【文章內(nèi)容簡介】 ]。這種技術(shù)在美國得到了廣泛的研究和應(yīng)用。在變頻技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)出 現(xiàn)之前，通常不考慮負(fù)荷的變化，冷凍水泵以固定的流量輸運冷凍水到環(huán)路中。這種做法的后果不僅造成了能耗的浪費，還導(dǎo)致冷凍水系統(tǒng)的供、回水低溫差運行。 從九十年代術(shù)期開始，隨著計算機及電子技術(shù)的高速發(fā)展，變流量技術(shù)也得到深入的發(fā)展。水泵、變頻驅(qū)動器、控制器等設(shè)備性能的提高大大滿足了水系統(tǒng)控制的要求。隨著變流量技術(shù)的成熟，在國外應(yīng)用變流量技術(shù)開始成為暖通行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。在目前應(yīng)用的系統(tǒng)中往往偏重于設(shè)備的運行管理控制方法，具體控制方法上，基本上采用多個回路的 PID 控制 [5]。各種類型的 PID 控制器因其參數(shù)物理 4 意義明確、易 于調(diào)整，并且具有一定的魯棒性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 PID 控制器之所以能夠在過程控制領(lǐng)域獲得廣泛地應(yīng)用，是因為在實際的應(yīng)用中 PID 控制器的設(shè)計可只借助于系統(tǒng)輸出等反饋信息進行控制，從而減少了控制系統(tǒng)對對象模型的依賴性。 目前，中央空調(diào)控制方法有雙位 ON／ OFF 控制、 PID 控制、最優(yōu)控制、模糊控制等方法。以 PID 算法為核心的各種 DDC 控制系統(tǒng)是目前中央空調(diào)工程和設(shè)備較普遍的使用方法，這種控制方法在工況較穩(wěn)定的情況下，可以得到較好的控制效果。 本研究課題的主要工作 本文在分析和綜合了 PID 控制的特點、發(fā) 展趨勢以及中央空調(diào)控制任務(wù)的基礎(chǔ)上，對中央空調(diào)冷凍水機組采用傳統(tǒng) PID 控制，對基于 USS 通信協(xié)議的 RS485總線設(shè)計的控制系統(tǒng)進行了研究，并進行了組態(tài)設(shè)計，最終設(shè)計了中央空調(diào)變頻節(jié)能控制系統(tǒng)。 研究工作的具體內(nèi)容如下： 對空調(diào)系統(tǒng)變頻控制進行了理論分析。 對變頻控制系統(tǒng)進行設(shè)計，以實現(xiàn)工頻 /變頻切換功能。 設(shè)計了基于 RS485 網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)?？蓪⒉杉某龌厮疁囟鹊葦?shù)據(jù)信號通過網(wǎng)絡(luò)送到主控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳送。 文中對冷凍水機組的控制系統(tǒng)進行了硬件和軟件的設(shè)計，采用西門子TD200 文本顯示 屏作為人機界面，西門子 S7200 PLC 作為主控制器，用一臺變頻器結(jié)合工頻供電的方式，靈活的驅(qū)動冷凍水機組的三臺水泵。 5 第 2 章 中央空調(diào)變流量控制的原理 中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理 概述 空調(diào)即空氣調(diào)節(jié)器，掛式空調(diào)是一種用于給空間區(qū)域提供處理空氣溫度變化的機組。它的功能是對該房間或區(qū)域內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以滿足人體舒適或工藝過程的要求。 中央空調(diào)系統(tǒng)是一種大型的對建筑物進行集中空氣調(diào)節(jié)并進行管理的設(shè)備，一般由空氣處理設(shè)備、送 (回 )風(fēng)機、送 (回 )風(fēng)通道 、空氣分配裝置及冷、熱源等組成。根據(jù)需要，它們能組成不同形式的系統(tǒng)。在工程實際中，應(yīng)從建筑物的用途和性質(zhì)，熱濕負(fù)荷特點、空調(diào)機房面積和位置、初投資和運行維修費用等許多方面去考慮，選擇合理的空調(diào)系統(tǒng)。 制冷原理 氣態(tài)制冷工質(zhì) (如氟利昂 )經(jīng)壓縮機壓縮成高溫高壓氣體后進入冷凝器，與水(空氣 )進行等壓熱交換，變成低溫高壓液態(tài)。液態(tài)工質(zhì)經(jīng)干燥過濾器去除水份、雜質(zhì)，進入膨脹閥節(jié)流減壓，成為低溫低壓液態(tài)工質(zhì)，在蒸發(fā)器內(nèi)氣化。液體氣化過程要吸收氣化潛熱，而且液體壓力不同，其飽和溫度 (沸點 )也不同，壓力越低，飽和 溫度越低。例如， 1kg 的水，在絕對壓力為 ，飽和溫度為 5℃ ，氣化時需要吸收 熱量； 1kg 的氨，在 1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力 ()下，氣化時需要吸收 熱量，溫度可抵達(dá) ℃ 。因此，只要創(chuàng)造一定的低壓條件，就可以利用液體的氣化獲取所要求的低溫。依此原理，氣化過程吸取冷凍水的熱量，使冷凍水溫度降低 (一般降為 7℃ )。制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸取熱量，溫度升高變成過熱蒸氣，進入壓縮機重復(fù)循環(huán)過程。 中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成 中央空調(diào)系統(tǒng)包括空調(diào)主機，風(fēng)機 盤管系統(tǒng)、水系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)?？照{(diào)主機由壓縮機、蒸發(fā)器和冷凝器組成，風(fēng)機盤管系統(tǒng)為房間內(nèi)的末端，水系統(tǒng)出冷凍水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)組成 [7]。典型的中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 21所示 ,冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)是能量的主要傳遞者。因此，對冷凍水和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的控制是中央空調(diào)控制系統(tǒng)的重要組成部分。 中央空調(diào)變流量控制的原理及特點 變流量空調(diào)系統(tǒng)概述 早前，國內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)，基本上都采用傳統(tǒng)的定流量控制方式。也就是說，只要啟動空調(diào)主機，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機都在 50Hz 工頻狀 態(tài)下運行。定流量控制方式的特征是系統(tǒng)的循環(huán)水量保持恒定，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，通過改變供水或回水溫度來滿足要求。定流量供水方式最主要的優(yōu)點是系統(tǒng)簡 6 單，不需要復(fù)雜的自控設(shè)備。但這種控制方式存在以下問題： (1)中央空調(diào)系統(tǒng)是一個多參量、非線性、時變性的復(fù)雜系統(tǒng)，由于末端負(fù)荷的頻繁波動，必然造成系統(tǒng)的運行參量偏離空調(diào)主機的最佳工作狀態(tài)，導(dǎo)致主機熱轉(zhuǎn)換效率大大降低，系統(tǒng)長期在低效率狀態(tài)下運行，也會增加系統(tǒng)的能源消耗。 (2)無論末端負(fù)荷大小如何變化，空調(diào)系統(tǒng)均在設(shè)計的額定狀態(tài)下運行，系統(tǒng)能耗始終處于設(shè)計的最大值。而由 于受多種因素不斷變化的影響，如：季節(jié)交替、氣候晝夜變化、使用頻率、人流量增減等?？照{(diào)負(fù)荷的這種不恒定性，決定了系統(tǒng)對空調(diào)冷量的需求也是一個隨機變化的量。若不進行系統(tǒng)優(yōu)化，定會造成能源浪費。 (3)在工頻狀態(tài)下啟停大功率水泵和風(fēng)機，沖擊電流大，不利于電網(wǎng)的安全運行，且水泵、風(fēng)機等機電設(shè)備長期在工額額定狀念下高速運行，機械磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致使用壽命縮短和設(shè)備故障大幅度增加。 綜上來看，定流量控制凸顯出來的問題很多。變流量系統(tǒng)則是根據(jù)實際負(fù)荷的大小改變冷凍水流量，水泵也可以根據(jù)系統(tǒng)實際所需流量自動調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速或運行臺數(shù) ，從而達(dá)到節(jié)約水泵能耗的目的 [7]。如圖 22 所示： 空 調(diào) 主 機 用 戶 風(fēng) 機盤 管冷 卻 塔冷 凍 泵 冷 卻 泵風(fēng) 機 圖 21 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 溫 度 調(diào) 節(jié)變 頻 器溫 度設(shè) 定電機冷 凍泵用 戶溫 度 反 饋盤 管 圖 22 冷凍水變流量控制系統(tǒng) 7 中央空調(diào)變流量控制的實現(xiàn)方式 中央空調(diào)循環(huán)水變流量控制系統(tǒng)，是將整個中央空調(diào)系統(tǒng)從節(jié)能、高效、環(huán)保、健康、安全、管理等方面進行全面綜合考慮，把科學(xué)的節(jié)能理念和方法與成熟的控制理論技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、檢測技術(shù)、變頻技術(shù)及其產(chǎn)品進行融合，形成了一個完整的節(jié)能與管理體系。 變頻調(diào)速的原理 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： pfn /600? (21) 式中： 0n ——為同步轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； f ——為電源頻率，單位為 Hz； p ——為磁極對數(shù)。 異步電動機的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速，異步電機的實際轉(zhuǎn)速可由下式給出： )1(/60)1(0 spfsnn ???? (22) 式中： n——電動機實際轉(zhuǎn)速； s——異步電動機的轉(zhuǎn)差率。 由式 ()可知，改變參數(shù) f ， s 中的任意一個就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，即對異步電動機進行調(diào)速控制。因此，可以通過改變該電源的頻率來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。從某種意義上 說，變頻器就是一個可以任意改變頻率的交流電源。 在電動機調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應(yīng)的補償合適，保持磁通量不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的 [8]。 三相異步電機定子每相電動勢的有效值是： mng KNfE ?? (23) 式中： gE ——氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值，單位為 V。 1f ——定子頻率，單位為 Hz。 1N ——定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 1nK ——基波繞組系數(shù)； m? ——每極氣隙磁通量。 由式 ()知只要控制好 gE 和 1f ，便可以控制磁通不變。 需要考慮基頻以下和基頻以上兩種情況： 8 1)基頻下調(diào)速 即采用恒定的電動勢。由上式可知，要保持磁通量不變，但頻率 1f 從額定值 mf 向下調(diào)節(jié)，必須同時降低 gE ，然而繞組中的感應(yīng)電動勢是很難控制的，但電動勢較高，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)定定子相電壓 1U =E，則得 ?f/1 常數(shù)。 低頻時， 1U 和 gE 都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能在忽略。這時，可以人為的把電壓 1U 抬高一些，以便近似的補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性為 b 線，無補償?shù)臑?a 線。如圖 23 所示。 U 1 / Vf / H zf m0ab 圖 23 恒壓頻比控制特性 2)基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 mf 往上增高，但電壓 1U 磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。 把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調(diào)速控制特性，如圖 24 所示。如果電動機在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動機都能長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于 “恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 ”的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于 “恒 功率調(diào)速 ”。 U 1 / VU m恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 速 恒 功 率 調(diào) 速f m f / H z0 圖 24 異步電動機變頻調(diào)速控制特性 在中央空調(diào)水系統(tǒng)中，最主要的運行設(shè)備是水泵。水泵調(diào)速運行節(jié)電的理論之一是水泵學(xué)比例律。幽水泵學(xué)比例律可知，對于同一臺水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運行時，水泵的流量 Q，揚程 H，軸功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 有如下關(guān)系 [9][12][13]： 9 2121 nn? 22121 )(nnHH ? (24) 32121 ??????? nnPP 由公式 (24)知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可見，當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時，功率的減少量遠(yuǎn)比流量的減少量大得多。因此，控制水泵的轉(zhuǎn)速可以有效地控制水泵的消耗功率，這就是中央空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能的基礎(chǔ)。 通過 頻率變化來改變電機轉(zhuǎn)速與傳統(tǒng)變速方法相比有以下優(yōu)點： ，減小了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊； ； 3.無級平滑調(diào)速； 。 變頻技術(shù)的應(yīng)用 交流變頻調(diào)速技術(shù)是將電力電子、自動控制、微電子、電機學(xué)等技術(shù)集成的一項高新科技。它以其優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果以及在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域廣泛的適用性，被國內(nèi)外公認(rèn)為是世界上應(yīng)用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動方案，是電氣傳動的發(fā)展方向。它為提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、節(jié)約能源、降低消耗，提高企業(yè)經(jīng)濟效益提供了重要的新手段 。 中央空調(diào)系統(tǒng)變流量系統(tǒng)的特點 變流量節(jié)能控制系統(tǒng)是目前最先進的節(jié)能控制技術(shù)，它與普遍使用的定流量中央空調(diào)控制模式相比，具有以下技術(shù)特點： (1)實現(xiàn)中央空調(diào)綜合性能最優(yōu)，必須針對空調(diào)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié) (包括主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機等 )統(tǒng)一考慮，全面控制，使全系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，才能實現(xiàn)最佳綜合節(jié)能。變流量控制系統(tǒng)對中央空調(diào)的運行進行優(yōu)化控制，實現(xiàn)最佳節(jié)能效果。 (2)實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的跟隨性變流量控制系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)中央空調(diào)冷媒系統(tǒng)的運行方式，通過對中央空調(diào)運行系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測和閉環(huán)控制，將空調(diào)主機的定流 量運行改為變流量運行，實現(xiàn)空調(diào)主機冷媒流量跟隨末端負(fù)荷需求而同步變化，在空調(diào)系統(tǒng)的任何負(fù)荷條件下，既能確保中央空調(diào)系統(tǒng)的舒適性，又實現(xiàn)最大的節(jié)能。 (3)空調(diào)主機始終保持高的熱轉(zhuǎn)換效率眾所周知，隨著中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的變化，必將導(dǎo)致整個空調(diào)系統(tǒng)運行參數(shù)偏離空調(diào)主機的最佳設(shè)計參數(shù)，導(dǎo)致主機熱轉(zhuǎn)換效率降低，這一直是傳統(tǒng)中央空調(diào)運行方式無法解決的一大難題。變流量控制系統(tǒng)的一個基本思想就是按照中央空調(diào)主機所要求的最佳運行參數(shù)去控制中央空調(diào)系統(tǒng)的運行，根據(jù)系統(tǒng)的運行工況及制冷劑工質(zhì)參數(shù)的變化，通過 PID 控制調(diào)節(jié)，確保空調(diào)主機 始終處于優(yōu)化的最佳工作點上，使主機始終保持較高的熱 10 轉(zhuǎn)換效率，有效地解決了傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)在低負(fù)荷狀態(tài)下熱轉(zhuǎn)換效率下降的難題，提高了系統(tǒng)的能源利用率 [10]。 隨著變頻器技術(shù)的成熟及其價格的大幅下降，越來越多的設(shè)計師開始認(rèn)識到在空調(diào)水系統(tǒng)中應(yīng)用變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速所帶來的巨大效益。 這里說到了軟啟動方式，下面來介紹下。 電機的軟啟動原理及應(yīng)用 軟啟動設(shè)備介紹 電壓由零慢慢提升到額定電壓，使電機啟動的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，而是平滑的啟動運行。這就是軟啟動。電機的軟啟動可以通過軟啟動器或者變頻 器來實現(xiàn)。 軟起動器是一種集 軟停車 、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎 電機控制裝置 ，國外稱為 Soft Starter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。 運