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变频器在中央空调系统中的应用 |
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作者：山西巨龙风机有限公司 杨德印 |
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中央空调系统由于运行效率高，使用方便，而获得了广泛的应用。我国北方地区，中央空调夏天要制冷，冬天要制热。实现稳定制冷或制热的关键是控制循环水泵，让适当流量的热水（冬天）或冷水（夏天）流经所有受益房间，当受益房间的控制开关打开时，盘管风机即向室内释放热空气（冬天）或冷空气（夏天），使室内稳定在一个令人舒适的温度范围内。以冬天为例，中央空调系统向所有房间提供的热量，与循环水的流量以及出水、回水的温差有直接关系。为了保证室内温度稳定，应保证出水、回水的温差相对稳定。如果温差值过大，说明室内温度偏低，需要加大循环水的流量；如果温差值过小，情况刚好相反。
传统的方法是根据出水、回水的温差用手动方式或电动装置调节阀门，控制循环水的流量。这样操作既浪费人力和电能，又不能保证温度的稳定。某军工企业在改扩建中心医院时，选用了富士变频器，配合智能化仪表温差仪对中央空调的循环水水泵进行控制，实现了节约人力，节约能源，稳定室内温度的积极效果。
1 中央空调系统的工作原理
1.1 系统构成
中央空调系统由蒸汽锅炉（制热源）、换热器、冷冻主机（制冷源）、循环水泵及管网、风机盘管等构成。其中蒸汽锅炉（热源）和换热器在冬季制热时投入使用；冷冻主机（冷源）在夏季降温时运行；系统其它构件为制冷、制热公用。
1.2 冬季制热过程
冬季制热时，蒸汽锅炉产生的热蒸汽通过换热器将水质良好的软化循环水加热，经水泵加压，使循环水在形成闭环的管网中持续流动，流经所有空调房间。盘管风机将盘管中循环水携带的热量扩散到室内，房间温度得以提升。工程上将从水泵流出进入房间的热水称作出水，从房间流回换热器的水称作回水。测量出水和回水的温度，并根据其温差值用适当方式调节循环水流量，保证出水和回水的温差值基本稳定，即可实现房间温度的相对稳定。制热时循环水的流向和流动路径参见图1。
图1 制热时的循环水管路
1.3 夏季制冷过程
制冷主机与换热器的作用相反，是将循环水温度降低从而生成冷冻水的设备[1]。冷冻水由水泵压入各楼层房间的盘管，然后又回到冷冻主机，如此循环不息。盘管风机将盘管附近的冷空气吹到房间内，用于降低室内温度。从冷冻主机流出的冷冻水称为出水，回到冷冻主机的水称为回水。根据出水和回水的温差值调节循环水的流量，可调节并稳定空调房间的温度。夏天制冷时循环水的流向和流动路径参见图2。
图2 制冷时的循环水管路
2 传统中央空调系统存在的问题
由以上分析可知，中央空调系统不管夏天制冷，还是冬天制热，都要根据循环水的出水、回水温差值调节循环水的流量。传统的方法是用人工的方法，在读取出水温度t1和回水温度t2后，通过手动或操作电动阀来改变循环水的流量，显然，这种人工干预调节流量的方法具有明显的技术缺陷。虽然也有根据回水温度自动控制电动阀开度的方案，但以上几种方法的共同点是循环水泵始终全速运转，通过改变阀门开度调节流量，必然造成水泵电机电能消耗的大量浪费，与当前积极倡导的创建节约型社会的国情格格不入。
3 变频控制方案
某军工企业在改扩建中心医院时，由我公司提供设计方案，选用富士牌RN30P11S-4CX 型30 kW风机水泵专用变频器，配合UL-906M 型智能化仪表温差仪对中央空调的循环水进行控制，实现了节约人力，节约能源，稳定室内温度的积极效果。电路控制方案见图3。设计时主要考虑了以下几个问题。
1）正常时水泵由变频器驱动，这时，接触器KM1、KM3吸合，KM2断开。变频器异常时切换至工频，仅KM2吸合。这样可保证循环水泵不间断运行，房间温度保持基本稳定。
2）变频器与智能化仪表温差仪配合，控制中央空调系统的自动运行。温差仪选用安东公司的UL-906M 仪表，该仪表输入端接2 只Pt100 型温度传感器，即出水管道上的温度传感器t1和回水管道上的温度传感器t2，通过设置仪表参数，在其输出端输出4-20 mA的PID控制信号，送到变频器的频率控制端，用于调节变频器的输出频率，实现水泵转速的闭环反馈控制。
3）变频器的参数中，“下限频率”不能设置为零，因为这样水泵电机有可能停转。空调循环水一旦停止流动，温度传感器t1和t2测值即丧失了实用意义。
“下限频率”参数设置的原则是：水泵电机在“下限频率”持续运行，制热时尚不足以使空调房间的温度达到需要的温度，同样制冷时不能使房间温度降到合适值，这时，t1和t2的温差值增大，温差仪输出的控制信号增大，变频器输出频率上升，循环水流量增加，室内温度得到调节。其后，变频器根据出水、回水温差的变化，温差仪输出信号的大小，随时调整水泵的转速和流量，控制空调房间温度的稳定。
4）由于变频器本身会产生一些电磁干扰，所以，变频器和温差仪之间，以及温差仪与温度传感器之间的连线应使用屏蔽线；变频器接地端子应接专用可靠地线；温差仪的220 V电源端应接滤波器，也可自己动手制作一个图4那样的电源滤波器，图中T1和T2是20 W、220 V/24 V的工频变压器，电容器参数如图中标注。
图3 循环水泵电机变频控制方案
图4 电源滤波器
4 温差仪和变频器的参数设置
温差仪和变频器都是智能化仪器设备，只有对其进行正确的参数设置，才能使其工作在最佳状态。
4.1 温差仪现场调试参数
温差仪在运行现场的参数设置见表1。
说明：温差仪由LED显示，受显示效果限制，参数符号为大小写混排。
4.2 变频器的参数设置
变频器的参数设置见表2。表2 变频器的现场调试参数［2］
 5 应用效果
本案例成功地将变频器和温差仪应用到中央空调的循环水流量控制中。水泵属于二次方律负载[1]，在忽略空载功率的情况下，负载的功率PL与转速nL的三次方成正比，即
PL≈KPnL3
所以，只要平均转速稍微降低一点，负载功率就会下降很多。相对于传统方案，电动机始终全速运行，用阀门调节流量，具有很大的节能空间。经过实际测算，本方案的节电效果达到了30%。同时，还具有节约人力，稳定空调房间温度，以及延长设备寿命等诸多效益。
作者简介：
杨德印（1947-），男，电气工程师，现任山西巨龙风机有限公司电控成套分公司总工程师。完成过多项大型自动化工程项目的设计，现从事高低压配电系统设计及变频技术的推广应用工作。在20 几种报刊杂志上发表过各种类型的技术文章200余篇。完成的电力系统定时定量自动控制装置获得山西省科技进步三等奖。
参考文献：
[1] 张燕宾.变频调速460 问[M]．北京：机械工业出版社，2006．
[2] 富士FRN30P11S 变频器操作说明书[Z].2006． (end)
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(1/4/2008) |
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