中央空调变频调速系统.docx

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中央空调变频调速系统

引言

中央空调系统满足了人们对生产生活的要求，但同时也带来了消耗能源过多的问题，节能问题亟待解决。

本文从中央空调工作原理的简单介绍、变频调速系统在中央空调系统中的利用以及所用的变频调速的控制方法三个方面对现在中央空调中的变频调速系统进行简单分析，以深化对交流调速技术的认识，更好地运用到将来的学习生活中。

一.中央空调系统的组成

如图1所示，中央空调系统主要由主机制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统等组成。

主机制冷系统是中央空调系统的心脏——“致冷源”，由冷冻主机、压缩机、蒸发器和冷凝器组成。

在蒸发器里，制冷剂和冷冻水发生热量交换，将冷冻水降温制冷，制冷剂吸收热量后蒸发；在冷凝器里，蒸发后的制冷剂和冷却水

发生热量交换，制冷剂释放出热量，被冷却水带走。

冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。

从冷冻主机流出的冷冻水（出水），由冷冻泵加压送入冷冻水管道，送到各风机风口的冷却盘管中，由盘管风机吹送冷风带走房间内的热量，达到冷却空气的目的。

同时，吸收热量后温度升高的冷冻水（回水），再流回冷冻主机。

冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。

冷却泵将吸收热量后温度升高的冷却水（出水）压人冷却塔中，由冷却塔风机对其进行喷淋冷却，与大气进行热交换，再将降温了的冷却水（回水）送回到冷冻机组的冷凝器中，去吸收制冷剂放出的热量，使冷冻主机降温。

回水的温度高于出水的温度，形成了温差J。

在变频技术用于中央空调控制系统之前，中央空调系统的控制方法存在以下问题：

1.冷却水系统的不足

从设计角度考虑,冷却水泵电机的容量是按照最大换热量即环境气温最高,且所有场所的空调都开足的情况下,在取一定的安全系数来确定的。

而通常情况下,由于季节和昼夜温差的变化以及开机数目的不足,实际换热量远小于设计值,因此,电机容量远大于实际负荷。

在从冷却水流量来考虑,冷却水的作用是要及时将冷凝器中的热量带走以保证制冷机能正常工作。

从节能的角度看,只要能保证制冷机正常工作,冷却水的流量越小,所做的无用功就越少,节能也就越明显。

根据流量公式Q=SV,过去由于转速不能调,只能通过调节节流阀来改变管道横切面积S的方式来调节流量Q,节流阀的存在对水流产生阻力,从而产生节能损耗,并且会引起机械振动和产生噪音。

冷却水是用冷却水泵将其送到冷却搭中去的,由冷却塔风扇对其进行喷淋冷却,与大气进行热交换,将热量散发到大气中去,这样会对中央空调系统周围的环境造成热岛效应。

2.冷冻水系统的不足

冷冻水泵的作用是将经制冷机降温的冷冻水通过输送管道送到中央空调的各出风口处的风机盘管组件中,对环境起降温作用,冷冻水的流量与冷冻水泵的转速成正比,当冷拣水泵转速高时,冷冻水的流量大,流速也快。

因此,当冷冻水流

过风机盘管组件时,还没有充分的时间将所携冷量全部释放完,就又返回到制冷机去了,因此冷冻水泵电机做了很多无用功,这些都是不必要的能耗。

若能够调节冷冻水泵电机的转速,根据实际热负荷的大小来调节冷冻水的流量实际上是调节交换冷量的大小和流速,以便让冷冻水在风机盘管组件中有充分的时间释放与热负荷大小相当的冷量,冷冻水泵电机的功耗可大大降低。

3.水泵频繁开启的不足

通过水泵开启台数的控制,造成电机起停频繁,对设备长期安全运行带来不利影响,起动电流通常为额定值的5倍左右,电机在如此大的电流冲击下,进行频繁的起停,对电机、接触器触点、空气形状触点产生电弧冲击,也会给电网带来一定冲击,起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤。

根据交流电机的特性,要实现连续平滑的速度调节,最佳的方法就是采用变频调速技术。

二.变频调速技术在中央空调系统中的应用

1.变频调速原理

由异步电动机的转速公式:

n=60f（1-s）/p=n0（1-s）（2-1）

式中，n为电动机转速;f为电动机定子的供电频率;s为转差率;p为电动机定子绕组极对数;n0为旋转磁场的同步转速。

由式（2-1）可知，当转差率变化不大时，n基本上正比于f，所以改变供电电源频率f，即可调节异步电动机的转速。

这种调速方法，可以获得很大的调速范围，很好的调速平滑性和相对稳定性。

（1）变频调速的基本控制方式

在进行异步电机调速时，希望保持电机中每极磁通量。

m为额定量不变。

如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，也不能产生足够的电磁力矩，影响电机的加减速时的快速性;如果增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。

三相异步电机定子每相电动势的有效值是:

Eg=4.44f1N1KN1Φm（2-2）

式中，f为定子频率;N1为定子每相绕组串联匝数;KN1为基波绕组系数;Φm为每极气隙磁通量。

由式（2-2）可知，N1,KN1,是常数，只要控制好Eg和f1,便可达到控制磁通Φm的目的。

对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

（2）基频以下调速:

由式（2-2）可知，要保持Φm不变，当频率f1从额定值f1n向下调节时，必须同时降低Eg,使:

Eg/f1=常值（2-3）

即采用恒定的电动势频率比的控制方式。

然而，绕组中的感应电动势是难以直接测量的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U≈Eg，则得:

U1/f1=常值（2-4）

低频时，U1和Eg都较小，定子漏阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略，这时可以人为的把电压Ul抬高一些，以便近似的补偿定子漏阻抗压降。

其控制特性如图2所示。

图2恒压频比控制特性

1-不带定子压降的补偿2-带定子压降的补偿

（3）基频以上调速:

在基频以上调速时，频率可以从f1n向上增高，但电压U1却不能超过电机的额定电压U1n,最多只能保持U1-U1n。

由式（2-2）可知，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上的情况结合起来可得图3所示的异步电动机变压变频调速控制特性。

图3-异步电动机变压变频调速控制特性

如果电动机在不同的转速下都具有额定电流,即电机都能在温升允许清况下长期运行,则转矩基本上随磁通变化。

根据电力拖动原理,在基频以下,磁通恒定时转矩也恒定,属于“恒转矩调速”性质而在基频以上,转速升高时转矩降低,基本上属于“恒功率调速”。

在变频调速恒压供水系统中,由于系统的装机容量足够大,所以不会出现基频以上调速的情况,因此主要考虑基频以下调速。

2.中央空调系统的变流量节能原理

（1）变流量系统

变流量的含义是流体液体气体在特定管道或风道流通时,其流量是按照某种特定的规律变化的。

采用变流量输送流体的目的是在满足终端负荷需要的前提下,实现输送系统的节能。

一般情况下,液体在管道内流通,输送到预定的负载终端,或者气体在风道内流通,传送到使用的目的地,为了传输的流量满足使用者的要求,必须采用电动机为动力,带动水泵或风机,传输一定流量的液体或气体。

驱动电动机的能源是电能。

当前,我国电力供给都采用三

相,50Hz,380V的交流电能驱动电动机,拖动风机和水泵运行,因此,输送的风量和水量都是恒定的,消耗的能源就是电动机所消耗的电能,其数值也是恒定的,这种传输系统通称为定流量系统,因此,这种系统虽然很简便,但是不可能实现节能的。

在许多场合下,由于使用者要求的流体流量不是恒定的,而是在不同时段有不同流量的要求。

为了满足这种要求,可以采用一定的技术手段,使流体的流量按照使用的要求,在不同时段供给不同的流量,这种传输系统就是变流量系统。

（2）中央空调监控系统变流量节能

中央空调监控系统变流量节能都是通过现场安装的各类传感器、变送器检测所需要的参量,通过智能控制系统的运算和控制,调节各类阀门、驱动电动机的工作状态,改变输送的流量来实现节能。

然而中央空调监控系统并没有对消耗能量最大的设备如空调主机、冷温水泵、冷却水泵、冷却塔风机进行有效的连续的变流量控制,仅维持在台数控制的范围内,虽然能实现节能的目的,但是节能的量值不够。

（3）中央空调拖动系统特性

中央空调拖动系统的负载是指压缩式冷水机组、冷却水泵、冷冻温水泵和冷却塔风机。

压缩式冷水机组是恒转矩负载水泵和风机都是二次方律负载。

a.恒转矩负载

恒转矩负载的特点是在拖动电动机的不同转速n下,负载的阻转矩TL基本恒定,即TL=常数,负载的阻转矩TL与转速n的高低无关,负载的功率PL和转矩TL、转速n之间的关系式是:

PL=TLn/9550（2-5）

从电动机机械角度出发，电磁功率PM也可以用机械功率PL的公式来计算:

PM=Tdn/9550（2-6）

压缩式冷水机组属于恒转矩负载，当其转速为n1时，消耗功率P1，当其转速为n2时，消耗功率为P2，由PWM波关系可得到:

P1/P2=n1/n2（2-7）

若n1为额定转速时，P1就是消耗的额定功率。

也就是说，当压缩式冷水机组运用变频器控制电动机运行频率,降低运行频率就可以节约电能。

b.二次方律负载

水泵和风机都属于二次方律负载，其负载的阻转矩TL和转速nL的二次方成正比，即:

TL=KTn2L（2-8）

式中，KT是二次方律负载的转矩常数。

负载的功率PL与转速nL的关系式:

PL=TLnL/9550=KPn3L（2-9）

式中，KP为二次方律负载的功率常数。

已知水泵和风机消耗的功率是与其转速立方成正比的。

当用变频器控制水泵运行时，变频器输出频率为f1，水泵转速为n1，水泵电动机的轴功率为N1;变频器输出频率为f2，水泵转速为n2，水泵电动机的轴功率为N2，则:

N1/N2=（n1/n2）3（2-10）

同样，风机的变频调速运行时，风机转速为n1，电动机的轴功率为N1;风机转速为n2，电动机的轴功率为N2，则:

N1/N2=（n1/n2）3（2-11）

（4）冷冻温水系统变流量节能原理

中央空调负载需要多少冷热量,空调主机就供给多少冷热量,这是最节能的系统。

也就是说冷温水流量必须跟踪空调负荷的需要,空调负荷加重时,增加冷温水流量空调负载减轻时,减小冷温水流量,这就是冷温水系统跟踪空调负荷变化,实时地改变冷温水流量的变流量节能原理。

（5）冷却水系统变流量节能原理

中央空调主机运行时,由于热交换过程产生大量的热量,采用冷却水实时吸收这些热量,带离空调主机,保障空调主机的运行工况。

当空调负荷加重时,空调主机发热量增加,必须增加冷却水量当空调负荷减轻时,空调主机发热量减少,可以减小冷却水量,实现冷却水流量实时跟踪空调负荷的变化,既满足空调主机优化运行的工况,又实现变流量节能。

（8）冷却塔风机系统变流量节能原理

空调主机冷却水出水的温度和流量都是跟随空调负荷变化的,冷却塔风机系统应将吸热后的冷却水,通过风机强制吹风降温,使冷却水降温到设定值,再进入空调主机吸收其热量,进入稳态循环。

当空调负荷加重时,冷却水流量增加,转移的热量增加,冷却塔风机的风量必须加大,才能散发冷却水的吸热量当空调负荷减轻时,冷却水流量减小,转移的热量减少,冷却塔风机的风量必须减小,就能散发冷却水热量。

这就是冷却塔风机系统的风量跟踪空调负荷变化的节能原理。

3.中央空调系统变频的控制方式

在中央空调水系统的变频调速方案中,可行的控制方式主要有两种：

（1）以压差为主的控制方式

即以制冷主机的出水压力和回水压力之间的压差作为控制依据,使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的压力,进行恒压差控制。

如果压差值低于规定下限值,电动机的转速将不再下降。

当压差较小,说明系系统负荷不大,减小水泵的转速,压差上升当压差较大,说明系统负荷较重,增加水泵的转速,压差下降。

这样一来,既考虑到了系统负荷的因素,又改善了节能效果。

（2）以温差为主的控制方式

这种方式同样对压差进行检测,压差低于规定下限值,电动机的转速将不再下降,确保各楼层的管路具有足够的压力。

但所不同的是非恒压差控制。

以制冷主机的回水温度和出水温度之间的温差信号为反馈信号,使循环于各楼层的冷冻水能够保持足够的低温,进行恒温差控制。

当温差较小,说明系统负荷不大,减小水泵的转速,温差上升当温差较大,说明系统负荷较重,增加水泵的转速,温差下降。

不管使用何种调节方法,其流量调节的范围不应低于系统的报警闲值。

严格地说,除冷冻水在传输途中的损失的话,制冷主机的回水温度和出水温度之差表明了冷冻水从房间带走的热量,相比压差更能反映系统供冷负荷,应该作为控制依据”因此决定在控制系统中采用温差为主的控制方式。

制冷主机的出水温度一般较为稳定,一般为设定值,其差值一般为。

因此实际上,也可以只根据回水温度进行控制。

（3）以温差为主的控制方式的优点

采用以温差为主的控制方式,非常适合对已有空调的变频改造。

相比其他控制方式,无需在各支路增加电动二通调节阀,又能保证系统运行的可靠性。

各支路并没有采用自主调节的电动二通阀门,阀门的开度还是根据初调节决定的。

这样经过改造后的变流量系统,在泵进行调速时,流量还是按照原先的比例进行分配。

绝大多数情况下,各个房间的负荷急剧变化的情况很少出现,可以近似认为是相似工况,所以按照过去比例分配流量是可行的。

采用温差控制所需具备的条件：

a.制冷机和水泵有多台,至少有一台可做备用的。

b.系统的出回水温差大多数时间小于设计温差,末端设备多数时间在低速就可满足绝大多数工况.

c.各个房间负荷快速变化的情况较少。

由上述分析可知,以温差为主的控制方式是一种相对简便有效的变流量控制方式。

在确定以温差为主的系统控制方式之后,研究如何根据温差对水泵频率进行控制,既保证供冷负荷,又是水泵频率尽量降低,实现节能的目的。

三、所用到的控制方法

1.PID控制器

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t）。

即e（t）=r（t）-c（t）（3-1）

将偏差的比例系数〔P）、积分系数（I）、微分系数（D）通过线形组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为PID控制器。

PID控制系统原理图如下3-1图所示:

控制规律为：

U（t）为控制量，e（t）给定值与实际值的偏差,Kp比例增益,Ti积分时间常数,Td为微分时间常数。

传递函数的形式：

（1）比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号额e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

（2）积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决积分时间常数Ti,Ti越大积分作用越弱，反之则越强.

（3）微分环节能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

因此可以通过选择KP、Ti、Td使控制量的三个部分合理组合，从而达到控制的目的。

2.模糊控制器

模糊控制的基本思想就是利用计算机来实现人的控制经验。

而人的控制验一般是由语言来表达的,这些语言表达的控制规则又带有相当的模糊性,规则的形式正是模糊条件语句的形式,可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用的这些模糊概念以及它们之间的关系,又可以根据这种模糊关系及某时刻过程控制的检测值需化成模糊量用模糊逻辑推理的方法得出此刻的控制量。

因此,模糊控制就是以人的控制经验作为控制的知识模型,以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理知识作为控制算法来模拟人的思维方法,对复杂系统进行控制的数学工具,用计算机来实现的一种智能控制。

模糊逻辑控制的基础是模糊逻辑,模糊逻辑从含义上比其它传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。

它能够对真实世界的近似的、不确切的特征进行刻画。

实际上,模糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立

一种“自由模型”的非线性控制算法,特别是在那些采用传统定量技术分析过于复杂的过程或者提供的信息是非定性、非精确的、非确定的系统中,模糊逻辑控制的效果相当明显。

模糊控制的实质是将专家知识的控制策略转换为自动控制的策略,是根据人们的实践经验总结出若干条模糊控制规则,并以此为根据由计算机实现控制。

模糊控制系统由以下几个部分组成：

模糊控制器、输入输出接口、转换器、检测装置、执行机构和被控对象。

模糊逻辑控制系统的基本结构如下图3-2所示：

图3-2模糊控制系统框图

在模糊控制系统中,采用基于模糊知识表示和规则推理的“语言型”模糊控制器。

模糊控制器是模糊控制系统的核心,一般由计算机实现,用计算机程序和硬件实现模糊控制算法。

在实际系统中,由于多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量。

因此模糊控制系统与其它全数字控制系统一样,必须具有模/数、数/模转换单元,不同的只是在模糊控制系统中,还应有适用于模糊逻辑处理的“模糊化”与“解模糊化”环节。

在模糊控制系统中,为了提高控制精度,要及时观测被控制量的变化特性及其与期望值之间的偏差,以便及时调整控制规则和控制量的输出值,因此,往往将测量装置的观测值反馈到系统输入端,并与给定输入量相比较,构成具有反馈通道的闭环结构形式。

在中央空调系统中,当中央空调系统负荷变化造成空调主机及其水系统偏离最佳工况时,模糊控制器根据数据采集得到各种运行参数值,如系统供回水温度、供回水压差、流量及环境温度等,经推理运算后输出优化的控制参数值,对系统运行参数进行动态调整,确保主机在任何负荷条件下,始终处于最佳运行工况。

系统构成如下3-3所示。

3.模糊控制器

中央空调变频节能控制的核心是模糊控制器。

模糊控制器又称为模糊逻辑控制器。

从功能上划分,它主要由模糊化接口、知识库、推理机以及解模糊接口四个部分组成，其结构图如下图3-4所示。

图3-3中央空调系统变流量模糊控制系统框图

图3-4模糊控制器结构图

（1）模糊化的接口

模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制输出的求解,因此,它实际上是模糊控制器的输入接口。

它的主要作用是将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。

它的过程可简单的分成两部分模糊语言变量的确定及确定语言值的隶属函数。

模糊语言变量由语法规则、语言值、语意规则也称句法规则和论域等几部分组成。

因此模糊语言变量的确定,包含了根据语法规则生成了适当的模糊语言值,根据语意规则确定语言值的隶属函数以及确定语言变量的论域等。

模糊语言值实际上是一个模糊子集,而语言值最终是通过隶属函数来描述的。

语言值的隶属函数又称为语言值的语意规则,有时以连续函数的形式出现,有时以离散的量化等级形式出现。

三角形型和高斯型是模糊控制系统中两种最常见的隶属函数类型。

隶属函数的选择对模糊控制性能也有一定影响。

一般说来,隶属函数的形状越陡,分辨率就越高,控制灵敏度也较高相反,若隶属函数的变化很缓慢,则控制特性也很平缓,系统的稳定性也较好。

因此,在选择语言值的隶属函数时,一般在误差范围为零的附近区域,采用分辨率较高的隶属函数,而在误差较大的区域,为使系统具有良好的鲁棒性,常可采用分辨率较低的隶属函数。

（2）知识库

知识库包含应用领域方面的知识,主要有数据库和规则库组成。

数据库存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值即经过论域等级离散化以后对应的集合,若论域是离散域,则存放它在各个离散点上的隶属度若论域为连续域,则存放它的隶属度函数。

在模糊控制器推理过程中,数据库向推理机提供必要的数据。

在模糊化接口和解模糊接口进行模糊化和解模糊时,数据库也向它们提供相关论域的必要数据。

规则库就是用来存放全部模糊控制规则的,在推理时为“推理机”提供控制规则。

对规则的选择常见的有经验归纳法和推理合成法两种方法。

（3）推理机

推理是模糊控制器中,根据输入模糊量,由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程,并获得模糊控制量的功能部分。

它通常是在模糊控制器设计过程中选定的推理算法软件。

（4）解模糊接口

模糊推理得到的结果为模糊值,不能直接用于控制被控对象,需先转化成一个执行机构可以执行的精确量。

此过程一般称为解模糊过程,或称为模糊判决,它可以看成模糊空间到清晰空间的一种映射。

解模糊的目的是根据模糊推理的结果,求得最能反映控制量的真实分布。

最大隶属度法、中位数法、加权平均法是三种比较常见的解模糊方法。

4.模糊PID的设计

常规模糊控制器它是由一个常规积分控制器和一个二维模糊控制器相并联而构成。

其结构图如下3-5所示:

图3-5常规混合模糊控制器原理图

这种混合型模糊PID控制器不仅可以消除极限环振荡,而且可以完全消除系统余差,使系统成为无差系统。

在中央空调系统中,当温差信号比较大时,采用模糊控制器当温差信号比较小时采用,采用比例积分控制。

中央空调系统控制器原理图如下图3-6所示:

图3-6中央空调系统中的控制器原理图

对于具体过程我们不做具体探讨，只给出它的流程图如图3-7所示。

5.PLC控制变频调速系统

PLC控制下变频调速系统原理如图3-8所示。

PLC控制中央空调变频调速系统软件设计的总体思路是利用电压信号控制变频器,进而控制水泵转速和温度.控制程序采用PID控制算法控制输出电压。

与传统的PID控制相比，PLC控制更精确，更可靠。

6.中央空调余热回收利用的控制策略

中央空调余热回收中利用的热泵、板式换热器、储热罐、热水罐也不同程度的用到了交流变频调速的技术，因为不是主要方面，这里不再进行详述。

图3-7控制程序流程

图3-8PLC控制下变频调速系统原理图

（本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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