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变频调速器在中央空调系统中的应用
来源: | 作者:nbjnwa | 发布时间: 2016-03-25 | 2168 次浏览 | 分享到:

 

一、变频调速技术的发展

交流变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术集成的一项高技术。它以其优异的调速性能、显著的节能效果和在国民经济各领域的广泛的适用性而被国内外公认为是世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案,是电气传动的发展方向。它为提高产品质量和产量,节约能源、降低消耗,提高企业经济效益提供了重要的新手段。

三十年代,就有人提出交流变频调速理论:六十年代,由于电力电子器件的发展,促进了变频调速技术向实用性方向的发展;七十年,席卷工业发达国家的石油危机,促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频调速器,使变频调速技术有了很大发展并得到推广应用;八十年代,变频调速已产品化,性能也不断提高,发挥了交流调速的优越性,广泛的应用在各工业部门,并且部分取代了直流调速;进入九十年代,由于新型电力电子器件如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)等的发展和性能的提高,计算机技术的发展(如由16位机发展到32位机以及运算速度的提高,发展了数字信号处理器DSP等)和新控制理论的应用(如磁志定向矢量控制、直接转矩控制)等原因,极大地提高了变频调速的技术性能,促进了变频调速技术的发展,使变频调速器在调速范围、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率、使用的方便性等方面都是其他交流调速方式不可比拟的,也超出了直流调速的性能指标,完全可以取代直流调速。现在交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎,取得了很好的经济效益。交流变频调速技术的优越性体现在两个方面:其一是节约电能,特别是在风机、水泵等设备的节能运行中,节能效果十分显著;其二是卓越的调速性能,可以满足许多工艺条件对调速的要求,提高了产品的产量和质量,提高了工艺自动化水平。

据统计,我国电动机装机总容量约4亿多KW,其用电量占当年全国发电量的60%~70%,而风机、水泵设备装机总功率达1.6亿KW,年耗电量3200KW·h,约占当年全国电力消耗总量的1/3。而应用变频器节电率一般在20%~60%,投资回收期1~3年,经济效益相当可观。所以大力推广应用变频调速技术不仅是当前推进企业节能降耗、提高产品质量重要手段,而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。

二、变频器与节能

在工农业行产各人们的日常生活中,经常需要对一些物理量进行控制,如空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量等,这些系统绝大多数是用交流电机驱动的。以前由于电机的转速无法方便调节,为了达到对上述物理量的控制,人们只好采用一些简单的方法,如用档板调节风量,用阀门来调节流量压力等,致使这些系统不仅达不到很好的调节效果,而且大量的电能被档板和阀门白白浪费。据统计,我国目前使用的风机、水泵大约有25%的能量是无谓消耗。因此,国家经贸委于1994年下发了763号文件《关于加强风机、水泵节能改造的意见》,鼓励支持变频节能技术在各行各业推广使用。另外,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器,变频器是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电,供给电机并能对电机转速成进行调节的装置。采用变频器进行风机、水泵的节能改造,不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费,而且还会极大提高控制和调节的精度,我们可以真正方便地实现恒温空凋系统和恒压供水系统。

三、中央空调系统

大、中型中央空调由三部分组成:
    1、制冷、制热站
    2、空调水管网系统
    3、空调末端装置(空调机组,风机盘管和新风机组等)

工作原理:采用设备中的风扇使室内空气循环,并通过设备中的冷、温水盘管来冷却和加热,以达到空调的目的。盘管中的冷、温水由机房中的制冷设备和锅炉提供。

该系统的缺点是:设备配置较大,风机噪音大。当环境温度变化或冷、热负荷变化时,只能通过增减冷、温水循环泵数量或使用挡风板的方法来调节室内温度,既耗费能源又造成环境温度波动。

四、负载与节能关系

1、负载类型与节能关系------生产机械各式各样,种类繁多,但负载类型主要分三类,它们与节能的关系见表1(P(KW)、M(n.m)、n(r/min))

2、几种典型负载与节能关系

由于中央空调系统中都是各种风机、泵类负载,根据流体学原理可知,P}n3,故应用变频器后,节能效果显著。下表列出风机、泵类负载应用变频器后,在不同流量Q、转速n、由功率P(额定值的相对百分数)在某频率值时的节能率。

五、中央空调变频调速系统的控制依据

中央空调系统的外部热交换由两个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进(出)水温度之差,反映了需要进行热交换的热量。因此,根据回水与进(出)水温度之差来控制循环水的流动速度,从而控制了热交换的速度,是比较合理的控制方法。

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房间内的温度。所以,冷冻泵变频调速系统,可以简单地根据回水温度进行如下控制:回水温度高,说明房间温度高,应提高冷冻泵的循环速度,以节约能源。反之则反。总之,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,实现回水的恒温控制。

2、冷却水循环系统的控制

由于冷却塔的水温是随环境温度而变的,其单测水温不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。所以,对于冷却泵,以进水和回水间的温差作为控制依据,实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大,说明冷冻机组产生的热量大,应提高冷却泵的转速,增大冷却水的循环速度;温差小,说明冷冻机组产生的热量小,可以降低冷却泵的转速,减缓冷却水的循环速度,以节约能源。

六、中央空调末端送风机的变频控制

随着生活水平的提高,人们已开始关注生活与工作环境的舒适性。大型公共建筑(如商场、宾馆、影剧院等)均设置有中央空调系统,而大多数中央空调的运行,绝大部分末端机采用开/关控制方式,难以满足人们对舒适感的要求。变频技术的飞速发展,成本进一步下降,使得这一要求成为现实。
1、调节风量
在中央空调系统中,冷、暖的输送介质通常是水,在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内,从而达到调节室温的目的。

在输送介质(水)温度恒定的情况下,改变送风量可以改变带入室内的制冷(热)量,从而较方便地调节室内温度。这样,便可以根据自己的要求来设定需要的室温。

调整风机的转速可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速,在变频的同时,输出端的电压亦随之改变,从而节约了能源,降低了系统噪音,其经济性和舒适性是不言而喻的。
2、控制方式的确立

(1)在室内适当的位置,安装手动调节控制终端,调速电位器VR和运行开关KK置于控制终端盒内,变频器的集中供电由空气开关控制,需要送电时在配电控制室直接操作。
调整频率设定电位器VR,可以改变变频器的输出频率,从而控制风机的送风量,关闭时断开KK即可,此方式成本低廉,随意性强。

(2)当室外温度变化,或者冷/暖输送介质温度发生改变时,将可能造成室温随之改变,对环境舒适要求较高的消费群体,则可以采用自动恒温运行方式。

选择内置PID软件模块的变频器。控制终端的方式同手动方式。电位器用来设定温度(而不是调整频率)。变频器通过采集来自反馈端VPF/IPF的温度测量值,与给定值作比较,送入PID模块运算事自动改变U、V、W端子的输出频率,调整送风量,达到自动恒温运行。

(3)送风机的分布可能不是均匀的,对于稍大的室内空间,则可以采用“区域温度平均法”策略调节送风量,以满足特殊需要量场所。

(4)为降低成本,个别的变频器可能没有内置PID软件模块,选用外加PID调节器即可。

3、应用方案的系统考虑

共振(动):选择末端送风机时,应考虑测试其在全转速范围的共振转速点,应避免电机工作于这样的转速区,通过设定变频器的回避频率及其宽度值,则可以避免电机运行于该转速区域。

节能:风机属于平方转矩负载,应用时,选择风机、泵类专用变频器(亦称为节能型变频器)较好,并将其转矩曲线(V/F)设定为“平方转矩”,这样可以达到较好的节能效果。

安装:变频器应装于末端机的“隔离室”内,除保证良好的散热外,还应让其不置身于潮湿环境下。亦需考虑中央空调在制冷或制热时末端机自身的温度影响。

频率限制:电机转速较低时,散热效果较差:转速过大,则会引起因风速过高而造成的不适当状态,如制冷时,可能因风速过大,致辞使冷凝水不能被吸水盘完全接收,造成外漏。应选择适宜的上、下限频率,下限频率以不小于15Hz为宜,上限频率不要超过60Hz,根据最大风速确定。

载波频率:将变频器的载波频率适当提高,则可以降低电机运行噪音,提高环境质量。多机并联运行时,若电机距离变频器较远,则需调整载波频率,以避免引起电机电流振荡。

七、机组台数控制

1、某大厦基本工况:三台机组,一用两备,根据大厦的热负荷量自动控制机组运行台数,自动保持各机组运行时间基本一致,达到最低能耗,达到最低的主机折旧。
    2、解决方案:
基本思路:根据回流量,供/回水温度来调节机组运行台数,负荷计算根据:
Q=C×m×∣T1-T2∣
注:C常数、m回水流量、T1回水温度、T2供水温度
当负荷大于单台机组80%,则第二台机组备份;当负荷大于前2台机组的负荷总量的80%,则第三台机组运行(80%该数值可调)。