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东力科创 CT110 变频器在中央空调节能改造上的应用
深圳市东力科创技术有限公司 技术服务部
 
一、引言
中央空调是现代大厦物业、宾馆、商场不可缺少的设施,它能带给人们四季如春,温馨舒适的每一天。 由于中央空调功率大,耗能大,加上设计上存在“大马拉小车”的现象,支付中央空调所用电费是用户一项巨大的开支。因为季节的变化、昼夜的变化、 宾馆酒楼客人入住率的变化、 娱乐场所开放时间的变化等等,从而导致中央空调系统对室内热源吸收量的变化。 再加之工艺设计上电机功率设计有相当的富裕量,因此,存在明显的节电空间。 将变频技术引入中央空调系统, 保持室内恒温, 对其进行的节能改造是降本增效的一条捷径。
 
二、 中央空调工作原理
     图 1 所示为一典型中央空调机组系统图,主要由冷冻水循环系统、冷却水循环系统及主机三部分组成:
Ø冷冻水循环系统
该部分由冷冻泵、室内风机及冷冻水管道等组成。从主机蒸发器流出的低温冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道(出水),进入室内进行热交换,带走房间内的热量,最后回到主机蒸发器(回水)。室内风机用于将空气吹过冷冻水管道,降低空气温度,加速室内热交换。
Ø冷却水循环部分
该部分由冷却泵、冷却水管道、冷却水塔及冷凝器等组成。冷冻水循环系统进行室内热交换的同时,必将带走室内大量的热能。该热能通过主机内的冷媒传递给冷却水,使冷却水温度升高。冷却泵将升温后的冷却水压入冷却水塔(出水),使之与大气进行热交换,降低温度后再送回主机冷凝器(回水)。
Ø主机
主机部分由压缩机、蒸发器、冷凝器及冷媒(制冷剂)等组成,其工作循环过程如下:
首先低压气态冷媒被压缩机加压进入冷凝器并逐渐冷凝成高压液体。在冷凝过程中冷媒会释放出大量热能,这部分热能被冷凝器中的冷却水吸收并送到室外的冷却塔上,最终释放到大气中去。随后冷凝器中的高压液态冷媒在流经蒸发器前的节流降压装置时,因为压力的突变而气化,形成气液混合物进入蒸发器。冷媒在蒸发器中不断气化,同时会吸收冷冻水中的热量使其达到较低温度。最后,蒸发器中气化后的冷媒又变成了低压气体,重新进入了压缩机,如此循环往复
 
三、 中央空调节能分析
Ø中央空调节能改造前的工况
在中央空调系统设计时,冷冻泵、冷却泵的电机容量是根据建筑物的最大设计热负荷选定的,都留有一定设计余量。由于四季气候及昼夜温差变化, 中央空调工作时的热负荷总是不断变化。下图 2 为一民用建筑物的平均热负荷情况:
如上图所示,该中央空调一年中负荷率在 50%以下的时间超过了全部运行时间的 50%。通常冷却水管路的设计温差为 5~6℃,而实际应用表明大部分时间里冷却水管路的温差仅为 2~4℃, 这说明制冷所需的冷冻水、冷却水流量通常都低于设计流量, 这样就形成了中央空调低温差、低负荷、大工作流量的工况。
 
在没有使用节能系统前, 工频供电下的水泵始终全速运行,管道中的供水流量只能通过阀门或回流方式调节,这必会产生大量的节流及回流损失,同时也增加了电机的负荷,白白消耗了许多电能。
中央空调水泵电机的耗电量约占中央空调系统总耗电量的 30-40%,故对其进行节能改造具有很明显的节能效果。
Ø节能理论根据
由流体力学理论可知, 离心式流体传输设备(如离心式水泵、风机等)的输出流量 Q 与其转速n 成正比;输出压力 P(扬程)与其转速 n 的平方成正比;输出功率 N 与其转速 n 的三次方成正比,用数学公式可表示为:
Q = K1 × n
P = K2 × n2
N = Q × P = K3 × n3 (K1、 K2 、 K3为比例常数)
由上述原理可知,降低水泵的转速,水泵的输出功率就可以下降更多。如将电机的供电频率由50Hz 降为 40Hz, 则理论上,低频 40Hz 与高频 50Hz 的输出功率之比为(40/50)3=0.512。
实践证明,在中央空调系统中接入变频节能系统,利用变频技术改变水泵转速来调节管道中的流量,以取代阀门调节及回流方式,能取得明显的节能效果,一般节电率都在 30%以上。同时变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对中央空调的平稳调节,并可延长机组及管组的使用寿命。
 
四、 东力科创变频改造节能方案分析
中央空调各循环水系统的回水与出水温度之差,反映了整个系统需要进行的热交换量。 因此,根据回水与出水的温度差来控制循环水的流量,从而控制热交换的速度,是首选的节能控制方法。
Ø冷冻水循环系统
冷冻水的出水温度是由主机的制冷效果决定的,通常比较稳定,因此冷冻回水温度可以准确的反映室内的热负荷情况。由此,对于冷冻水循环系统的节能改造,可以取回水温度作为控制目标,通过变频器对冷冻泵流量的自动调节来实现对室内温度的控制。
Ø冷却水循环系统
冷却水循环系统同时受室外环境温度及室内热负荷两方面影响,循环水管道单侧的水温不能准确反映该系统的热交换量,因此以出水与回水之间的温差作为控制室内温度的依据是合理的节能方式。在外界环境温度不变的情况下,温差大,说明室内热负荷较大,应提高冷却泵的转速,增大冷却水循环的速度; 相应的,温差小则减小冷却泵转速。
Ø方案结构示意图
根据上述分析,可得出整个节能工程结构示意图如图 3 所示:
由上图, 该节能方案的基本思路为:
分别在主机蒸发器回水处、冷凝器出水及回水处安装温度传感器, 实时检测管网的温度, 以模拟信号(0~10V 或者 4~20mA)反馈给变频器,通过变频器内置的 PID 运算输出相应的频率指令后自动调节水泵转速,从而调节各循环水的热交换速度,最终实现对室内恒温度的控制。 需要特别说明的是,变频器内部在设计上集成了温差反馈处理功能,系统无须另配专用控制模块。
Ø电路控制方案
某公司中央空调机组数据如下表:
三台水泵中,春秋季节只用一台,备用两台;夏季高峰时常用两台,一台备用。
要求: 变频器实时测量当前水压, 并自动判断需要投入多少台泵。
CT110 恒压供水原理图如下:
图4 CT110 变频器恒压供水示意图
Ø变频器参数设置表
ØCT110 供水逻辑说明
CT110 系列专用变频器内置供水专用逻辑, 优化的 PID 控制保证水压恒定。同时自动处理加泵减泵动作逻辑,并在加减泵动作阶段自动调频保证加减泵时水压依然稳定可控。供水逻辑说明如下:
1、 加泵逻辑: 当水压持续低于设定压力,变频器升速运行,当变频器升速至加泵频率点(F13.01),此时若水压仍低于(设定水压百分比) -(加泵压力容差百分比 F13.02),则认为当前水泵个数不够使用,需增加水泵运行,加泵延时时间到达后,辅助继电器动作,此时加泵运行。
2、 加泵辅助逻辑: 新加入的泵为工频泵,加泵过程中可能会导致水压快速升高,因此加泵的过程中变频泵会自动降频以避免加泵时水压过大,此时的变频器减速时间由 F08.01 决定。
3、 减泵逻辑: 当水压持续高于设定压力,变频器减运行,当变频器减速至减泵频率点(F13.04),此时若水压仍低于(设定水压百分比) +(减泵压力容差百分比 F13.05),则认为当前水泵个数太多,需减少水泵运行, 减泵延时时间到达后,辅助继电器动作,此时减泵运行。
4、 减泵辅助逻辑: 新减小的泵为工频泵, 减泵过程中可能会导致水压快速下降,因此减泵的过程中变频泵会自动升频以避免加泵时水压过低,此时的变频器加速时间由 F08.00 决定。
5、 休眠功能逻辑: 当辅助泵都已停止,水压依然偏高,则变频器降速运行,当变频器运行频率低于减泵频率点,变频器自动休眠,键盘显示“SLEEP”状态。
6、 休眠唤醒逻辑: 变频器休眠状态下, 当水压偏低时, PID 算得的设定频率高于唤醒频率设定,且当前压力低于(设定水压百分比) -(唤醒压力容差百分比 F13.02), 则认为需要变频泵运行,经唤醒延时,变频泵休眠唤醒。
7、水泵控制优先级: 水泵参与运行的优先级为:变频泵 > 辅助泵 1 > 辅助泵 2。即,当需要加泵时,先加变频泵,其次辅助泵 1,最后辅助泵 2;当需要减泵时,先减辅助泵 2,其次减辅助泵1,最后减变频器休眠待机。
Ø变频节能系统特点
1、变频器界面为 LED 显示,监控参数丰富;键盘布局简洁、操作方便;
2、 温度/温差传感器为数字双屏 LED 显示, 温度参数设定方便,易于监控;
3、变频器有过流、过载、 过压、过热等多种电子保护装置,并具有丰富的故障报警输出功能,可有效保护供水系统的正常运作;
4、 加装变频器后,电机具有软启动及无极调速功能,可使水泵和电机的机械磨损大为降低, 延长管组寿命;
5、 变频器内部装有大容量滤波电容,可有效提高用电设备的功率因数;
6、 该系统实现了对温度的 PID 闭环调节, 室内温度变化平稳, 人体感觉舒适。
 
五、 CT110 系列变频器技术说明
CT110 变频器以 DSP 控制系统为平台,采用国内技术领先的无 PG 矢量控制技术,并配合多种保护方式,可应用于异步电机,提供优异的驱动性能。产品在风道设计,硬件配置,软件功能方面都极大的提升了客户易用性及环境适应性。
技术特点:
◆供水专用逻辑: 基于现场工况的供水逻辑,恒压控制性能更稳定。
◆准确的电机参数自学习: 准确的旋转或静止的电机参数自学习,调试方便,操作简单,提供更高的控制精度和响应速度。
◆矢量化的 V/F 控制: 自动定子压降补偿, VF 控制也可保证优异的低频力矩特性。
       ◆软件限流限压功能: 良好的电压、电流控制,有效减少变频器的保护次数。
       ◆多种制动模式: 提供多种制动方式,可快速停车。
◆高可靠性设计: 较高的整机过温点和良好的防护等级,更适应供水行业的使用环境。
       ◆转速追踪再起动功能: 实现对旋转中的电机的无冲击平滑起动。
       ◆自动电压调整功能: 当电网电压变化时,能自动保持输出电压恒。
       ◆全面的故障保护: 过流、过压、欠压、过温、缺相、过载等保护功能。
 
六、 结束语
    将变频技术应用于中央空调系统,对提升中央空调自动化水平、降低能耗、 减少对电网的冲击、延长机械及管网的使用寿命, 都具有重要的意义。

 

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