森兰BT12S变频器在中央空调改造中的应用

    中央空调是楼宇里最大的耗电设备，每年的电费中空调耗电占60%左右，对其节能改造具有重要意义。由于设计时中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10%~20%设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化做出相应调节，存在很大的浪费。水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成的，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调末端达不到合理效果的情况。为了解决这些问题须使水泵随着负载的变化调节水流量并关闭旁通。

    一般水泵采用的是Y-△起动方式，电动机的起动电流均为其额定电流的3～4倍，一台110 kW的电动机其起动电流将达到600 A，在如此大的电流冲击下，接触器、电动机的使用寿命大大下降。同时，起动时的机械冲击和停泵时水锤现象，容易对机械零件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。

    对水泵系统进行变频调速改造，根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整电动机的转速，达到节能目的。

    一、中央空调系统的组成

    中央空调系统的组成框图如图11-10所示。

    现对中央空调系统组成说明如下：

   (1)冷冻主机

    冷冻主机也称为制冷装置，是中央空调的“制冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。

   (2)冷却水塔

    冷冻主机在制冷过程中，必然会释放热量，使机组发热。冷却水塔用于为冷冻主机提供“冷却水”。冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。

   (3)冷冻水循环系统

    由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机后又成为冷冻水，如此循环不已。这里，冷冻主机是冷冻水的“源”，从冷冻主机流出的水称为“出水”，经各楼层房间后流回冷冻主机的水称为“回水”。

   (4)冷却水循环系统

    由冷却泵、冷却水管道及冷却水塔组成。冷却水在吸收冷冻主机释放的热量后，必将使自身的温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却水塔，使之在冷却水塔中与大气进行热交换，然后再将降温了的冷却水，送回到冷冻机组。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。

    图11-10    中央空调系统的组成框图

    这里，冷冻主机是冷却水的冷却对象，是“负载”，故流进冷冻主机的冷却水称为“进水”；从冷冻主机流回冷却水塔的冷却水称为“回水”。回水的温度将高于进水的温度，形成温差。

   (5)冷却风机

    有两种不同用途的冷却风机：

   1)盘管风机。安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水盘管冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换。

   2)冷却水塔风机。用于降低冷却水塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。

    可以看出，中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转换过程。在这里，冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此，对冷冻水和冷却水循环系统的控制便是中央空调控制系统的重要组成部分。两个循环水系统的控制方法基本相同。

    二、水泵节能改造的方案

    由于中央空调系统通常分为冷冻水和冷却水两个系统，可分别对水泵系统采用变频器进行节能改造。

    1．冷冻水系统的闭环控制

   (1)制冷模式下冷冻水系统的闭环控制

    该方案在保证末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定。变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减，控制方式是：冷冻回水温度大于设定温度时频率无级上调。

   (2)制热模式下冷冻水系统的闭环控制

    该模式是在中央空调中热泵运行（即制热）时冷冻水泵系统的控制方案。同制冷模式控制方案一样，在保证末端设备冷冻水流量供给的情况下，确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率，将其设定为下限频率并锁定。变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减。不同的是：冷冻回水温度小于设定温度时频率无级上调，当温度传感器检测到的冷冻水回水温度越高，变频器的输出频率越低。

    空调变频器控制系统通过安装在冷冻水系统回水主管上的温度传感器来检测冷冻水的回水温度，并可直接通过设定变频器参数使系统温度调控在需要的范围内。

    另外，针对已往改造的方案中首次运行时温度交换不充分的缺陷，变频器控制系统可增加首次起动全速运行功能，通过设定变频器参数可使冷冻水系统充分交换一段时间，然后再根据冷冻回水温度对频率进行无级调速，并且变频器输出频率是通过检测回水温度信号及温度设定值经PID运算而得出的。

    2．冷却水系统的闭环控制

    目前，在冷却水系统进行改造的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案同样在保证冷却水塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量，当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而达到在保证中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。

    经多方实践应用与论证，现用于冷却水系统闭环控制的系列采用同制冷模式下冷冻水系统闭环控制一样的控制方式，即检测冷却水回水温度组成闭环系统进行调节。与采用冷却管进、出水温度差和出水温度信号来调节方式比较，这种控制方式的优点有：

   1)只需在中央空调冷却管出水端安装一个温度传感器，简单可靠。

   2)当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限频率。

   3)当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限频率。而采用冷却管进、出水温度差来调节很难达到这点。

   4)当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值时，通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行PID计算，从而达到对频率进行无级调速，闭环控制迅速准确。

   5)节能效果更为明显。当冷却水出水温度低于温度上限设定值时，采用冷却管进、出水温度差来调节的方式没有将出水温度低这一因素加入节能考虑范围，而仅仅由温度差来对频率进行无级调速，而采用上、下限温度来调节的方式充分考虑这一因素，因而节能效果更为明显，通过对多家用户市场调查，平均节电率要提高5%以上，节电率达到20%～40%。

   6)具有首次起动全速运行功能。通过设定变频器参数中的数值可使水系统充分交换一段时间，避免由于刚起动运行时热交换不充分而引起的系统水流量过小。

    采用变频器为森兰BT12S系列控制框图如图11-11所示。

    图11-11    采用变频器为森兰BT12S系列控制框图

   (1)主电路

    3台冷却泵都具有和工频电源进行切换的功能：

    1号机由KM2和KM3切换；

    2号机由KM4和KM5切换；

    3号机由KM6和KM7切换。

   KM1用于接通变频器的电源。

    3台冷却泵的工作方式如下：

   1)每次运行，最多只需两台泵，另一台为备用。

    2)任一台泵都可以选定为主控泵。运行时，首先由1号泵作为主控泵，进行变频运行，如频率已经升高到上限值，而温差仍偏大时，则将1号泵切换为工频运行，变频器将与2号泵相接，使2号泵处于变频运行状态。当变频器的工作频率已经下降到下限值，而温差仍偏小时，令1号泵停机，2号泵仍处于变频运行的状态。

   (2)控制电路

    控制电路采用PLC进行控制。要点如下：

    每台泵都可以选择“工频运行”方式和“变频运行”方式。当切换开关切换为“变频”位时，该泵将作为主泵，实现上述控制；而当切换开关切换为“工频”位时，该泵可通过起动和停止按钮进行手动控制，使电动机在工频下运行。

   (3) PID调节

   1)反馈信号。在回水管道处分别安装两个热电阻Rt，以检测回水温度，由温度传感器转换成与温度大小成正比的电流信号，作为变频器的反馈信号，接至反馈信号输入端IPF。

   2)目标信号。目标信号是根据实际测试而确定的一个温度设定值，可通过操作面板设置。

   3)目标信号和反馈信号进行比较后，送入变频器内的PID调节变频器输出的频率。当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限频率。当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限频率。

    三、节能分析

    经变频调速后，水泵电动机转速下降，电动机从电网吸收的电能就会大大减少。其减少的功耗为

    △P=P0[1-(n1/n0)3]    (11-11)

减少的流量为

    △Q=Q0[1-(n1/n0)]    (11-12)

式中，n1为改变后的转速；

   n0为电动机原来的转速；

   P0为原电动机转速下的电动机消耗功率；

    Q0为原电动机转速下所产生的水泵流量。

    由式(11-11)和(11-12)可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比，但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。如：假设原流量为100个单位，耗能也为100个单位，如果转速降低10个单位，由式(11-12)，△Q =Q0[1-(n1/n0)] =100×[1- (90/100)] =10，可得出流量改变了10个单位。但功耗由式(11-11)，△P=P0[1- (n1/n0)3] =100×[1- (90/100)3]=27.1，可以得出，功率将减少27.1个单位，即比原来减少27. 1%。

    由于变频器是软起动方式，采用变频器控制电动机后，电动机在起动时及运转过程中均无冲击电流，而冲击电流是影响接触器、电动机使用寿命最主要、最直接的因素，同时采用变频器控制电动机后还可避免水锤现象，因此可大大延长电动机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。