變頻器和PLC在中央空調(diào)中應(yīng)用的研究

胡林輝

摘要：21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)日新月異，變頻技術(shù)具有顯著地節(jié)能降耗作用，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空調(diào)中，但在實(shí)際的運(yùn)用中也存在一些問(wèn)題，造成能量的浪費(fèi)。本文主要針對(duì)PLC及變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的應(yīng)用展開(kāi)了探討，對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行和節(jié)能原理作了詳細(xì)的闡述，并通過(guò)結(jié)合具體的工程實(shí)例，給出了一系列PLC及變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造的措施，供同行參考。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻；中央空調(diào)；節(jié)能

近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，在現(xiàn)代人的生活中，中央空調(diào)是不可或缺的重要電器，同時(shí)中央空調(diào)是現(xiàn)代建筑物中重要的電氣設(shè)施之一，在現(xiàn)代大中型建筑物中中央空調(diào)已經(jīng)是不可缺少的配套設(shè)施之一，由于其耗能非常大，約占建筑物總電能消耗的60%。而在中央空調(diào)節(jié)能改造中應(yīng)用PLC及變頻器，不僅可以大幅度節(jié)約電能和提高中央空調(diào)的自動(dòng)化程度，還能使系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、維護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，中央空調(diào)的節(jié)能改造都普遍傾向于應(yīng)用PLC及變頻器。

1、中央空調(diào)系統(tǒng)概述

當(dāng)前而言，空調(diào)系統(tǒng)由水系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)組、風(fēng)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)以及末端系統(tǒng)構(gòu)成，制冷機(jī)經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)把制冷劑壓縮變?yōu)楦邏焊邷氐臍怏w，在傳輸?shù)嚼淠髦泻屠鋮s水實(shí)施熱交換。冷卻水變?yōu)楦邷厮?，水泵把高溫水輸送到散熱系統(tǒng)再對(duì)其降溫，和外界環(huán)節(jié)實(shí)行換熱，把熱量釋放至空氣中。制冷劑通過(guò)冷凝器轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓后，在蒸發(fā)器中和冷凍水進(jìn)行換熱，冷凍水被降溫后，水泵再把冷水運(yùn)輸?shù)娇照{(diào)末端，為用戶提供制冷功能。制冷劑蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)后被吸入壓縮機(jī)，達(dá)到一個(gè)良好的循環(huán)。

2、中央空調(diào)節(jié)能改造原理

2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)

眾所周知，中央空調(diào)系統(tǒng)的工作過(guò)程是一個(gè)不斷進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換以及熱交換的過(guò)程。其理想運(yùn)行狀態(tài)是：在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，在冷凍泵的作用下冷凍水流經(jīng)冷凍主機(jī)，在蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，被吸熱降溫后（7℃）被送到終端盤(pán)管風(fēng)機(jī)或空調(diào)風(fēng)機(jī)，經(jīng)表冷器吸收空調(diào)室內(nèi)空氣的熱量升溫后（12℃），再由冷凍泵送到主機(jī)蒸發(fā)器形成閉合循環(huán)。在冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，在冷卻泵的作用下冷卻水流經(jīng)冷凍機(jī)，在冷凝器吸熱升溫后（37℃）被送到冷卻塔，經(jīng)風(fēng)扇散熱后（32℃）再由冷卻泵送到主機(jī)，形成循環(huán)。在這個(gè)過(guò)程里，冷凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，在冷凍泵、冷卻泵得到動(dòng)能不停地循環(huán)在各自的管道系統(tǒng)里，不斷地將室內(nèi)的熱量經(jīng)冷凍機(jī)的作用，由冷卻塔排出。如圖一所示。在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷凍泵、冷卻泵的裝機(jī)容量是取系統(tǒng)最大負(fù)荷再增加10%—20%余量作為設(shè)計(jì)安全系數(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍水、冷卻水循環(huán)用電約占系統(tǒng)用電的12%—24%，而在冷凍主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷卻水、冷凍水循環(huán)用電就達(dá)30%—40%。因此，實(shí)施對(duì)冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的能量自動(dòng)控制是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造及自動(dòng)控制的重要組成部分。

2.2 泵的特性分析與節(jié)能原理 泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，揚(yáng)程H及泵的軸功率N的關(guān)系如下式所示：

Q1=Q2（n1/n2），H1=H2（n1/n2）2，n1=n2（n1/n2）3（1-1）

上式表明，泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚(yáng)程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵時(shí)，電動(dòng)機(jī)的軸功率P（kw）可按下式計(jì)算：

P=ρQH/ηcηF×10-2（1-2）

式中：P：電動(dòng)機(jī)的軸功率（KW）；Q：流量（m3/s）；ρ：液體的密度（Kg/m-2）；ηc：傳動(dòng)裝置效率；ηF：泵的效率；H：全揚(yáng)程（m）。

調(diào)節(jié)流量的方法：

圖1

由圖1可見(jiàn)，曲線1是閥門(mén)全部打開(kāi)時(shí)，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2是額定轉(zhuǎn)速時(shí)，泵的揚(yáng)程特性。這時(shí)供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)為A點(diǎn)：流量QA，揚(yáng)程HA；由（1-2）式可知電動(dòng)機(jī)軸功率與面積OQAAHA成正比。今欲將流量減少為QB，我們采用：閥門(mén)開(kāi)度不變，降低轉(zhuǎn)速的方法，這時(shí)揚(yáng)程特性曲線如曲線4所示，工作點(diǎn)移至C點(diǎn)：流量為QB，但揚(yáng)程為Hc，電動(dòng)機(jī)的軸功率與面積OQBCHc成正比。如此看出，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法調(diào)節(jié)流量，電動(dòng)機(jī)所用的功率將大為減小，是一種能夠顯著節(jié)約能源的方法。

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)原理：n=60f/p（1-s）（1-3）

3、工程實(shí)例

3.1 工程描述

某商貿(mào)大廈的中央空調(diào)水泵為一次泵，泵電機(jī)定速工作，回供水溫差約為3℃，使用繼電器控制水泵。系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

該大廈空調(diào)機(jī)組選型運(yùn)算是根據(jù)極端天氣和最差狀態(tài)下設(shè)置的，有較大程度的寬裕，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行很少會(huì)在這種極端的情況下運(yùn)行，通常一年中只有5天左右處于最大負(fù)荷狀態(tài)。大廈原本使用的空調(diào)系統(tǒng)除了消耗能源較大外，還將引起一系列的問(wèn)題，具體如下。

（1）水流量過(guò)大會(huì)引起系統(tǒng)溫度差減弱，換熱效率減小，使得機(jī)組工作條件惡化，損耗額外電能。

（2）水泵使用自耦變壓器開(kāi)啟，電機(jī)開(kāi)啟式電流增大，對(duì)于供電系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重干擾。

（3）通常泵啟、停不是軟停、啟，在泵停、啟時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，對(duì)于零件閥門(mén)、網(wǎng)管、管道等形成一定程度的損壞。

為保證負(fù)荷波動(dòng)和循環(huán)水流量相負(fù)荷，運(yùn)用變頻控制對(duì)于空調(diào)水系統(tǒng)實(shí)施節(jié)能改造，能夠減少系統(tǒng)的能力耗損。首先其可以控制水泵的轉(zhuǎn)速，使得水量伴隨著負(fù)荷的改變相適應(yīng)，進(jìn)而節(jié)約能量；其次由于變頻器的開(kāi)啟方式是軟啟動(dòng)，電機(jī)在開(kāi)啟時(shí)沒(méi)有沖擊電流，如此可以預(yù)防水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，延長(zhǎng)零件閥門(mén)、電機(jī)、管道的使用期限。

3.2 節(jié)能措施

按照大廈原有的空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，擬定大樓空調(diào)水循環(huán)節(jié)約能源的改造措施，具體方法如下。

冷凍泵功率為55kW，冷卻泵功率79kW，空調(diào)機(jī)組功率大約在35%，因此對(duì)冷卻水系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)施改造，在保障穩(wěn)定可靠運(yùn)行的狀況下，獲得較為明顯的節(jié)能效果。

冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)的控制都采取定溫度差控制方法，溫差控制適合使用于泵的恒流量更改，把冷卻水、冷凍水的溫差度控制在4.8℃左右。使用溫度傳感器測(cè)量回水溫度和供水溫度，把結(jié)果通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳輸?shù)絇LC進(jìn)行計(jì)算，按照計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)監(jiān)控變頻器，進(jìn)而監(jiān)控水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整水流量。假設(shè)回水溫度和供水溫度差較大，應(yīng)該增強(qiáng)水泵頻率，提升循環(huán)水流量；同樣的回水、供水溫差較小是應(yīng)該減少水泵頻率，降低循環(huán)水流量。

經(jīng)過(guò)PLC設(shè)置冷卻塔水溫控制在30℃左右，PLC使用的實(shí)際溫度和設(shè)置數(shù)據(jù)對(duì)比，但溫差值上升3℃左右時(shí)，啟動(dòng)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，溫差值減少3℃時(shí)，延長(zhǎng)五分鐘后暫停兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，經(jīng)過(guò)PLC程序完成電氣和儀表的連鎖監(jiān)控，完成節(jié)能的最初目標(biāo)。

系統(tǒng)水泵的轉(zhuǎn)速都使用變頻控制措施，正常運(yùn)行時(shí)，水泵在40Hz左右變頻運(yùn)動(dòng)。當(dāng)變頻控制系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，應(yīng)該啟動(dòng)原有的控制電路，使水泵定頻運(yùn)作。

3.3 變頻器控制水泵步驟

PLC控制器經(jīng)過(guò)溫度模塊和溫度傳感器收集實(shí)際溫度儀表數(shù)據(jù)，把壓縮機(jī)器的出水溫度和回水溫度輸入PLC控制器內(nèi)存中，PLC的相關(guān)計(jì)算系統(tǒng)出進(jìn)水溫差值。按照壓縮機(jī)的出水溫度和回水溫度差值監(jiān)控變頻器的頻率，進(jìn)而控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整出水量，合理調(diào)整熱交換速度。溫度差表示室內(nèi)溫度較高，系統(tǒng)負(fù)荷較小，可以有效減少冷凍泵的轉(zhuǎn)速，降低冷凍水的循環(huán)流量和速度，經(jīng)過(guò)PLC和變頻器間的協(xié)同作用完成節(jié)能的目標(biāo)。冷卻水出水進(jìn)水溫差較大，表示壓縮機(jī)負(fù)荷較大，需要冷卻水帶走大量的熱量，增強(qiáng)冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增加冷卻水的循環(huán)量。溫度差較小，表示壓縮機(jī)負(fù)荷較小，需要帶走的熱量可以減少冷卻泵的轉(zhuǎn)速，降低冷卻水，以達(dá)到節(jié)能的目的。

3.4 節(jié)能改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以下一冷凍水泵為例子詳細(xì)介紹節(jié)能改造方案的設(shè)計(jì)接觸器KM3是其旁通接觸器，連接后可以開(kāi)啟原水泵的控制電路，保障水泵定頻運(yùn)行。接觸器KM1作為M1的變頻接觸器。兩臺(tái)水泵的接觸器經(jīng)過(guò)PLC實(shí)施控制，旁路接觸器經(jīng)過(guò)繼電器控制，變頻接觸器和旁路接觸器間有相關(guān)的電器互鎖。

圖2 控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的構(gòu)造如圖2所示，控制環(huán)節(jié)經(jīng)過(guò)兩個(gè)溫度傳感器測(cè)量出水溫度和進(jìn)水溫度，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)變模板，把模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量輸送給PLC，PLC系統(tǒng)把數(shù)字量信息實(shí)行運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)調(diào)速D/A模板再次轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，調(diào)整變頻器的轉(zhuǎn)速。進(jìn)水出水溫度差值較大，則應(yīng)該提升水泵轉(zhuǎn)速；溫度差較小是，減少水泵轉(zhuǎn)速，進(jìn)而保障溫度差維持在穩(wěn)定狀態(tài)，以達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

3.5 變頻調(diào)整速率系統(tǒng)節(jié)約能源的評(píng)估

根據(jù)與離心泵定理可以表述如下，其中Q表示的是水泵流量P表示水泵功率；H表示水泵揚(yáng)程；n表示為水泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)公式可知，頻率和泵流量成正比關(guān)系，頻率的平方和泵的揚(yáng)程為正比關(guān)系，頻率的三次方和水泵為正比關(guān)系。經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速后，節(jié)能效果十分顯著。所以，采取變頻調(diào)速的方式來(lái)調(diào)整中央空調(diào)水系統(tǒng)流量有十分重要的意義。

4、結(jié)束語(yǔ)

綜上所示，中央空調(diào)系統(tǒng)指的是對(duì)建筑和樓宇內(nèi)的空氣實(shí)施調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，是目前現(xiàn)代建筑中必不可少的主要設(shè)備設(shè)施。但是其還存在一定的缺陷和不足，由于其耗電量較大，我們應(yīng)該做好良好的節(jié)能改造工作。通過(guò)以上分析可以知道，本文通過(guò)分析PLC和變頻器在中央空調(diào)節(jié)能改造中的運(yùn)用實(shí)施探究，以期望對(duì)有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙春平，李冰.PLC自動(dòng)控制技術(shù)在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2010（01）.

[2]韓俊青，王洪華.基于PLC控制的中央空調(diào)節(jié)能改造[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2009（06）.

[3]肖麗萍，唐軍，李澤滔. 中央空調(diào)變頻調(diào)速節(jié)能控制的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 貴州科學(xué)，2012，02.

[4]杜濤，張軍，楊明.變頻節(jié)能技術(shù)在中央空調(diào)中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2011，（05）