艾默生TD2000变频器在冷却塔风扇系统中的应用

    冷却塔是一种将水冷却的装置，水在其中与渡过的空气进行热交换、质交换，致使水温下降，它广泛应用于空调循环水系统和工业用循环水系统中。在选用冷却塔时，主要考虑冷却程度、冷却水量、湿球温度是否有特殊要求，通常安装在通风比较好的地方。    冷却塔属热交换设备系统。进行热交换的两种介质即水与空气无间隔。冷却塔利用空气将通过它的水冷却．传热特点是水向空气传导热不需通过壁面，而是在直接接触过程中进行的。冷却水塔中，水在填料中形成水膜或水滴．在与空气直接接触的过程，同时发生热和质的传递：热传是由于水与空气的温差，而质传是由于水的表面蒸发形成的水蒸气不断地向空气中扩散，同时把水汽化潜热带入空气，在热量与质量的传递过程中，水冷却的过程叫做蒸发冷却过程，因此水在蒸发冷却过程中所散发的热量是由两部分所组成，即接触散热（传导和对流）和蒸发散热。    冷却塔利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去工业上或制冷空调中产生的废热。冷却塔组件分塔体和风机部分。冷却塔工作原理是采用物理降温的方式，使水与空气换热。风机部分的作用是增大送风量加快空气流动以利于换热；塔体部分的作用主要是增大水与空气的换热面积，增加水与空气的接触时间。风机部分就是个大风扇；塔体里面有填料，水在填料上形成水膜缓缓下流，在塔体底部是水槽，内有配管。    (1)典型的冷却塔风机控制方式    在典型的冷却塔风机控制系统中，变频器可以利用内置PID功能，组成以温度为控制对象的闭环控制。图4-12所示为典型的冷却塔变频控制原理，冷却塔风机的作用是将出水温度降到一定的值，其降温的效果可通过调整变频器的速度来进行。被控量（出水温度）与设定值的差值经过变频器内置的PID控制器后，送出速度命令并控制PWM输出，最终调节冷却塔风机的转速。
    图4-12    冷却塔风机变频控制原理    温度信号给定量通过变频器操作面板的参数设定，温度反馈量通过出水管路中的温度检测以4～20mA的电流形式从R口输入（以安川VS系列变频器为例），然后通过设置合理的PI参数（Kp=80%比例增益；Ki=30s积分时间；T= 5s采样周期；10%偏差极限）就可以获得满意的闭环控制。图4-13所示为冷却塔风机变频接线示意图。
    图4-13    冷却塔风机变频接线示意图此例中信号选用4～20mA，接F1，同时参数n043设为0，同时设置好跳线J1。    对冷却塔风机采用变频调速控制，还应注重以下几点。    ①由于冷却塔风机驱动部分的转动惯量一般都较大，所以给定加减速时间要长一些，如30～50s。    ②在实际运转中经常会由于外界风力的作用使冷却风机自转，此时假如启动变频器，电动机会进入再生状态，就会出现故障跳闸。对于变频器应该将启动方式设为转速跟踪再启动，这样就可在变频器启动前，通过检测电机的转速和方向来实现对旋转中电机的平滑无冲击启动。    ③由于是普通电机，因此应该设置最低运转频率，以保持电机合适的温升，通常频率下限为20Hz。    ④为防止在较宽运转频率范围内（一般20～50Hz）冷却风机出现特定转速下的机械共振现象，应该在试运转中分析这种情况，并采取修改参数的方法将系统的固有频率列为跳跃频率。    (2)多台风机变频节能控制系统    在大容量冷却水系统中，采用多冷却塔变频控制也是一种常见的方式。在某冷却水控制系统中，用户采用PLC控制两台风机，其中M1为工频风机，M2为变频风机，如图4-14所示（其中变频器采用艾默生的TD2000系列）；M2变频风机控制采用闭环温度PID控制。PLC则利用TD2000的开路集电极Y1和Y2的输出功能，获得该变频器的频率运行状态是在上限(FHL)或是下限(FLL)，就可以自动开停M1工频风机，而M2变频风机始终处于工作状态。    风机M2的工作状态分两种：一是处于20～50Hz运行；另一种是长时间处于20Hz运行。为了保证节能效果，对于后者就可以采用节能方式（休眠状态）。它只需设置一个零频运行阈值和零频回差即可。这样休眠的控制方式非常有效，尤其是在夜间冷负荷相对较低的情况下。    显然，低速运行是冷却塔本身节能所在。比如，两台主机和两台冷却塔对应，在两台主机满载工作时，如室外工况要求两台冷却塔100%投入，毫无疑问，这种满载工况的出现并没有可以节能的余地了，但是这种满载概率在舒适性空调中通常不超过10%，系统在全年的运行中，大部分时间是处在部分负荷状态下。也就是说，全年90%以上的时间都有节能的余地。    从图4-14中看出，PLC主要起到了开关控制的作用，可采用小型PLC，如西门子的CPU221、LG的K10S1或其他品牌的小型PLC。当然，本方案的功能只对同一出水并联的多冷却塔才有效，不同机组或不同出水管路均有局限性。    (3)冷却塔风机的优化温度设置    根据一般的工程常识，对于机械式冷却塔，风扇转速越高，冷却水的温度就会越低，此时冷却塔的耗电也就越多；可对于空调主机来说，冷却水温度越低，主机的耗电就会越少。反之，冷却塔转速越低，冷却水的温度越高，这样冷却塔的耗电越少。但对于空调主机来说，由于进入冷凝器的水温升高，相应的主机耗电会增加，这里显然存在一个优化控制的问题。
    图4-14    冷却塔多风机变频控制原理
    图4-15    冷却水温度变化与机组能耗关系示意图    图4-15是3516kW(1000Ton)离心主机在50%荷载时，某一湿球温度下的瞬间能耗比较图。由图中分析可知，对于冷却塔能耗线，随着冷却水温度的提高．冷却塔的能耗就相应减少；而对于主机能耗曲线，随着冷却水温度的提高，主机的能耗也相应增加。因此，单一设备的节能并不能说明该系统节能，综合能耗是主机能耗和冷却塔能耗的叠加，只有在图中找出综合能耗的最低点，才是最佳的系统节能。在图4-15中，该工况下，该冷却水优化温度为28℃。