中央空调系统毕业设计

'黄石理工学院毕业论文目录摘要：2引言3第一章中央空调系统的组成及其原理4第二章PLC、变频器的工作原理及工作特性62.1PLC的工作原理及其特性62.2变频器的工作原理及其特性7第三章PLC变频器的节能原理93.1PLC控制下水泵93.2变频节能功能103.3变频PLC控制原理123.4供水系统变频节能改造13第四章中央空调冷却水泵工作特性和节能144.1冷却水泵的特性144.2冷却水泵的节能控制14第五章节能原理及方案185.1节能理论185.2节能理论根据185.3节能方案分析195.3.1冷冻水循环系统195.3.2冷却水循环系统195.4电路控制方案205.5节能预估2125 黄石理工学院毕业论文摘要：中央空调系统是大型建筑物不可缺少的配套设施之一，其电能的消耗非常大。由变频器、PLC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；冷却水泵；变频器,PLC；节能ABSTRACT:Thecentralairconditioningsystemisalargebuilding，oneoftheindispensablefacilities，itspowerconsumptionisveryheavy．Bythefrequencyconverter，PLCcontrolsystemcomposedofthecentralair-conditioningcoolingwaterpumpenergy—saving，allowingthecoolingwaterpumpcancopewithchangesinair-conditioningloadoftheautomatictrans。missionoperation，toachievesignificantenergysavings．Keywords：centralairconditioning；coolingwaterpump；converter；PLC；energy—saving25 黄石理工学院毕业论文引言在传统的中央空调系统中，冷冻水、冷却水循环用电约占系统用电的12％14％，并且在冷冻主机低负荷运行中，其耗电更为明显，冷冻水、冷却水循环用电约达30％40％。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。25 黄石理工学院毕业论文第一章中央空调系统的组成及其原理 中央空调系统是由一系列驱动流体流动的运动设备(如水泵、风机及压缩机)、各种型式的热交换器(如风机盘管、蒸发器、冷凝器及中间热交换器等)及连接各种装置的管道(如风管、水管及冷媒管)和阀件所组成。系统一般可分下列五个循环 ：　　（1）室内空气循环；（2）冷水循环；（3）冷媒循环；（4）冷却水循环；（5）室外空气循环。　　总体说来，构成中央空调系统的设备和机械主要是热交换器和流体机械两种。　　热交换器是作为高、低温两种工作流体能量交换的设备。当任何一组热交换器效果不好时，会增加系统耗电率(kW/RT)，不是系统耗电量增加，就是冷冻能力下降。　　流体机械则是推动工作流体循环的动力装置，其耗电量W=QHh/η。耗电量的多少决定于运转时数h，输送的工作流体流量Q，工作流体循环所需要的扬程H以及效率η，减少其中任何一项，都可达到节能的目的。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：1.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。2.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）。3、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。25 黄石理工学院毕业论文图1中央空调系统原理25 黄石理工学院毕业论文第二章PLC、变频器的工作原理及工作特性2.1PLC的工作原理及其特性1.可编程控制器工作原理开机内部处理通讯服务输入刷新程序执行输出刷新图2可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。2.PLC编程25 黄石理工学院毕业论文开始系统初始化触屏通信模拟量处理PD处理主控程序开始图3PLC从软件配置上有系统程序和用户程序，系统程序装配在CPU模块上随硬件的产品而来，用户程序是由程序员编好程序后输入到可编程序控制器的存储模块，且程序是采用块式结构形式，共有5种形式：组织块(0B)、程序块(PB)、功能块(FB)、数据块(DB)、顺序块(SB)。因此，在PLC软件中使各种功能的程序模块通过主程序有机的结合起来，就可以实现PLC对控制对象的远程控制。而本程序主要解决现场各泵的启停程序、切换程序、模拟量的处理和与触摸屏通信数据的处理功能等。因此可以将程序分为四个部分：初始化、模拟量处理程序、主控程序、触屏通信程序。软件流程如图4所示。当主控程序运行时，检测到温差超过触屏设定值之后，程序自动跳入到中断处理子程序，及时调整变频器输出频率，从而提高或降低水泵的转速，使得中央空调的温度固定在一定的范围内，保持人体舒适感。此外水泵的运行状态及互锁关系，在程序的编制过程中要优先考虑，避免烧坏变频器，另一方面在和触屏通信时，要设定好RS-485端口的属性值和波特率，还要确保程序的地址值和触屏按钮的地址一一对应，否则通过触屏按钮就不能控制系统的运行3.可编程控制器的技术性能指标1）.输入/输出点数2）.存储容量3）.扫描速度4）.指令系统5）.可扩展性6）.通信功能25 黄石理工学院毕业论文2.2变频器的工作原理及其特性2.2.1、基本概念（1）VVVF改变电压、改变频率（VariableVoltageandVariableFrequency）的缩写。（2）CVCF恒电压、恒频率（ConstantVoltageandConstantFrequency）的缩写。　　各国使用的交流供电电源，无论是用于家庭还是用于工厂，其电压和频率均200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz（50Hz）。通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。　　变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。2.2.2变频器的工作原理我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n＝60f(1－s)/p(1)式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。1.变频器控制方式低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。2.1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。3.电压空间矢量（SVPWM）控制方式25 黄石理工学院毕业论文它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。4.矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。25 黄石理工学院毕业论文第三章PLC变频器的节能原理3.1PLC控制下水泵1.工作原理中央空调系统是一个非常复杂的控制系统,风机、压缩机、冷冻机组和冷却塔风机均可采用变频调速来控制,由于篇幅有限,仅介绍冷却泵的变频调速控制,该系统主要由变频器、PLC控制器、水泵、数量调节器、主接触等组成自动闭环控制系统。系统工作于工频和变频两种状态下的主回路。以进水和回水间的温差作为控制依据,实现进和回水间的恒温差控制,温差大,说明冷冻机组产生的热量大,应提高冷却泵的转速,增大冷却水的循环速度;温差小,说明冷冻机组产生的热量小,可以降低冷却泵的转速,减缓冷却水的循环速度,以节约能量。系统开始工作时,首先将数显调节器根据所需室温设置好上、下限温度X2、X1,将其与PLC控制相连。按下启动按钮,系统开始启动,若室温还达不到上限温度X2,则PLC发出指令把1号泵切换到工频状态,使1号泵工作于工频状态下稳定运行;接着使2号泵软启动并工作在变频状态下。若室温达到下限温度X1、则PLC发出指令把KM2断开,1号泵停止工作。若室温达到上限温度X2、则PLC发出指令把2号泵切换到工频状态,1号泵变频工作,如此周而复始的循环,维持室内的恒温环境。如果要使系统停止工作,则按一下停止键,启动停止程序,其过程为控制工频状态的继电器首先断开,然后按拟好的下降曲线控制变频器运行,频率逐渐下降直至零(此时电机停止工作),实现真正意义上的软停止。主程序见图125 黄石理工学院毕业论文图4主程序图2.PLC控制器和变频器的选用本系统选择内置PID软件模块的变频器(对于无内置PID软件模块的变频器,则需要另外安装PID调节器)。变频器通过采集来自反馈端VPF/1PF的温度测量值,与给定作比较,送入PID模块(PID调节器)运算后,自动改变U,V,W端子的输出频率,调整转速,达到自动恒温运行状态。本系统选用的PLC控制器为AB公司可编程控制器(PLC),它具有16个输入点和16个输出点。3.2变频节能功能冷冻泵电机容量是按照天气最热即热交换量最大时设计的,由于季节和昼夜温差的变化,环境气候的差异,以及人员的流动,实际上,很多时间热交换值远小于设计值。热交换的大小由冷冻水的流量控制,而冷冻水的流量由冷冻泵电机的转速决定。电机耗电量决定其输出功率,输出功率与电机转速的立方成正比,P∝n3,而电机转速与供电频率成正比,n∝f,所以电机转速稍有下降,即稍为降低供电频率,输出功率将大幅度下降。若电机转速能根据实际所需的热交换量来调整,电机的功率将大大减少,从而可显著节约电能。25 黄石理工学院毕业论文1.冷却水泵变频控制中央空调的冷却水泵的功率是根据空调冷冻机组的压缩机满负荷工作设计的，当环境温度及各种外界因素，冷冻机组不需要开启全部压缩机组，此时空调的冷凝系统所需要的冷却量也相应地减小，这时就可以通过变频调速器来调节冷却水泵的转速，降低冷却水的循环速度及流量，使冷却水的冷负荷被冷凝系统充分利用，从而达到节能目的。从我公司对中央空调的变频节能改造得出以下的数据，其冷却水泵、冷温水泵在低流量运行时，可以大幅度节省电力，尤其针对直燃机冷却水流量曲线的特点，采用变频控制，意义更大，从远大BZ型直燃机中央空调系统采用海利普变频器控制水泵测试数据为例：当制冷量75%时，机组所需冷却水流量34%，水泵电耗约20%；当制冷量50%时，机组所需冷却水流量22%，水泵电耗约15%。2.冷温水泵变频控制中央空调的冷媒水泵的功率是根据空调满负荷工作设计的，当宾馆、酒店、大厦需要的冷量或热量没有达到空调的满负荷，这时就可以通过变频器调速器来调节冷媒水泵的转速，降低冷媒水的循环速度，使冷量和热量得到充分利用，从而达到节能目的。如果制冷、采暖共用一台水泵，则冬季水泵流量只需50%，自然可大大节省电力；即使是冬夏分泵运行，也可在低负荷季节适当降低流量，如90%流量时，电耗约75%。3.冷却塔风机变频控制风机功率一般都较小，节电不如水泵明显。但风机采取变频控制能极大地有助于冷却水恒温，这对于机组制冷恒温极为关键；且能使机组溶液循环稳定，获得最大限度的节省燃料。冷却塔风扇低转速运行还能大幅度减少漂水，节省水源、延缓水质劣化、减少水雾对周围的影响。4.变频调速的节电比率如下表：表格15.采用变频器的其他益处由于变频器的启动、停止过程是渐强、渐弱式，能消除电机启动对电网的冲击。并可避免电机因过载而引起的故障。由于电机经常处于低负荷运行，能大幅度延长电机及水泵、风机的寿命，同时因没有启动、停止的冲击，加上流量的减少，管路承压及所受冲击力减小，故对管道、阀门、末端设备也起到了保护作用。另一方面，设备噪音、震动均减小，保护了环境。6.中央空调机组外变频器的控制方式1）根据冷却水出/入口的温度改变水泵转速，调整流量；25 黄石理工学院毕业论文2）根据冷却水入口温度改变冷却塔风机转速，调整水温；3）根据冷温水出/入口的温差改变水泵转速，调整流量；4）根据冷却水出水的温度改变水泵转速，调整流量；5）根据冷媒水的回水温度改变水泵转速，调节税流量；3.3变频PLC控制原理1.中央空调水循环系统的变频PLC控制原理如图5所示，包括人机界面DP210、LGPLC的K80SCPU模块和GTF--ADHA模拟量模块。其中人机界面负责数据设定(压差或温差设定)，数据显示(温度，温差，压力，压差)，状态设定和显示，以及维修说明书等帮助画面。CPU模块负责包括内置PID的顺序程序控制。模拟量模块G7F—ADHA为2入l出，输入量为温度l{f1]2或压力l和2(1表示进水回路，2表示出水回路)，输出量为电动机转速信号(控制变频器的信号)。人机界面系统采用DP210人机界面，DF210是以文字或指示灯等形式监视PLC内部寄存器或继电器的数值及状态，而使操作人员能够自如地控制机器设备，是一款性价比高的HMI产品。图5中央空调水循环PLC控制2.模拟量和PID控制采用PLCKSOS内置的PIE)功能，所谓PIE)控制，就是使一个过程按预设值(SV)保持其为稳定状态的控制过程，通过设定值SV和过程反馈值PV进行比较，当两项值有差别时，控制器输出执行值MV来减少这种差异。PID包括三个控制量比例P、积分I．微分D。由中央空调水循环系统的控制图可以看出，本智能控制设备采用恒压差或恒温差PID控制，模拟信号输入和输出通过G7F模块，设定数据通过DP210操作。25 黄石理工学院毕业论文3.变频器选型由于本系统采用PLC的PID控制功能，所以对变频器的选型并无特殊要求，只需选用通用变频器，如EMERSON公司的EV2000。3.4供水系统变频节能改造无论是溴化锂机组或电制冷（氟利昂）机组的中央空调系统，主机自身的能量消耗有机组控制，机外的电力消耗组不能控制，而这部分的成本是相当高的，却通常被人忽视了。尤其是溴化锂机组，在额定状态制冷运用行时，机外水泵、冷却塔的电机耗电量约占总体能源消耗成本的30%（以每公斤油2元、每度电1元计算）。无论从环境保护角度还是用户切身利益角度，都应将中央空调系统设计成最节能的系统。采用变频器来控制机外水泵电机、冷却塔电机是最简单、最有效的节能措施。一般情况节电20%~50%，每年可节省机组及系统总运行费用的12%~20%，十分惊人。25 黄石理工学院毕业论文第四章中央空调冷却水泵工作特性和节能4.1冷却水泵的特性泵是一种平方转矩负载，其转速n与流量Q,扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示：Q1=Q2(n1/n2)H1=H2(n12/n22)N1=N2(n13/n23)　　(1-1)上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的扬程与其转速的平方成正比,泵的轴功率与其转速的立方成正比。当电动机驱动泵时，电动机的轴功率P(kw)可按下式计算:　　　　P=ρQH/ηcηF×10-2　　　　　　(1-2)式中：P：电动机的轴功率（KW）　　　Q：流量（m3/s）　　　ρ：液体的密度（Kg/m-2）　　　ηc:传动装置效率　　　ηF：泵的效率　　　H：全扬程（m）4.2冷却水泵的节能控制1.设备名称中央空调有3台冷却水泵，其型号是TS一200_150315，配用功率是37KW；采用一台变频器的方案进行节能控制，变频器及PLC控制系统都采用三菱的，型号分别是FR—A540及FX2N一64MR(11。2.控制方案1）冷却水泵节能循环控制主电路接线图(图7)图6冷却水泵节能循环控制主电路接线图2）控制功能25 黄石理工学院毕业论文先确定冷却水泵变频器工作的最小工作频率(15HZ)及最大工作频率(48HZ)，将其设定为下限频率和上限频率并锁定；变频冷却水泵的频率是取冷却水塔的出水温度信号进行调节，当冷却水出水温度高于设定值时，频率优先无极上调，当冷却水出水温度低于设定值时，频率无极下调；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。冷却水塔出水温度由温度传感器PTl003850RPM／oC电压型温度传感器采集，将温度变化反映到相应的电阻变化，通过电阻的变化改变电压并送到变频器的输入2、5脚，达到实现温度控制的目的。具体控制方案：(1)先合KMl起动1号泵，单台变频运行；(2)当1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l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15HZ时，则将KM2断开，l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KM5将变频器与3号泵相接，并进行软启动，此时2号泵工频运行，3号泵变频运行。(5)当3号泵的工作平频率下降到设定的下限切换频率15HZ时，则将KM4断开，2号泵停机，此时由3号泵单台变频运行；(6)当3号泵的工作频率上升到48HZ上限切换频率时，3号泵将切换到KM6工频运行，然后再合KMl将变频器与1号泵相接，并进行软启动，此时3号泵工频运行，l号泵变频运行，(7)当1号泵的工作频率下降到设定的下限切换频率15HZ时，则将KM6断开，3号泵停机，此时由1号泵单台变频运行；如此循环运行；(8)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；(9)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，(l0)变频与工频切换的过程：首先MRS接通(变频器输出停止)一延时0．2秒后断开变频接触器一延时0．5秒后合工频接触器，一再延时0．5秒合下一台变频接触器一断开MRS触点，实现从变频到工频的切换，(11)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。表1I／O端口3)PLC输入、输出25 黄石理工学院毕业论文图7冷却水泵节能循环运行控制综合接线图图2冷却水泵节能循环运行控制综合接线图4)控制综合接线图：(见图7)5)变频器参数设置：Pr．42=48HZ(上限切换频率FU信号)；Pr．50=48HZ(下限切换频率FU，信号)IPr．191=5(标记为SU端子的功能为FU，信号)lPr．76=2(报警代码选择)lPr．79=2(操作模式为外部操作)6)软件设计[3](见图8)根据控制要求进觥编程，下面给出参考程序顺控图。图8停止及热保护程序25 黄石理工学院毕业论文第五章节能原理及方案5.1节能理论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：图9热负荷率曲线图如上图所示，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。5.2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×nP＝K2×n2N＝Q×P＝K3×n3(K1、K2、K3为比例常数)25 黄石理工学院毕业论文由上述原理可知，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。5.3节能改造和分析5.3.1节能改造方案选择（a）冷却水系统（b）冷冻水系统图10循环水系统冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成了冷却水循环系统。冷冻主机在进行热交换、使水温冷却的同时，必将释放大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水送回到冷冻机组。回水的温度将高于进水的温度，形成温差，所以对于冷却泵，通过检测进水和回水的温度差来实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，可以提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。从冷冻主机流出的冷冻水流经所有的房间后回到冷冻主机。无疑，回水的温度将高于出水的温度，形成温差。出水管和回水管上装有检测温度的变送器。与PLC和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制泵的转速也是可行的，回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度。[5]反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。变频控制原理图如图11所示[6]。25 黄石理工学院毕业论文图11中央空调变频控制原理图5.3.1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。5.3.2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。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：25 黄石理工学院毕业论文图12中央空调系统节能改造结构示意图由上图，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。5.4电路控制方案某公司LG中央空调机组数据如下表：机组机型常用数量备用数量总计数量中央空调冷冻泵电机45KW（380V）2台1台3台冷却泵电机75KW（380V）2台1台3台表2三台水泵中，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：一台变频运行，且可以通过人工方式进行切换，其他可通过人工方式直接启动到工频运行。25 黄石理工学院毕业论文设计：3台水泵电机选配1台变频器。工作时可选择任意一台水泵做主泵、由变频器直接拖动并且变频运行（由内置PID进行闭环控制）；其余两台水泵做辅泵、由人工依据制冷特点相应进行启停控制，使电机工频运行。如下图所示：图13该方案使用SAJ8000系列通用变频器，“市电”“节电”旁路需要另配电控柜及电气配件。5.5节能预估根据流体力学原理，流量Q与转速丹的一次方成正比，管压H与转速n的二次方成正比，轴功率与转速／／的三次方成正比。当所需流量减少，离心泵转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需流量的80％，则转速也下降为额定转速的80％，而轴功率降51．2％；当所需流量为而额定流量的50％时，而轴功率降12．5％。当然，转速降低时，效率也会有所下降，同时还应考j虑控制装置的附加损耗等影响。即使如此，这种节电效果也非常可观。通过实践证明，凤机水泵类，节能40％～50％。综合实际运行效果，对冷冻泵拖动系统、冷却泵拖动系统、风机(包括室内风机和冷却塔风机)拖动系统实施智能变频柜后的基本节能效果为35％-55％，最小节能35％，最大达55％。25 黄石理工学院毕业论文结束语采用变频器、PLC对中央空调冷却水泵的改造，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。由于冷却水泵采用变频器软启动、软制动，大大降低了起动电流、避免了对电机和电网的冲击，使用电环境得到改善。由于水泵大多数时间运行在额定转速以下，电机运行噪音减小，温升降低、震动减少、负载运行顺滑平衡，电气故障比原来降低，电机的使用寿命也相应延长。利用PLC、变频器实现各种逻辑控制，变频器启动控制及手动／自动，工频／变频转换和故障自动切换等功能，使系统控制灵活方便，功能更加完善。25 黄石理工学院毕业论文6.主要参考文献[1]廖传善.空调设备与节能系统控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1994.[2]孙增圻.智能控制理论与技术[M].北京：清华大学出版社，广西科学技术出版社，1997.[3]吴继红.中央空调工程设计与施工[M].北京：高等教育出版社，1997.[4]杜金城.电器变频调速设计技术[M].北京：中国电力出版社，2001.[5]张子慧.制冷空调，自动控制[M].北京：科学出版社，2000.[6]胡寿松.自动控制原理（第3版）[M].北京：国防工业出版社，1994.[7]王兆义.变频器应用与实训指导[M].北京：高等教育出版社，2005.[8]张还.三菱FX系列PLC设计与开发[M].北京：机械工业出版社，2009.[9]廖常出.PLC编程与应用[M].北京：机械工业出版社，2002.[10]李英顺，佟维妍，高成，赵葵茹.现代检测技术[M].北京：中国水利水电出版社，2009.[11]姚锡禄《变频器控制技术与应用》，福建科学技术出版社，2005年第一版，31-38[12]张社佑《制冷原理与设备》，机械工业出版社，1988；98-135[13]邹根南《制冷装置及其自动化》，机械工业出版社，1987；136-152[14]黄健华，《变频调速装置在空调水系统中的节能应用》制冷，1998（1）：77-79.[15]吴启红，变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书2007[16]梁光武，PLC和变频器在中央空调教学系统中的应用2009(2)[17]贺哲荣，石帅军流行PLC实用程序及设计2006[18][美]WalterN.Alerich，[美]StephenL.Herman著姜明，温照方译．电机与控制翻译版（第7版）．北京：北京理工大学出版社，2006.5[19]Space-VectorPWMWithTMS320C24x/F24xUsingHardwareandSoftwareDeterminedSwitchingPatterns[M].ApplicationReportPRA524.TI.Inc.1999.[20]D.M.Sable,andF,C,Lee,TheoperationofafrequencyconvertePWMconverter,ProceedingsofPowerElectronicsCenterSeminar,1989,92-7225 黄石理工学院毕业论文致谢本论文的顺利完成，首先要感谢我的指导老师祁老师和王老师，他们以扎实的理论基础和丰富的专业知识悉心指导我，以认真负责的工作态度和平易近人的深深影响我。从论文选题、文献综述、开题报告到正文撰写，老师都给予我许多宝贵的意见，并且总是在百忙之中抽空一遍又一遍修改我的论文，给予我极大的帮助。同时还要感谢我的父母和同学，没有父母生活上的关心和帮助就不可能练就今天的我，是父母给力我自信和动力。在学校这个大集体里同学的帮助也是不少的，设计的这段时间跟同学们的讨论使我受益匪浅，对我的论文也有很大的帮助，他们的热心帮助使我感受到了来自兄弟姐妹的情谊。还要感谢各位专家的批评指导。毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢您们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。25'