的一个重要分支；其理论发展之迅速，应用领域之广泛，控制效益之显著，实为世人醒目关注；特别是近几年来，模糊控制与其他控制策略构成的集成控制，以及与神经网络相结合的模糊神经网络等得到迅速发展，更使诸多学者确信，它是一种全新的技术和高科技的发展方向。

模糊控制的原理，就是通过计算机来模拟人们用自然语言描述的控制活动，以期对工业过程实现有效控制，模糊控制系统的原理框图

如下：

模糊控制系统的原理框图

三．调节水泵转速的节电原理

采用交流变频技术控制水泵的运行，是目前中央空调系统节能改造的有效途经之一，图一和图二绘出了阀门调节和变频调速控制两种状态的压力一流量（HQ）关系及功率一流量（P—Q）关系。

图一

图二

从上图中可见用变频调速的方法来减少水泵流量的经济效益是十分显著的，当所需流量减少，水泵转速降低时，其电动机的所需功率按转速的三次方下降。

如水泵转速下降到额定转速的60％即F=30Hz时，其电动机轴功率下降了78．4％，即节电率为78．4％。

四．中央空调系统的设计

一般来说，中央空调系统的最大负载能力是按照天气最热，负荷最大的条件来设计的，存在着很大宽裕量，但实际上系统极少在这些极限条件下工作，根据有关资料统计，空调设备97％的时间运行在70％负荷以下波动，所以实际负荷总不能达到满负荷，特别是冷气需求量少的情况下，主机负荷量低，为了保证有较好的运行状态和较高的运行效率，主机能在一定范围根据负载的变化加载和卸载，但与之相配套的冷却水泵和冷冻水泵却仍在高负荷状态下运行，（泵功率是按峰值冷负荷对应水流量的1．2倍选配）这样会带来以下一系列问题：

1．水流量过大使冷水系统进水和回水温差降低，恶化了主机的工作条件、引起主机热交换效率下降，造成额外的电能损失。

2．由于水泵压力过大，通常都是通过调整管道上的阀门开度来调节冷却水和冷冻水流量，因此阀门上存在着很大的能量损失。

3．因水泵通常采用Y一△起动，电机的起动电流较大，会对供电系统带来一定冲击。

4．传统的水泵起停控制不能实现软启、软停、在水泵起动和停止时，会出现水锤现象，对管网造成较大冲击，增加管网阀门的跑冒滴漏现象。

由于中央空调冷却水、冷冻水系统运行效率低，能耗较大且属长期运行，进行节能技术改造是完全必要的。

五、采用PID闭环控制的中央空调泵节能系统存在的缺陷

1．由于系统中的许多环节，特别是温度、水泵、冷水管道、都存在着非线性，很难建立精确的数学模，也就找不到合适的PID参数；

2．同时系统PID（或PI）参数调整困难，且在不同运行条件（流量、温度、转速）对PID参数要求不同，需要在现场作不断的参数调节，且系统控制也很难会按人的意愿实现；

3．从PID控制的原理可知，带有积分（I）调节器的系统，具有很高的稳定精度；但也不可避免地存在着一定的动态超调（见下图），这是PID固有的本性，所以它对节电效果有一定的影响；

4．冷冻和冷却水系统温度有变化时，PID闭环会对出现的偏差进行不断的修正，即使是很小的偏差，也会出现变频器不断地加速或减速，造成电能的消耗；

典犁PID控制

5．当系统有干扰信号时，PID调节会出现超调现象（见上图）；

6．采用PID控制后，水泵、特别是水泵与电动机的联轴器损坏率提高，寿命缩短；

7．采用PID控制后，水泵电动机加减速频繁，减低了系统的节电率，经济效益有一定幅度的下降。

六．采用模糊智能闭环控制的中央空调泵节能系统特点

智能模糊控制

利用模糊控制理论，把我们人的控制策略的自然语言描述转化为计算机能接受的算法语言

所描述的控制算法。

它不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制；模糊智能控制不会出现超调现象（见上图），故系统的节电率会有提高；当系统有干扰信号时，能快速响应外部扰动（见上图），因此模糊系统抗干扰能力很强；中央空调的水泵变频运行采用模糊

数字控制后，具有程序编制灵活、现场调试方便、自动化程度高、运行安全可靠、易实现控制、抗干扰能力很强、节能效果非常突出、空调运行效率大幅提高等特点；所以模糊控制会在中央空调、恒压供水等节能自控方面应用越来越广泛。

七．中央空调变频节能方案

●对冷冻泵（45KW）进行变频改造

可根据冷冻冻泵的进水与出水的温度差值来控制，温差大，说明房间温度高，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度，反之温差小，则说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度以节约电能。

●对冷却泵（30Kw）进行变频改造

由于冷冻机组进行热交换时，使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高，冷却泵将升了温的冷却水泵入冷却塔，进行降温处理后，再送回冷冻机组，因此，对冷却泵来说，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水问的恒温差控制是比较合适的，温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却的循环速度，温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约电能。

但深圳夏季白天天气炎热，以冷却进水与回水问的温差控制在一定程度上还不能满足实际的需求，因此在气温高（即冷却回水温度高）的时候采用冷却回水的温度进行自动调速控制，而在晚上气温低时自动返回温差调速（最节能的模式）。

八．系统硬件设计框图

15．7寸人机介面：

F940GOTLwD—C触摸屏，可在触模屏上直接对PLC进行监控、编程；可省略所有的开关按钮，简化接线并节约I／0端口；监控数据及文字显示介面直观明了。

温度模／数转换：

FX2N一4AD—PT四通道温度模块，实时将PTl00铂电阻传送来的信号转换成数字信号，送PLC进行模糊运算控制。

PLC可编程控制器：

FX2N一48MR，将温度模块传送过来的数字信号根据人的意愿加以模糊处理，可方便的以编程软件的形式对温度采样值进行校正、对采样信号在一定范围内加以判断、选择合理的执行量输出，实现模糊控制、完善控制设备的功能、增加控制设备的通用性。

调速数／模转换：

Fx2N一2DA，2通道数模转换器是将PLC送来的数字信号转换成相应的模拟信号控制变频器的运行频率。

变频器：

三菱FR—F540—45K（30K）一CH，根据PLC可编程控制器运算，结合变频器本身具有的最佳励磁控制方式，变频控制水泵电机以最节能的方式运行。

九．软件设计流程图

控制系统分为自动运行和手动运行两种方式，温度采样采用300点的平均值（数字滤波），再送入模糊控制器模拟人的思维方式进行模糊运算及判断，运算的结果输出到D／A，通过D／A转换控制变频器实现冻和冷却水泵的转速自动调节，取得最佳的节能节电效果。

模糊控制系统程序编写思路清晰，实现节能控制容易，在实际现场调试十分简单，而且控制效果显著。

十、节能改造后对设备的影响

自动调节水流量，把冷水机组进水和回水温度控制在适当的范围以内，保证主机热交换效率，节约主机能耗。

管路阀门开度最大（压差旁通阀关闭），消除阀门上的节流损失。

实现水泵电机软启、软停、并有欠压、过流、缺相等保护措施，改善水泵电机运行条提高了运行可靠性。

水泵启、停平稳，无冲击负荷，消除了水锤现象，大幅降低了设备损耗，延长了设备使用寿命，减少了维修费用。

管路压力降低，减少了跑冒滴漏现象，设备运行更加安全。

采用智能模糊控制，电机控制完全按照人的意志运行。

由于是全自动温度控制，房间温度平稳舒适。

十一、变频器谐波的影响及抑制谐波的措施

变频器变流线路的开关特性，对其供电电源形成一个非线性负载。

这种非线性负载改变了交流供电线路的正弦波特性，从而在交流电力系统中产生有害的高次谐波。

我国关于变频器波形畸变的限制规定即国家标准GBl2668—90“交流电动机半导体变频器调速装置总技术条件’’中对交流输入电源规定：

要求电压的稳态相对谐波含量的均方根值不超过10％。

其中任何奇次谐波均不超过5％，任何偶次谐波均不超过2％，短时（持续时间小于30S）出现的任何一次谐波含量不超过10％。

现场测试的各次电压谐波畸变THD如表一（20次内）：

从现场测试的数据来看，基本上符合我国国家标准GBl2668—90的要求，一般无须安装谐波抑制器；而对于一些要求严格的特殊用户，可以通过以下的方法实现较好的谐波抑制。

谐波抑制的办法有：

1）安装电抗器ACL、DCL；2）安装提高功率因素改善整流器FHC—AC；3）安装功率因素改善电容；4）变压器多相运行；5）安装交流滤波器；4）安装活性滤波器等等。

十二．实际节能效果测试及经济效益分析

新纪元公司中央空调系统（本文的实例）共2套，主机225冷吨，采用一用一备的方式运行，平均每年运行近7000多个小时，（约9．7个月）大厦中有写字楼和宾馆，在每年平均9．7个月的运行时间中，除宾馆部分必须每天24小时运行外，写字楼部分只需白天上班时间供冷气，每天供冷时间不足10小时，在夜间，写字楼不使用空调时热负荷变小，水泵电机仍以高负荷恒转速运转，造成压差旁通阀动作，短接部分流量，这样造成较大能量浪费。

因此，该套中央空调在晚间运作时有较多的富余功率空间。

现场调试时发现冷冻泵手动运行在27Hz以下及冷却泵手动运行在26Hz以下压力、流量已开始感到不足，所以将程序自动部分的下限频率定在30Hz，程序手动部分的下限频率仍保留20Hz。

新纪元中央空调白2002年5月1日经变频改造后，投入运行以来系统节电运行效果十分显著，一直以冷冻泵运行频率在30—35Hz左右；冷却泵运行频率在30一40Hz左右。

表二为2002年5月份开始的冷冻和冷却两台水泵的电耗抄表数据：

如：

5月份（1—31日）实测数据为：

节能运行时间=。

720小时，本月电度表度数=20220Kwh；按变频改造前的功率核算月耗电量=75Kw×720t1=54000Kwh；5月份节能运行后共节电33780Kwh，本月节电率为62．55％，取得了令人瞩目的经济效益（注：

冷冻和冷却水泵基准功率合计为75KW，在改造前多次实测后，已用合同形式确认）。

6月份实测数据为：

节能运行时问=724小时，本月电度表度数=19770Kwh；按变频改造前的功率核算月耗电量=75Kw×724h=54300Kwh；5月份节能运行后共节电34530Kwh，本月节电率为63．59％，节电效果比5月份来理想。

经实测的用电量数据比较，经变频改造后保守计算的平均节电率应在50％以上，按每年运行’7000小时计，每年耗电量为75Kw×’7000h=525000kwh，改造后每年可节电525000×50％=262500kwh电价按0．87元／kwh计，每年可节约228375元。

十三．结论

通过上述讨论可以得出，利用模糊控制理论，把我们人的控制策略的自然语言描述转化为计算机能接受的算法语言所描述的控制算法。

它不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式，对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制；中央空调的水泵变频运行采用模糊数字控制后，具有程序编制灵活、现场调试方便、自动化程度高、运行安全可靠、易实现控制、节能效果非常突出、空调运行效率大幅提高等特点；所以模糊控制会在中央空调、恒压供水等节能白控方面应用越来越广泛。

参考文献及资料

1．变频器调速应用实践张燕宾主编北京

机械工业出版社，2000．12

2．模糊控制恒压供水系统张文修上海电

气自动化，1996年3期

3．模糊控制原理与应用诸静等著北京机

械工业出版社，1995

4．变频调速器使用手册三菱电机株式会社

编许振茂等译北京：

兵器工业出版社，1992．2