【正文】 11 畢業(yè)設計（論文）設計（論文）題目：基于PLC控制的變頻調速技術在中央空調系統(tǒng)中的應用 學 院： 天津大學網絡教育學院 專業(yè)班級： 機械設計及其自動化 學生姓名： 郁俊 指導教師： 2012年 9 月 1 日 目 錄摘要 1第一章 引言 課題的來源選題的目的及意義 2 本課題在國內外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3第二章 中央空調的工作原理 4 基本結構 5 水泵的變頻節(jié)能原理 5 水泵的變頻節(jié)能方案 5第三章 變頻器在空調中的應用 6 變頻技術介紹 6 交流變頻和直流變頻的區(qū)別 7 直流變頻 85. 總結 96參考文獻 10摘 要 本論文在分析和比較了國內外中央空調自動控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點的基礎上，結合變頻調速在中央空調系統(tǒng)中的工作原理與我國城市中央空調的需求現(xiàn)狀，設計了一套以變頻調速技術為基礎的中央空調冷凍泵自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運用軟啟動器、變頻調速技術以及自動控制技術，通過調節(jié)水泵電機的供電頻率，控制電機轉速以調節(jié)流量實現(xiàn)了中央空調恒溫參數的自動控制，保證了中央空調系統(tǒng)隨時維持在最佳運行狀況?！　』谧冾l器為主體構成的中央空調冷凍泵系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，也提高了整個系統(tǒng)的效率，延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構成復雜的功能強大的中央空調控制系統(tǒng)。隨著變頻器的飛速發(fā)展，高度智能化，系列標準化是未來中央空調設備適應恒溫調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。關鍵詞：變頻冰箱,壓縮機,無刷直流電動機59第一章 引言隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，各種大型建筑在我們國家越來越普遍，其中一般都安有中央空調系統(tǒng)，用于保持整棟大廈溫度恒定。如今，人們對中央空調系統(tǒng)提出的要求就是舒適和節(jié)能，要求在能耗更低的情況下保持室內合適的溫度、濕度，讓居住者感覺最舒適。新建的中央空調系統(tǒng)在按照舒適節(jié)能的目標設計，而越來越多的使用多年的中央空調控制系統(tǒng)在進行改造來實現(xiàn)節(jié)能、舒適的目的。據統(tǒng)計，中央空調的用電量占各類大型建筑總用電量的60%以上，其中，僅水泵的耗電量約占到空調系統(tǒng)耗電量的20%～40%，存在巨大的能源浪費，而世界正在提倡節(jié)能減排，因此采用新技術降低系統(tǒng)能耗和減輕空調系統(tǒng)向外界所釋放的能量就成為當務之急。在傳統(tǒng)的設計中，中央空調的制冷/制熱機組、冷凍水/冷溫水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機的容量基本是按照建筑物最大制冷/制熱負荷的需求來選定的，且留有充足余量。無論季節(jié)、晝夜和用戶負荷的怎樣變化，各電機都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，雖然可滿足最大的用戶負荷，但不具備隨用戶負荷動態(tài)調節(jié)系統(tǒng)功率的特性，而在大多數時間里，用戶負荷是較低的，這樣就造成很大的能源浪費。近年來節(jié)能降耗被國家擺到空前重要的位置。而國家供電緊張形勢依然沒有根本緩解，電價不斷上調，造成中央空調系統(tǒng)運行費用上升，因此如何控制空調系統(tǒng)的電能費用己經成為越來越多的中央空調系統(tǒng)經營管理者所關注的題。因此采用變頻調速技術節(jié)約低負荷時主機系統(tǒng)和水泵、風機系統(tǒng)的電能消耗，還對空調系統(tǒng)所釋放的能量進行回收利用，具有極其重要的經濟和社會意義，尋找一種節(jié)能效果明顯，性能穩(wěn)定可靠的控制系統(tǒng)成為當務之急，因而中央空調的節(jié)能改造便成必然。本論文對中央空調實施改造，達到能耗最低，節(jié)能減排的目的，使整個中央空調系統(tǒng)處于最佳運行狀態(tài)，中央空調進行節(jié)能技術改造后，系統(tǒng)具有綜合節(jié)能率在30%以上的顯著的節(jié)能效果外，其加權減排量也達30%以上，由于節(jié)能系統(tǒng)采用一臺變頻器分別控制多臺水泵的運行方案，每臺水泵都是可以實現(xiàn)軟啟動：每臺水泵可任意切換，既可以在工頻狀態(tài)下運行，也可以在變頻狀態(tài)下運行。系統(tǒng)根據冷卻水流量需求，自動進行泵起/停切換。采用軟啟動，還大大降低對空調設備和電網的沖擊，延長了中央空調系統(tǒng)的使用壽命。引入軟啟動，不會影響啟動時的制冷效果，因為軟啟動時間僅為數秒即可完成，避免了啟動瞬間的電流（該電流為４～７倍工作電流）對電機和電網帶來的沖擊，另外由于空調冷水系統(tǒng)的閉環(huán)控制和自動調節(jié)，還可大大改善空調的舒適性。系統(tǒng)采用溫差閉環(huán)控制，使空調系統(tǒng)更具舒適性。節(jié)能系統(tǒng)具有短路、過流、接地等保護功能，提高系統(tǒng)的安全可靠。綜上所述，本課題的研究意義在于：，可以避免不合理的低效用能，降低了空調系統(tǒng)的能耗，提高了能源的利用率，對于解決當前電力供需矛盾，提高電網的負荷率和發(fā)電設備及輸電設施利用率，保證電力系統(tǒng)安全運行。減小國家的電力投資等也具有重要的意義。，將其輸入到集中供應的衛(wèi)生熱水系統(tǒng)中，利用有源熱泵機組提升水溫，增設動態(tài)管理的儲熱循環(huán)裝置，降低了中央空調系統(tǒng)向外界釋放的熱量，整個系統(tǒng)既可以節(jié)能，也減少了對環(huán)境的污染。 《變頻調速技術在空調系統(tǒng)中的應用》針對社會發(fā)展中出現(xiàn)的熱點和難點問題選題研究，現(xiàn)如今的社會，講究環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展，如何在給人類提供方便舒適的生活環(huán)境下而盡量的節(jié)約能源成為了社會的熱點話題，空調是現(xiàn)代化樓宇中不可缺少的一部分，隨著我國經濟的不斷發(fā)展和城市化進程的不斷推進，中央空調的應用會越來越廣泛。但是中央空調的能耗非常大，約占整個建筑總用電量的60%70%。對中央空調系統(tǒng)的節(jié)能研究、節(jié)能改造顯得尤為重要。由于設計時，中央空調系統(tǒng)必須按天氣最熱、負荷最大時設計，并且留1020設計余量，然而實際上絕大部分時間空調是不會運行在滿負荷狀態(tài)下，存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大。[1]其中，冷凍主機可以根據負載變化隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負載變化作出相應調節(jié)，存在很大的浪費。水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調節(jié)來完成，因此，不可避免地存在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費電能，而且還造成中央空調最末端達不到合理效果的情況。再因水泵采用的是Y△起動方式，電機的起動電流均為其額定電流的3～4倍，一臺90KW的電動機其起動電流將達到500A，在如此大的電流沖擊下，接觸器、電機的使用壽命大大下降，同時，起動時的機械沖擊和停泵時水垂現(xiàn)象，容易對機械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、備件費用。綜上，為了節(jié)約能源和費用，需對水泵系統(tǒng)進行改造，經市場調查與了解采用成熟的變頻器來實現(xiàn)，以便達到節(jié)能和延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。這是因為變頻器能根據冷凍水泵和冷卻水泵負載變化隨之調整水泵電機的轉速，在滿足中央空調系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應調節(jié)，以達到節(jié)能目的。. 國內外的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 中央空調在正常運行時，需要根據室內外的工作環(huán)境溫度、使用空調的空間大小和設定的溫度、冷卻水溫度的變化量等變量的變化，不斷調整自身的運行狀況，從而實現(xiàn)既能保證空調的舒適性又能盡量降低能耗的雙重目標。故此，中央空調的控制系統(tǒng)對于一個空調的性能起了至關重要的作用。 大部分中央空調的冷水機組基本都是由人工設定的鐘控裝置控制，系統(tǒng)定時啟動和定時關閉，每天長時間全開或者全關，輪流運行，這樣對電網頻繁的沖擊，不僅恒溫效果不佳，讓人感到不舒適，同時也浪費了大量的電能，工程設計人員進行空調系統(tǒng)節(jié)能控制方面的研究，在目前應用的系統(tǒng)中往往偏重于設備的運行控制管理辦法，具體的控制方法上，基本采用PID控制，具有一定的魯棒性，因為得到了廣泛的應用[2]。變頻節(jié)能空調近幾年來成為我國空調市場上的新寵，擁有變頻調速系統(tǒng)的中央空調能夠通過溫度反饋改變電機的轉速使制冷量和環(huán)境達到一個平衡，具有更節(jié)能、更舒適、更環(huán)保的特點。變頻空調在日本的市場占有率已超過90%以上，在歐美等發(fā)達國家的市場占有率也超過50%。2009冷年以來，變頻空調在我國國內市場的發(fā)展更是日新月異，％,％。據有關專家預測,2010冷凍年度變頻空調市場份額有望達25％。據統(tǒng)計，我國電動機裝機總容量約4億多KW，其用電量占當年全國發(fā)電量的60%～70%，而風機、年耗電量3200KWh，約占當年全國電力消耗總量的1/3。而應用變頻器節(jié)電率一般在20%～60%，投資回收期1～3年，經濟效益相當可觀。所以大力推廣應用變頻調速技術不僅是當前推進企業(yè)節(jié)能降耗、提高產品質量重要手段，而且也是實現(xiàn)經濟增長方式轉變的必然要求。第二章 中央空調工作原理中央空調系統(tǒng)的組成框圖如圖21所示。由圖21可以看出，中央空調的冷水機組主要有兩個水循環(huán)系統(tǒng)構成，即冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，壓縮機（圖12）不斷地從蒸發(fā)器中抽取制冷劑蒸汽，低壓制冷劑蒸汽在壓縮機內部被壓縮為高壓蒸汽后進入冷凝器中，制冷劑和冷卻水在冷凝器中進行熱交換，制冷劑放熱后變?yōu)楦邏阂后w，通過熱力膨脹閥后，液態(tài)制冷劑壓力急劇下降，變?yōu)榈蛪阂簯B(tài)制冷劑后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，低壓液態(tài)制冷劑通過與冷凍水的熱交換吸收冷凍水的熱量，冷凍水通過盤管吹出冷風以達到降溫的目的，溫度升高了的循環(huán)水回到冷凍主機又成為了冷凍水，而變?yōu)榈蛪赫羝闹评鋭?，在通過回氣管重新吸入壓縮機，開始新的一輪制冷循環(huán)。而冷卻水在與制冷劑完成熱交換之后，由冷卻水泵加壓，通過冷卻水管道到達散熱塔與外界進行熱交換，降溫后的冷卻水重新流入冷凍主機開始下一輪的循環(huán)圖11 中央空調冷水機組系統(tǒng)組成圖12 制冷壓縮機系統(tǒng)的原理圖 基本結構由圖11可以看出，中央空調的冷水機組主要有兩個水循環(huán)系統(tǒng)構成，即冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，壓縮機（圖12）不斷地從蒸發(fā)器中抽取制冷劑蒸汽，低壓制冷劑蒸汽在壓縮機內部被壓縮為高壓蒸汽后進入冷凝器中，制冷劑和冷卻水在冷凝器中進行熱交換，制冷劑放熱后變?yōu)楦邏阂后w，通過熱力膨脹閥后，液態(tài)制冷劑壓力急劇下降，變?yōu)榈蛪阂簯B(tài)制冷劑后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，低壓液態(tài)制冷劑通過與冷凍水的熱交換吸收冷凍水的熱量，冷凍水通過盤管吹出冷風以達到降溫的目的，溫度升高了的循環(huán)水回到冷凍主機又成為了冷凍水，而變?yōu)榈蛪赫羝闹评鋭谕ㄟ^回氣管重新吸入壓縮機，開始新的一輪制冷循環(huán)。吧而冷卻水在與制冷劑完成熱交換之后，由冷卻水泵加壓，通過冷卻水管道到達散熱塔與外界進行熱交換，降溫后的冷卻水重新流入冷凍主機開始下一輪的循環(huán)。中央空調進行熱交換的大小由冷凍水的流量控制，通常采用的流量控制方法有閥門控制和調述控制[4]。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達到控制流量的目的，因而浪費了能量，如果采用調速控制，冷凍水的流量由冷凍泵電機的轉速決定，電機的耗電量決定于電機的輸出功率，輸出功率與電機轉速的立方成正比，而電機轉速與供電頻率成正比，所以電機轉速稍有下降，即稍微降低供電頻率，輸出功率將大幅度下降，若電機轉速能根據實際所需的熱交換量來調整，電機的功率將大大減少，從而顯著節(jié)約電能。 （a）冷卻水系統(tǒng) （b）冷凍水系統(tǒng)圖13 循環(huán)水系統(tǒng) 冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成了冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷凍主機在進行熱交換、使水溫冷卻的同時，必將釋放大量的熱量，該熱量被冷卻水吸收，使冷卻水溫度升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，使之在冷卻塔中與大氣進行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水送回到冷凍機組?；厮臏囟葘⒏哂谶M水的溫度，形成溫差，所以對于冷卻泵，通過檢測進水和回水的溫度差來實現(xiàn)恒溫差控制是可行的。溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，可以提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機組產生的熱量小，可以降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以實現(xiàn)節(jié)能的目的。從冷凍主機流出的冷凍水流經所有的房間后回到冷凍主機。無疑，回水的溫度將高于出水的溫度，形成溫差。出水管和回水管上裝有檢測溫度的變送器。與PLC和變頻器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過冷凍水的溫差來控制泵的轉速也是可行的，回水溫度高，說明房間溫度高，應該提高冷凍泵的轉速，加快冷凍水的循環(huán)速度。[5]反之，回水溫度低，說明房間溫度低，可降低冷凍泵的轉速，減緩冷凍水的循環(huán)速度，達到節(jié)約能源的目的。變頻控制原理圖如圖14所示[6]。圖14 中央空調變頻控制原理圖調速系統(tǒng)的控制依據中央空調系統(tǒng)的外部熱交換由兩個循環(huán)水系統(tǒng)來完成。循環(huán)水系統(tǒng)的回水與進（出）水溫度之差，反映了需要進行熱交換的熱量，因此根據回水與進（出）水溫度之差來控制循環(huán)水的流動速度，可以控制系統(tǒng)熱交換的速度。由于冷卻塔的水量是隨環(huán)境溫度而變的，其單側水溫不能準確反映冷凍機內產生熱量的多少，所以對于冷卻泵，以進水回水間的溫差作為控制依據，實現(xiàn)進水和回水的恒溫差控制也是合理的，溫差大，說明冷凍機組產生的熱量大，應提高冷卻泵的轉速，增大冷卻水的循環(huán)速度；溫差小，說明冷凍機組產生熱量小，可以降低冷卻泵的轉速，減緩冷卻水的循環(huán)速度，以節(jié)約能源。 控制系統(tǒng)檢測冷卻水回水溫度組成閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖26所示。PIDM 水泵變頻器頻率指令Δxxf溫度傳感器給定xt圖26 PID調節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖該方案如圖27所示，其在保證冷卻塔有一定的冷卻水的情況下，通過控制變頻器的輸出頻率來調節(jié)冷卻水流量，當中央空調冷卻水出水溫度低時，減少冷卻水流量；當中央空調冷卻水出水溫度高時，加大冷卻水流量，從而保證中央空調機組正常工作的前提下達到節(jié)能的目的。圖27冷卻水系統(tǒng)控制方案圖(1)制冷模式下冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制該方案在保證末端設備冷卻水流量供給的情況下，確定一個冷卻水泵變頻器工作的最小工作頻率，將其設定為下限頻率并鎖定。變頻器冷卻水泵的頻率調節(jié)是通過安裝在冷卻水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再經由溫度控制器設定的溫度來控制變頻器的頻率增減來實現(xiàn)，控制方式是：冷卻回水溫度大于設定溫度時，頻率無級上調。 (2)制熱模式下冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制該模式是在中央空調中熱泵運行（即制熱）是冷卻水泵系統(tǒng)的控制方案。同制冷模式模式控制方案一樣，在保證末端設備冷卻水流量供給的情況，確定一個冷卻泵變頻器工作的