在现代大中型建筑物中中央空调已经是不可缺少的配套设施之一, 但中央空调的用电量非常大, 约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计, 而实际上在一年中, 满负载的情况并不多, 甚至只有十多天, 绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载, 而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载, 长期在满负荷下运行, 造成了能量的极大浪费, 也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的30%, 并且在冷冻主机低负荷运行中, 其耗电更为明显。因此对冷冻水、冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调节能改造的重要组成部分。本文着重介绍PLC、变频器在冷却水泵节能循环方面的应用。中央空调采用变频调速技术, 使电机在很宽范围内平滑调速, 可将所有节流阀去掉, 使管道畅通, 可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速, 从而改变水的流量, 达到制冷机的正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求, 从而达到节能的目的。电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制的。
广东省高级技工学校制冷实验室装有一台小型中央空调。中央空调系统如下图所示:
系统中冷却水循环配有两台冷却水泵, 型号为:FHL HL50-18扬程为18M, 流量为42L/min, 功率为2.6KW。使用时一台冷却水泵工作, 另一台备用。冷却水泵设计时是按最不利工况设计的并留有10%的设计余量。而实际使用时, 因为冷却水泵不能根据负荷变化而进行调整, 所以冷却水系统几乎常期在大流量、小温差的状态下运行, 流量都是在满负荷下的标准流量, 而温差几乎都只有2-3℃。造成能量的极大浪费。
为解决以上问题, 我们利用PLC、变频器、温度传感器、温度变送器等构成自动调速系统。对冷却水泵进行改造, 以节约电能。
变频器是输出频率可调的交流电力拖动设备。变频器调速的主要工作原理是将供给电机的三相交流工频交流电经整流元件整流, 变成直流电, 再将直流电通过逆变元件逆变为频率电压连续可调的交流电, 给电机供电。由水泵的工作原理可知:流量Q与转速n成正比, 扬程H与转速n的平方成正比, 功率P与转速n的立方成正比。又根据异步电动机原理得到转速公式:
式中:n:转速f:频率p:电机磁极对数s:转差率
由上式可见, 调节转速有3种方法, 改变频率、改变电机磁极对数、改变转差率。在以上调速方法中, 变频调速性能最好, 调速范围大, 静态稳定性好, 运行效率高。因此改变频率而改变转速的方法最方便有效。那么根据水泵特性可知, 调节水泵的转速可以达到调节流量的目的, 同时, 显著调节功率。采用变频器控制水泵运行, 则可实现自动调节, 并使系统运行平缓稳定。并通过变频节能。
首先确定冷却水泵变频器的最小工作频率, 确定方法是先手动调节降低变频器的频率, 调节到冷却水最少能满足到达冷却塔时的频率, 确定为最小工作频率。一般情况下为 (28Hz) , 变频器参数设置时设为下限频率。再确定最大工作频率, 为了方便进行工频变频的切换可将最大工作频率设为比工频略低 (48Hz) , 变频器参数设置时设为上限频率并锁定;变频冷却水泵的频率是取冷凝器的出水温度信号进行调节, 按温度变化来调节频率, 出水温度越高, 变频器的输出频率越高, 出水温度越低, 变频器的输出频率越低。由型号为XP TP V010 D的温度变送器采集冷凝器出水温度, 将温度变化转变为电压变化送到变频器的输入2、5脚, 达到实现温度控制的目的。
温度变送器XP TP V010 D温度测量范围是0-100℃, 对应的电压变化为0-10V。但对于中央空调的冷却水来说, 温度变化范围没有那么大。一般在25-50℃之间, 使用时可以调节温度变送器的零点和量程, 把总的量程变为原来的二分之一即0-50℃。这时可以得到温度和频=率之间的对应关系如下图:
冷凝器出水温度一般在35-40℃, 可以使水泵转速比原来降低20-30%。由于水泵的功率与转速的立方成正比, 所以用电量比原来要减少50%左右。节能效果明显。
具体控制方案:
(1) 先合KM1起动1号泵, 单台变频运行; (2) 当l号泵的工作频率上升到48Hz上限切换频率时, 1号泵将切换到KM2工频运行, 然后再合KM3将变频器与2号泵相接, 并进行软启动, 此时1号泵工频运行, 2号泵变频运行; (3) 当2号泵的工作平频率下降到设定的下限切换频率28Hz时, 则将KM2断开, 1号泵停机, 此时由2号泵单台变频运行; (4) 当2号泵的工作频率上升到48Hz上限切换频率时, 2号泵将切换到KM4工频运行, 然后再合KM1将变频器与1号泵相接, 并进行软启动, 此时2号泵工频运行, 1号泵变频运行;如此交替循环控制; (5) 水泵投入工频运行时, 电动机的过载由热继电器保护, 并有报警信号指示; (6) 每台泵的变频接触器和工频接触器外部电气互锁及机械联锁; (7) 变频与工频切换的过程:首先MRS接通 (变频器输出停止) 后延时0.2秒后断开变频接触器再延时0.5秒后合工频接触器, 再延时0.5秒合下一台变频接触器之后断开MRS触点, 实现从变频到工频的切换; (8) 变频与工频切换的条件:由变频器的上限切换频率 (FU) 和下限切换频率 (SU) 控制。
根据控制要求, 给出以下参考程序顺控图
在基本相同的工况下改造后比改造前用电量有了明显的降低。节电率达45%。试验证明采用变频改造后能起到明显的节能效果。
采用变频器控制冷却水泵使冷却水泵能随空调负荷的变化而自动变速运行, 从而达到节能的目的, 其节电效率可达40%左右。并且对冷却水泵实现在软启动、软制动, 大大降低了启动电流、避免了启动电流对电网的冲击。冷却水泵运行噪音减小、温升降低、震动减少、负荷运行顺滑平衡。采用PLC实现各种逻辑控制、变频器启动控制及工频/变频转换和故障报警等功能使操作控制更加简便。在科技日新月异的今天, 积极推广高新技术的应用, 使其转化为生产力, 是我们工程技术人员应尽的社会责任。对落后的设备生产工艺进行技术革新, 不仅可以提高生产质量、生产效率, 创造可观的经济效益。对节能、环保等社会效益同样有着重要的意义。
摘要：在现代大中型建筑物中中央空调已经是不可缺少的配套设施之一, 但中央空调的用电量非常大。采用PLC、变频器构成的控制系统应用在中央空调的冷却水泵的节能改造中, 使冷却水泵能随空调负荷的变化而自动变速运行, 达到显著节能效果。
关键词：中央空调,节能,冷却水泵,PLC,变频器
[1] 王国海.《可编程序控控制器及其应用》第二版, 2007.4;
[2] 宋峰青.《变频技术》, 2004.1
[3] 梁光武.PLC和变频器在中央空调教学系统中的应用[J].广东技工教育研究, 2009, (2) :27-34.
