用变频器控制空调冷却节能的一次尝试分解.docx
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用变频器控制空调冷却节能的一次尝试分解
用变频器对中央空调冷却塔风机的节能改造
【摘要】：
本文叙述了中央空调系统运行在低负荷时，水泵、风机能耗量较大，运行效率低等问题，从中央空调系统的能耗组成分析冷却塔风机节能的可行性。
并重点阐述用变频调速对中央空调系统冷却塔风机进行节能降耗的改造。
【关键词】：
变频器、中央空调、冷却塔风机、PID控制、节能改造。
【前言】：
改革开放以来，我国国民经济迅速发展，但是能源紧张已成为一个棘手的问题，而且在相当一个时期内能源的紧张状态不会改观。
近几年的夏天，我国许多城市都出现了用电紧张，供电部门被迫实施强制性错峰用电的现象，中山也是众多被迫实施强制性错峰用电的城市之一，强制性错峰用电严重影响了居民的正常生活和企业的生产经营。
空调设备，尤其是中央空调设备耗电巨大，由于中央空调设计是按最高气温条件和最大用冷面积设计的，且留有20%左右的余量，因此中央空调绝大部分时间运行在满负荷的70%以下，空调冷却塔风机的配置也是和主机相匹配的，因此空调的冷却塔风机也存在很大的节能空间。
针对中山大信商厦空调系统设计的局限性及使用中的“大马拉小车”现象。
我公司作为专业的设备工程公司，我们向大信物业管理公司提出用变频器对中央空调冷却塔风机进行节能改造（我公司和大信物业是合作公司），得到了公司领导的支持，作为永安消防工程公司项目主管，我有幸在2005年组织实施了此次节能改造。
改造后节能效果明显，具有良好的实用性。
【正文】：
一、设备的原有状况：
中山大信商厦是一家大型购物广场，在2002年安装了美国约克公司生产的单机容量为1300冷吨离心式冷水机组四台，型号为：
YKHFGBJ25DBD。
供冷面积约70000m2。
配备55KW冷冻一次泵6台，型号为：
ISG300-235，流量为：
720m3/H，扬程为：
18M，额定电流为：
104A。
75KW冷冻二次泵10台，型号为：
200RK400-50A，流量为：
386m3/H，扬程为：
46m，额定电流为：
139A。
132KW冷却泵6台，型号为：
ISG300-235（I）A，流量为：
965m3/H，扬程为：
32m，额定电流为：
235A。
有3个编号分别为1#，2#和3#循环水冷却塔，每个冷却塔内装设1台轴流风机，其直径为5500mm，由电压为380V，额定功率为55kW的4极异步电机驱动,额定电流为：
104A。
电机和风机之间采用恒定减速比的减速机直联，塔内不装设节流阀。
因此轴流风机的转速与风量是不可调的。
3个塔的总处理能力达6000m3/h。
图A中央空调系统工艺结构流程
由于大信商厦是一家大型商业广场，他的商业定位较高，每天的人流量都很大，因此中央空调每天都必须运行。
但是，随着季节的变化，每天温度的不断变化，空调主机的负荷也在不断变化，但是冷却塔风机采用恒流装置，负荷不随主机负荷的变化而变化。
为了控制风量，使空调所需循环水温度是≤32℃的冷水又不至于太浪费电能必须人工频繁启、停风机的台数。
由此可见此系统存在以下主要问题：
1、风机在全速下运行，不随负荷的减小而卸载，而大部分时间风量的需求量低于设计要求，因而大量的电能被浪费。
2、人工频繁启、停，即不能准确的满足设备需要，也浪费人力。
3、风机为大惯性负载，起动电流大、噪声大、机械振动大，致使设备故障率高，维修工作量大，维修成本高。
二、中央空调系统的能耗状况：
1、中央空调制冷主机系统：
中央空调制冷主机系统在每天开启后的前1小时左右，由于环境温度和室内温度比人体感知的舒适温度偏高，制冷主机基本工作在滿负荷状态，随着制冷时间延长和制冷量的增加，室内温度开始下降，当到达设定温度值后，制冷主机开始逐渐自动调整负荷率，直至到卸载状态。
因此，中央空调主机的制冷在每天的制冷工作过程中除开始启动时段内的负载率比较高外，其余时段的负载率并不高，使用的能量相应也少，大约占中央空调系统总能耗35%~55%。
2、中央空调水循环系统：
中央空调水循环系统分为冷冻水循环系统和冷却水循环系统，在制冷主机开启前，开启循环泵，在制冷主机停机后，关闭循环泵。
因冷却水泵与冷冻水泵已改造过。
3、冷、热交换系统：
冷、热交换系统分冷却塔风机和盘管风机，而盘管风机是根据用冷气单元的使用量开启和停止的，是不定的工作状态，而且功率也很小、数量多。
因此，它大约占中央系统的总能耗的5%-12%。
冷却塔风机工作是在制冷主机开机前启动，在制冷主机停止后停止。
因此，冷却塔风机在整个工作过程中没有卸载和轻载时间的，它始终工作在基本恒定的工作状态。
大约占中央空调系统的总能耗的20%-25%。
鉴于以上问题和缺点，我经过认真仔细的研究，决定用变频器对冷却塔风机进行改造，使风机实现软启动，来降低对电网的影响，同时使风机运行在变频状态下，达到节能降耗的目的。
三、中央空调系统节能的可行性：
1、从中央空调系统的组成及其能耗状态可以看出：
中央空调主机耗能和水循环系统耗能占整个系统耗能的比例较大，而中央空调制冷主机系统带有自动加载、卸载功能，中央空调制冷系统基本不需做节能改造；冷热交换系统的能耗比较少，尤其是盘管风机的功率小、数量多，工作时间不确定。
因此，中央空调系统的节能改造一般都是对水循环系统和冷却塔风机进行节能改造。
2、根据中央空调系统的工作特点：
中央空调制冷主机除开机的前段时间工作负荷比较大以外，其余时间的负荷并不大，能耗跟环境温度有关，环境温度低、制冷主机工作在开机前段的时间就短，环境温度高、制冷主机工作在开机前段的时间就长，当供需达到基本平衡时，主机处于卸载状态；水循环系统和冷却塔风机一秒钟也不能停止工作，不管是回水、出水温度大还是小，冷却塔风机一直是处于恒量运行，存在着较大的节能空间。
对于风机来说，在某一范围内变化有一大特点：
TL=KLN2PL=KPN3
风量（Q）与转速（N）成正比，负载转距（T）与转速（N）的平方正比，轴功率（P）与转速（N）的立方成正比。
见下（表一），只要变频器使风机的转速稍降一点，负载转距和轴功率就能大幅度降低，也就是实际消耗的功率可以显著减少。
表一
转速N%
风量Q%
频率
负载转距T%
轴功率%
100
100
50
100
100
90
90
45
81
72.9
80
80
40
64
51.2
70
70
35
49
34.3
60
60
30
36
21.6
50
50
25
25
12.5
显然，采用变频技术调节风机的转速，将风机的风量从不能随负荷变化的风量运行，转化成跟随负荷变化的变风量运行的变风量控制系统的节能效果是十分显著的，另外，从表一还可以看出，在高风量区（90%-100%）调速控制装置的效率变化不大。
越是低风量，变频器控制所需的功率显著减少。
因此，风机最好能在低风量区（80%-90%以下）采用变频控制，而在高风量区切换到工频电源上，这样节能效果更好。
四、中央空调系统冷却塔风机的节电原理：
根据中央空调系统的工作状况，为了达到变风量的目的，我采用了闭环控制模式变频调速控制系统改变风机转速方式进行节能。
由安装在冷却塔出水口内的温度传感器测定冷却塔出水温度，经过温控器转换成4~20mA标准的电流信号，送到变频器的摸拟输入端经变频器的数据处理系统计算并与设定的水温值比较后，给出PID调节后的输出频率来控制变频器的转速，改变风机的风量，从而改变冷却塔的出水温度，形成一个完整的闭环控制系统。
当出水口温度增高，自控环节令变频器输出频率上升，电机转速上升，增加风量，减小温差。
反之，频率下降，减小风量，是温度上升。
最终达到出水温度恒定的目的。
这样既提高了系统的工作效率，又使该系统运行在最经济、合理的状态，同时，也节约了能源——电能。
五、中央空调系统冷却塔风机的变频调速控制系统改造过程：
1、主回路转换
由于变频调速控制系统是串联在水泵电机的输入侧，在3台冷却塔风机之间切换，因此，主回路也会根据风机的设计要求作相应的切换。
为了保证主回路切换和运行的安全性，我采用了中间继电器和时间继电器对主回路进行控制。
原理图如下：
（梯形图附后）
图B主回路切换原理图
中央空调冷却塔风机是根据制冷主机系统水循环量和冷却塔风量的要求配置的，同时配有备用泵。
本空调系统配有1#、2#、3#3个循环水冷却水塔。
当时共有三种设计方案：
（1）、一台冷却塔风机使用变频器，其它两台为工频。
（2）、用一台变频器在两台风机间手动切换，另一台风机为工频。
（3）、用一台变频器结合继电器控制电路实现一拖三的控制方式。
第1、2方案简单，但不能实现所有风机的变频软启动，不能完全实现自动控制调节冷却塔水温的目的。
第三种方案继电器控制电路较复杂，应用的元件也较多，虽然增加了控制难度及成本，但可以完全满足系统工作的要求，且可以方便的进行下一步系统改造，所以采用了第3方案：
使用一拖三的控制方式。
2、变频器调速过程
我查阅了各种变频器资料，根据电机参数及变频器的选用原则：
变频器的额定电流应大于电动机在运行过程中可能出现的最大电流，选用一台日本富士电机株式会社生产的FRN55P11S-4CXP型变频器,该变频器的容量55KVA，输出频率0.1-120HZ，额定电流114A，大于冷却塔风机最大运行电流。
有欠压、过压、过流、过载能力强等优点。
由于是改造工程，原有系统仍然保留，设一个自动和手动选择开关。
从主回路的原理图可以看出，交流接触器组中KM1和KM2分别控制1#风机的变频运行和工频运行，而KM3和KM4则控制2#风机的变频运行和工频运行，KM5和KM6控制3#风机的变频运行和工频运行。
选择自动时，当给出循环起动风机指令后，接触器KM1接通，使M1风机以变频方式起动。
由于风机的最低转速必须满足冷却塔正常工作最小风量的要求，变频器必须设定一个能够满足冷却塔正常工作的最低频率下限，使风机转速成下降到一定程度不再下降。
根据耐心细致的调整，下限频率设为25HZ，是因为当风机电机频率下降到20HZ时，冷却塔内循环水对风力的感觉度很弱。
由于风机是大惯性负载，所以变频器起动频率、加减速时间的设置至关重要。
若加减速时间设定过短，在加速过程中容易会出现过流、过载，在减速时容易出现过电压保护，但设定时间过长，会导致风量调节缓慢，跟随性能变差，使系统易处在短期不稳定状态中，因此，在满足变频器正常运行（不跳闸故障）的前题下，需尽量将参数设定合理。
所以设水泵启动频率为5HZ，变频器上限频率设为50HZ，因电机的额定最高频率为50HZ。
按循环水的工艺要求将给定温度设为≤32°C。
当变频器的运行频率输出升至50HZ时冷却塔内的轴流风机实行强制通风，加快冷却塔填料上循环水与液相的热交换，同时输出一个上限信号给自动循环控制电路，而冷却塔水温仍超过设定值，经过已经设定在控制电路的时间继电器延时后（一般为5min左右），自动循环控制电路会自动快速切断KM1，接通KM2，（此处设双辅助头串联机械联锁，保证工频电源和变频输出完全隔离）将M1风机切入工频运行，然后自动接通KM3，使M2风机变频起动并运行。
如M2风机工作频率升到50HZ仍达不到设定温度，则顺序起动M3风机。
在这里每切换投入下一台风机均要通过时间继电器延时5min左右，因为冷却塔内的水温反应较迟缓，所以在控制电路上必须有一个延时。
相反，当冷却塔水温小于设定值时，自然要求降低频率，当频率降到一定值（如25HZ）时，则会自动切出一台工频运行的循环风机，如果输出频率再次低于25HZ，则再切出一台工频运行的循环泵。
总之始终保持有一台循环泵在变频状态，在切换时同样要有一个延时。
在这里整个电路的逻辑控制都靠中间继电器和时间继电器组成的控制电路来完成。
这样既保证了节能，又保证工况不受影响。
a、温度感应部分
由于冷却塔出水口水温较低，变化范围不大，故温度传感器以铂电阻（PT100）为宜，感温探头的测量范围为0~50℃，额定工作电压为DC24V，安装在冷却塔出水口的公共管道上。
b、PID调整部分
信号转换采用AL808温度变送器，从温度传感器取回的温度信号经处理后变为4~20mA的电流信号，送给变频器，再变频器内部与设定值进行比较，经PID运算后，输出一个随温度变化的模拟量值，来调节变频器输出频率，从而控制冷却塔风机的转速。
变频器内部PID系统调试首先进行脱机调试，即不连接空调主机，单纯调试PID系统，将4~5端子间的电流调至4mA时，使pr.904=0（变频器输出停止频率）。
再将4~5端子间电流调至20mA，使pr.905=50HZ（变频器输出最高频率）。
将感温探头放置在冷却塔出水口的公共管道上，分别输入pr.904和pr.905后，运行中央空调系统，运行变频器，当温度为28℃时，设定下限频率为25HZ，当温度为36℃时，设定上限频率50HZ。
c、变频调速部分
变频器是变频调速控制系统的执行机构，它接受从温度变送器来的模拟信号，根据模拟信号的变化，为电机提供一个频率可变的电流，调整风机电机的运行转速。
同时根据模拟信号的变化，由PU端和OL端向自动循环控制电路输出上限频率和下限频率的开关信号，通过上限频率和下限频率的信号来改变自动循环控制电路对电气系统的逻辑控制，来改变每个水泵的运行模式。
从而使冷却塔的实际温度值和设定值尽量保持一致，达到供需平衡。
下图为变频器控制回路接线图
图C变频器控制回路接线图
图C加减速曲线图
表二变频器主要参数设定表
参数名称
参数号
设定值
参数名称
参数号
设定值
电机极数
Pr.81
4极
减速时间
Pr.8
15S
上限频率
Pr.1
50HZ
起动频率
Pr.13
5HZ
下限频率
Pr.2
25HZ
过流保护
Pr.9
110A
额定频率
Pr.3
50HZ
额定频率电压
Pr.19
380V
加速时间
Pr.7
15S
电机功率
Pr.80
55KW
3、变频器的安装
a、按照变频器厂家的说明书，变频器必须安装在环境温度-10℃--50℃
且需通风良好，无腐蚀的工作环境。
我们的冷却塔风机控制柜因在中央空调主机房安装，所以以上的安装条件都可以满足。
b、我们在原冷却塔风机控制柜旁并列重新安装一台立式控制柜，用来安装变频器和自动循环控制回路，变频器在柜内立式安装，变频器的接地和去风机电机的接地及柜内主电源的接地进行可靠连接。
冷却塔安装在附楼的4层楼顶，中央空调的主机房在附楼的地下一层，从冷却塔风机的电机到风机控制柜变频器的输出端有32米，完全符合变频器输出有效距离50米的范围。
C、在变频器控制柜内，把变频器及其主回路线路与自动循环控制回路的元器件及其线路分开排列，使其不相互干扰。
控制线路排列在柜内控制线槽内，变频器的进出主电源由于线径较粗（35mm2）在柜内裸排，连接处用端子压接，在柜内用扎带固定。
柜外去电机线路用PVC管穿管安装（此断线路还用原来的老线路）。
【效益对比】：
变频器在当今交流调速系统中应用相当广泛，技术也相当成熟，现代的各种设备控制朝着自动化和人性化趋势发展。
此次用变频器改造中央空调冷却塔风机后，空调系统的能耗得到控制，减轻了操作人员的劳动强度，减轻了设备的损耗。
下表为2006年3月1日到2007年2月28日一年时间改造前后耗电对比，从表可以看出有较明显的经济效益。
仅一年时间便节约电费42928.4元，而改造总成本不到25000元，不到一年便收回了成本。
更重要的是节约了电能资源。
名称
运行时间
电机功率
电价
节能率
电度
电费
（小时）
（KW）
（元）
%
（度）
（元）
改造前
4015
55
0.972
无
220825
214641.9
改造后
4015
55
0.972
20%
176660
171713.5
节约
44165
42928.4
节能效益对比表
【结束语】：
用变频器控制中央空调冷却塔风机的节能改造成功的实现了能源控制，减轻了操作人员的劳动强度，减轻了设备的损耗，取得了一定的经济效益。
但自动化程度还不高，还可以考虑使用触摸屏，PLC，变频器，各类传感器等建立中心控制室，对冷却系统,冷冻系统,空调末端,消防系统等进行控制，在中心控制室有效的监控设备的运行。
【致谢】：
写本文时得到我司领导的大力支持，以及珠海市培训中心提供给本人考电工技师的平台和机会，特此致谢!
【参考文献】：
1、《交流调速应用技术》山东工业大学1997年7月
2、《变频器应用手册》机械工业出版社吴忠智2002年
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