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 EV100變頻器用于中央空調(diào)節(jié)能改造

█ 前言

中央空調(diào)是現(xiàn)代大廈物業(yè)、賓館、商場(chǎng)不可缺少的設(shè)施，它能帶給人們四季如春，溫馨舒適的每一天，由于中央空調(diào)功率大，耗能大，加上設(shè)計(jì)上存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，支付中央空調(diào)所用電費(fèi)是用戶一項(xiàng)巨大的開支。因?yàn)榧竟?jié)的變化、晝夜的變化、賓館酒樓客人入住率的變化、娛樂(lè)場(chǎng)所開放時(shí)間的變化等等，從而導(dǎo)致中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)熱源吸收量的變化，再加之工藝設(shè)計(jì)上電機(jī)功率設(shè)計(jì)有相當(dāng)?shù)母辉Ａ?，因此，存在明顯的節(jié)電空間。將變頻技術(shù)引入中央空調(diào)系統(tǒng)，保持室內(nèi)恒溫，對(duì)其進(jìn)行的節(jié)能改造是降本增效的一條捷徑。

█ 中央空調(diào)系統(tǒng)

圖1所示為一典型中央空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)圖，主要由冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)及主機(jī)三部分組成：

圖1  中央空調(diào)系統(tǒng)原理圖

● 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

該部分由冷凍泵、室內(nèi)風(fēng)機(jī)及冷凍水管道等組成。從主機(jī)蒸發(fā)器流出的低溫冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道（出水），進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行熱交換，帶走房間內(nèi)的熱量，最后回到主機(jī)蒸發(fā)器（回水）。室內(nèi)風(fēng)機(jī)用于將空氣吹過(guò)冷凍水管道，降低空氣溫度，加速室內(nèi)熱交換。

● 冷卻水循環(huán)部分

該部分由冷卻泵、冷卻水管道、冷卻水塔及冷凝器等組成。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)熱交換的同時(shí)，必將帶走室內(nèi)大量的熱能。該熱能通過(guò)主機(jī)內(nèi)的冷媒傳遞給冷卻水，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升溫后的冷卻水壓入冷卻水塔（出水），使之與大氣進(jìn)行熱交換，降低溫度后再送回主機(jī)冷凝器（回水）。

● 主機(jī)

主機(jī)部分由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器及冷媒（制冷劑）等組成，其工作循環(huán)過(guò)程如下：

首先低壓氣態(tài)冷媒被壓縮機(jī)加壓進(jìn)入冷凝器并逐漸冷凝成高壓液體。在冷凝過(guò)程中冷媒會(huì)釋放出大量熱能，這部分熱能被冷凝器中的冷卻水吸收并送到室外的冷卻塔上，最終釋放到大氣中去。隨后冷凝器中的高壓液態(tài)冷媒在流經(jīng)蒸發(fā)器前的節(jié)流降壓裝置時(shí)，因?yàn)閴毫Φ耐蛔兌鴼饣?，形成氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器。冷媒在蒸發(fā)器中不斷氣化，同時(shí)會(huì)吸收冷凍水中的熱量使其達(dá)到較低溫度。最后，蒸發(fā)器中氣化后的冷媒又變成了低壓氣體，重新進(jìn)入了壓縮機(jī)，如此循環(huán)往復(fù)。

█節(jié)能理論

● 中央空調(diào)節(jié)能改造前的工況

在中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，冷凍泵、冷卻泵的電機(jī)容量是根據(jù)建筑物的最大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷選定的，都留有一定設(shè)計(jì)余量。由于四季氣候及晝夜溫差變化，中央空調(diào)工作時(shí)的熱負(fù)荷總是不斷變化。下圖2為一民用建筑物的平均熱負(fù)荷情況：

如上圖所示，該中央空調(diào)一年中負(fù)荷率在50%以下的時(shí)間超過(guò)了全部運(yùn)行時(shí)間的50%。通常冷卻水管路的設(shè)計(jì)溫差為5～6℃，而實(shí)際應(yīng)用表明大部分時(shí)間里冷卻水管路的溫差僅為2～4℃，這說(shuō)明制冷所需的冷凍水、冷卻水流量通常都低于設(shè)計(jì)流量，這樣就形成了中央空調(diào)低溫差、低負(fù)荷、大工作流量的工況。

在沒(méi)有使用節(jié)能系統(tǒng)前，工頻供電下的水泵始終全速運(yùn)行，管道中的供水流量只能通過(guò)閥門或回流方式調(diào)節(jié)，這必會(huì)產(chǎn)生大量的節(jié)流及回流損失，同時(shí)也增加了電機(jī)的負(fù)荷，白白消耗了許多電能。

中央空調(diào)水泵電機(jī)的耗電量約占中央空調(diào)系統(tǒng)總耗電量的30-40%，故對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造具有很明顯的節(jié)能效果。

● 節(jié)能理論根據(jù)

由流體力學(xué)理論可知，離心式流體傳輸設(shè)備（如離心式水泵、風(fēng)機(jī)等）的輸出流量Q與其轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力P（揚(yáng)程）與其轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出功率N與其轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，用數(shù)學(xué)公式可表示為：

Q ＝ K₁ × n

P ＝ K₂ × n²

N ＝ Q × P ＝ K₃ × n³    (K₁、 K₂ 、K₃為比例常數(shù))

由上述原理可知，降低水泵的轉(zhuǎn)速，水泵的輸出功率就可以下降更多。如將電機(jī)的供電頻率由50Hz降為40Hz，則理論上，低頻40Hz與高頻50Hz的輸出功率之比為(40/50)³=0.512。

實(shí)踐證明，在中央空調(diào)系統(tǒng)中接入變頻節(jié)能系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)管道中的流量，以取代閥門調(diào)節(jié)及回流方式，能取得明顯的節(jié)能效果，一般節(jié)電率都在30％以上。同時(shí)變頻器的軟啟動(dòng)功能及平滑調(diào)速的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)中央空調(diào)的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并可延長(zhǎng)機(jī)組及管組的使用壽命。

█ 節(jié)能方案分析

中央空調(diào)各循環(huán)水系統(tǒng)的回水與出水溫度之差，反映了整個(gè)系統(tǒng)需要進(jìn)行的熱交換量。因此，根據(jù)回水與出水的溫度差來(lái)控制循環(huán)水的流量，從而控制熱交換的速度，是首選的節(jié)能控制方法。

● 冷凍水循環(huán)系統(tǒng)

冷凍水的出水溫度是由主機(jī)的制冷效果決定的，通常比較穩(wěn)定，因此冷凍回水溫度可以準(zhǔn)確的反映室內(nèi)的熱負(fù)荷情況。由此，對(duì)于冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造，可以取回水溫度作為控制目標(biāo)，通過(guò)變頻器對(duì)冷凍泵流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制。

● 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)同時(shí)受室外環(huán)境溫度及室內(nèi)熱負(fù)荷兩方面影響，循環(huán)水管道單側(cè)的水溫不能準(zhǔn)確反映該系統(tǒng)的熱交換量，因此以出水與回水之間的溫差作為控制室內(nèi)溫度的依據(jù)是合理的節(jié)能方式。在外界環(huán)境溫度不變的情況下，溫差大，說(shuō)明室內(nèi)熱負(fù)荷較大，應(yīng)提高冷卻泵的轉(zhuǎn)速，增大冷卻水循環(huán)的速度；相應(yīng)的，溫差小則減小冷卻泵轉(zhuǎn)速。

● 方案結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述分析，可得出整個(gè)節(jié)能工程結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

圖3  中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造結(jié)構(gòu)示意圖

由上圖，該節(jié)能方案的基本思路為：

分別在主機(jī)蒸發(fā)器回水處、冷凝器出水及回水處安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)管網(wǎng)的溫度，以模擬信號(hào)（0~10V或者4~20mA）反饋給變頻器，通過(guò)變頻器內(nèi)置的PID運(yùn)算輸出相應(yīng)的頻率指令后自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)各循環(huán)水的熱交換速度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)恒溫度的控制。需要特別說(shuō)明的是，變頻器內(nèi)部在設(shè)計(jì)上集成了溫差反饋處理功能，系統(tǒng)無(wú)須另配專用控制模塊。

● 電路控制方案

某公司中央空調(diào)機(jī)組數(shù)據(jù)如下表：

三臺(tái)水泵中，春秋季節(jié)只用一臺(tái)，備用兩臺(tái)；夏季高峰時(shí)常用兩臺(tái)，一臺(tái)備用。

要求：一臺(tái)變頻運(yùn)行，且可以通過(guò)人工方式進(jìn)行切換，其他可通過(guò)人工方式直接啟動(dòng)到工頻運(yùn)行。

設(shè)計(jì)：3臺(tái)水泵電機(jī)選配1臺(tái)變頻器。工作時(shí)可選擇任意一臺(tái)水泵做主泵、由變頻器直接拖動(dòng)并且變頻運(yùn)行（由內(nèi)置PID進(jìn)行閉環(huán)控制）；其余兩臺(tái)水泵做輔泵、由人工依據(jù)制冷特點(diǎn)相應(yīng)進(jìn)行啟停控制，使電機(jī)工頻運(yùn)行。如下圖所示：

該方案使用EV100系列通用變頻器，“市電”“節(jié)電”旁路需要另配電控柜及電氣配件。

● 變頻節(jié)能系統(tǒng)特點(diǎn)

1、變頻器界面為LED顯示，監(jiān)控參數(shù)豐富；鍵盤布局簡(jiǎn)潔、操作方便；

2、變頻器有過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)熱等多種電子保護(hù)裝置，并具有豐富的故障報(bào)警輸出功能，可有效保護(hù)供水系統(tǒng)的正常運(yùn)作；

3、加裝變頻器后，電機(jī)具有軟啟動(dòng)及無(wú)極調(diào)速功能，可使水泵和電機(jī)的機(jī)械磨損大為降低，延長(zhǎng)管組壽命；

4、 變頻器內(nèi)部裝有大容量濾波電容，可有效提高用電設(shè)備的功率因數(shù)；

5、 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，室內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，人體感覺(jué)舒適。

█ 總結(jié)

將變頻技術(shù)應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)提升中央空調(diào)自動(dòng)化水平、降低能耗、減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊、延長(zhǎng)機(jī)械及管網(wǎng)的使用壽命，都具有重要的意義。

EV500在恒壓供水中的接線和參數(shù)應(yīng)用

注意事項(xiàng)：

EV500系列變頻在恒壓供水中應(yīng)用比較廣泛，主要注意壓力表反饋線的接法，可以關(guān)閉出水的總閥門，看d-09參數(shù)的反饋值是否和設(shè)定值差不多，當(dāng)反饋和設(shè)定差不多的時(shí)候，變頻才會(huì)達(dá)到恒壓的效果。壓力值和蘇醒壓力的設(shè)定是根據(jù)壓力表的百分比算的。

 風(fēng)機(jī)節(jié)能改造方案

█ 風(fēng)機(jī)的用電現(xiàn)狀

能源是國(guó)家重要的物質(zhì)，能源的供需矛盾已成為制約我國(guó)社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主要因素之一。在能源問(wèn)題上國(guó)務(wù)院提出“節(jié)約與開發(fā)并重”的方針，就是依靠技術(shù)進(jìn)步，把節(jié)約能源以解決能源問(wèn)題作為我國(guó)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)就有1500萬(wàn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)，用電量占全國(guó)總發(fā)電量的40～50%，這些電動(dòng)機(jī)大多在低的電能利用率下運(yùn)行，只要將這些電動(dòng)機(jī)電能利用率提高10～15%，全年可節(jié)電300億KW以上。

根據(jù)火電設(shè)計(jì)規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的送、引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度分別為5%和5%～10%，風(fēng)壓裕度分別為10%和10%～15%。設(shè)計(jì)過(guò)程中很難計(jì)算管網(wǎng)的阻力、并考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的各種問(wèn)題，通常總是把系統(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓裕度作為選型的依據(jù)，但風(fēng)機(jī)的型號(hào)和系列是有限的，往往選取不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)時(shí)就往上靠，裕度大于20～30%比較常見(jiàn)。因此這些風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，只有靠調(diào)節(jié)風(fēng)門或風(fēng)道擋板的開度來(lái)滿足生產(chǎn)工藝對(duì)風(fēng)量的要求。風(fēng)機(jī)機(jī)械特性為平方轉(zhuǎn)矩特性，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，靠調(diào)節(jié)風(fēng)門或者風(fēng)道檔板的開度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)。在節(jié)流調(diào)節(jié)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)固有特性不變，僅僅靠關(guān)小風(fēng)門或擋板的開度，人為地增加管路的阻力，由此增大管路系統(tǒng)的損失，不利于風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行。

采用調(diào)速控制裝置，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量以適應(yīng)生產(chǎn)工藝的需要，這種調(diào)節(jié)方式稱為風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制。風(fēng)機(jī)以調(diào)速控制方式運(yùn)行能耗最省，綜合效益最高。交流電機(jī)的調(diào)速方式有多種、變頻調(diào)速是高效的最佳調(diào)速方案，它可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，并可方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流量的控制。

█風(fēng)機(jī)節(jié)電原理

如圖示為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓H-風(fēng)量Q曲線特性圖:

n1-代表風(fēng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的特性；

n2-代表風(fēng)機(jī)降速運(yùn)行在n2轉(zhuǎn)速時(shí)的特性；

R1-代表風(fēng)機(jī)管路阻力最小時(shí)的阻力特性；

R2-代表風(fēng)機(jī)管路阻力增大到某一數(shù)組時(shí)的阻力特性。

風(fēng)機(jī)在管路特性曲線R1工作時(shí)，工況點(diǎn)為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時(shí)風(fēng)機(jī)所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小風(fēng)量到Q2，實(shí)際上通過(guò)增加管網(wǎng)管阻，使風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)移到R2上的B點(diǎn)，風(fēng)壓增大到H2，這時(shí)風(fēng)機(jī)所需的功率正比H2Q2的面積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風(fēng)機(jī)所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡(jiǎn)單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運(yùn)行成本換取簡(jiǎn)單控制方式。

若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時(shí)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時(shí)變頻調(diào)速后風(fēng)機(jī)所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見(jiàn)功率的減少是明顯的。

█ 變頻改造方案

根據(jù)風(fēng)機(jī)配置特作如下變頻改造方案：

1）風(fēng)機(jī)上裝設(shè)變頻系統(tǒng)：如圖；

2）設(shè)置遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種方式；

3）保留原工頻系統(tǒng)及其聯(lián)動(dòng)方式，且和變頻器系統(tǒng)互為備用。

變頻節(jié)能系統(tǒng)特點(diǎn)

1、采用EV100變頻器，調(diào)速范圍寬，變頻器調(diào)速范圍能適應(yīng)各種調(diào)速設(shè)備的要求，頻率范圍0.00-500.00Hz可調(diào)；

2、控制精度高，變頻器的數(shù)字設(shè)定分辨率為±0.01%,模擬設(shè)定分辨率為±0.1%；

3、動(dòng)態(tài)特性好，變頻器采用自關(guān)斷器件IGBT速度快，且采用SPWM控制模式，負(fù)載電壓和頻率受控變頻器的CPU，故調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好；

4、控制功能強(qiáng)，能滿足各種不同的控制系統(tǒng)，通過(guò)端子可與各種頻率設(shè)定信號(hào)連接，如：0~10V，4~20mA?？赏ㄟ^(guò)端子控制正反轉(zhuǎn)等多種操作；

5、通過(guò)合理調(diào)整轉(zhuǎn)矩提升，轉(zhuǎn)矩限定功能，電流限幅功能參數(shù)，可滿足大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行中負(fù)載突化也不會(huì)引起跳閘等事故；

6、EV100變頻器可與上位計(jì)算機(jī)或者可編程控制器（PLC）通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定或修改變頻器參數(shù)，監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)等信息，從而組成工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中控制；

7、保護(hù)功能齊全，變頻器有22種保護(hù)功能，對(duì)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)熱均能通過(guò)計(jì)算機(jī)高速計(jì)算并給予保護(hù)，且能對(duì)發(fā)生故障的原因給予紀(jì)錄；

8、變頻器內(nèi)部有電機(jī)防噪裝置，在線調(diào)節(jié)載波頻率，實(shí)時(shí)改變電機(jī)的運(yùn)行噪聲。

█ 總結(jié)

   在風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域，引入變頻調(diào)速控制技術(shù)，能達(dá)到很好的節(jié)能效果，同時(shí)，也降低了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了設(shè)備的功率因數(shù)，延長(zhǎng)了機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命，提升了系統(tǒng)的可靠性，另外，因?yàn)樽冾l器強(qiáng)大的保護(hù)功能，對(duì)設(shè)備起到了很好的保護(hù)作用，有效降低了設(shè)備的維護(hù)成本。近幾年，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷推廣與應(yīng)用，從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，得到了良好經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與社會(huì)效應(yīng)，并且，也得到用戶的廣泛認(rèn)同。

變頻器恒壓供水原理以及接線圖

   1.全自動(dòng)變頻調(diào)速供水設(shè)備是應(yīng)用先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論，結(jié)合可編程控制技術(shù)、變頻控制技術(shù).電機(jī)泵組控制技術(shù)的新型機(jī)電一體化供水裝置。該設(shè)備通過(guò)安裝在水泵出水總管上的遠(yuǎn)傳壓力表（內(nèi)為一滑動(dòng)電阻），將出口壓力轉(zhuǎn)換成0-10V電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并送入可編程序控制器，經(jīng)可編程內(nèi)部PID運(yùn)算，得出一調(diào)節(jié)參量并將該參量送入D/A轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)數(shù)摸轉(zhuǎn)換后將得出模擬量傳送變頻器，進(jìn)而控制其輸出頻率的變化，使水量恒定在設(shè)定壓力值。

接線圖如下：

 參數(shù)好調(diào)節(jié);

注意事項(xiàng)：

EV100系列變頻在恒壓供水中應(yīng)用比較廣泛，主要注意壓力表反饋線的接法，可以關(guān)閉出水的總閥門，看P7.06參數(shù)的反饋值是否和設(shè)定值差不多，當(dāng)反饋和設(shè)定差不多的時(shí)候，變頻才會(huì)達(dá)到恒壓的效果。壓力值和蘇醒壓力的設(shè)定是根據(jù)壓力表的百分比算的。