變頻器和PLC在中央空調中應用的研究

胡林輝

摘要：21世紀，隨著科學技術日新月異，變頻技術具有顯著地節能降耗作用，已經廣泛應用于空調中，但在實際的運用中也存在一些問題，造成能量的浪費。本文主要針對PLC及變頻器在中央空調節能改造中的應用展開了探討，對中央空調系統的運行和節能原理作了詳細的闡述，并通過結合具體的工程實例，給出了一系列PLC及變頻器在中央空調節能改造的措施，供同行參考。

關鍵詞：PLC；變頻；中央空調；節能

近幾年，隨著我國經濟不斷發展，在現代人的生活中，中央空調是不可或缺的重要電器，同時中央空調是現代建筑物中重要的電氣設施之一，在現代大中型建筑物中中央空調已經是不可缺少的配套設施之一，由于其耗能非常大，約占建筑物總電能消耗的60%。而在中央空調節能改造中應用PLC及變頻器，不僅可以大幅度節約電能和提高中央空調的自動化程度，還能使系統具有運行可靠、結構簡化、維護維修方便等優點。因此，中央空調的節能改造都普遍傾向于應用PLC及變頻器。

1、中央空調系統概述

當前而言，空調系統由水系統、空調機組、風系統、散熱系統以及末端系統構成，制冷機經過壓縮機把制冷劑壓縮變為高壓高溫的氣體，在傳輸到冷凝器中和冷卻水實施熱交換。冷卻水變為高溫水，水泵把高溫水輸送到散熱系統再對其降溫，和外界環節實行換熱，把熱量釋放至空氣中。制冷劑通過冷凝器轉變為液態，經過節流閥降壓后，在蒸發器中和冷凍水進行換熱，冷凍水被降溫后，水泵再把冷水運輸到空調末端，為用戶提供制冷功能。制冷劑蒸發轉變為氣態后被吸入壓縮機，達到一個良好的循環。

2、中央空調節能改造原理

2.1 中央空調系統

眾所周知，中央空調系統的工作過程是一個不斷進行能量轉換以及熱交換的過程。其理想運行狀態是：在冷凍水循環系統中，在冷凍泵的作用下冷凍水流經冷凍主機，在蒸發器進行熱交換，被吸熱降溫后（7℃）被送到終端盤管風機或空調風機，經表冷器吸收空調室內空氣的熱量升溫后（12℃），再由冷凍泵送到主機蒸發器形成閉合循環。在冷卻水循環系統中，在冷卻泵的作用下冷卻水流經冷凍機，在冷凝器吸熱升溫后（37℃）被送到冷卻塔，經風扇散熱后（32℃）再由冷卻泵送到主機，形成循環。在這個過程里，冷凍水、冷卻水作為能量傳遞的載體，在冷凍泵、冷卻泵得到動能不停地循環在各自的管道系統里，不斷地將室內的熱量經冷凍機的作用，由冷卻塔排出。如圖一所示。在中央空調系統設計中，冷凍泵、冷卻泵的裝機容量是取系統最大負荷再增加10%—20%余量作為設計安全系數。據統計，在傳統的中央空調系統中，冷凍水、冷卻水循環用電約占系統用電的12%—24%，而在冷凍主機低負荷運行時，冷卻水、冷凍水循環用電就達30%—40%。因此，實施對冷凍水和冷卻水循環系統的能量自動控制是中央空調系統節能改造及自動控制的重要組成部分。

2.2 泵的特性分析與節能原理 泵是一種平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，揚程H及泵的軸功率N的關系如下式所示：

Q1=Q2（n1/n2），H1=H2（n1/n2）2，n1=n2（n1/n2）3（1-1）

上式表明，泵的流量與其轉速成正比，泵的揚程與其轉速的平方成正比，泵的軸功率與其轉速的立方成正比。當電動機驅動泵時，電動機的軸功率P（kw）可按下式計算：

P=ρQH/ηcηF×10-2（1-2）

式中：P：電動機的軸功率（KW）；Q：流量（m3/s）；ρ：液體的密度（Kg/m-2）；ηc：傳動裝置效率；ηF：泵的效率；H：全揚程（m）。

調節流量的方法：

圖1

由圖1可見，曲線1是閥門全部打開時，供水系統的阻力特性；曲線2是額定轉速時，泵的揚程特性。這時供水系統的工作點為A點：流量QA，揚程HA；由（1-2）式可知電動機軸功率與面積OQAAHA成正比。今欲將流量減少為QB，我們采用：閥門開度不變，降低轉速的方法，這時揚程特性曲線如曲線4所示，工作點移至C點：流量為QB，但揚程為Hc，電動機的軸功率與面積OQBCHc成正比。如此看出，采用調節轉速的方法調節流量，電動機所用的功率將大為減小，是一種能夠顯著節約能源的方法。

根據異步電動機原理：n=60f/p（1-s）（1-3）

3、工程實例

3.1 工程描述

某商貿大廈的中央空調水泵為一次泵，泵電機定速工作，回供水溫差約為3℃，使用繼電器控制水泵。系統各個設備詳細信息見表1。

該大廈空調機組選型運算是根據極端天氣和最差狀態下設置的，有較大程度的寬裕，系統實際運行很少會在這種極端的情況下運行，通常一年中只有5天左右處于最大負荷狀態。大廈原本使用的空調系統除了消耗能源較大外，還將引起一系列的問題，具體如下。

（1）水流量過大會引起系統溫度差減弱，換熱效率減小，使得機組工作條件惡化，損耗額外電能。

（2）水泵使用自耦變壓器開啟，電機開啟式電流增大，對于供電系統帶來嚴重干擾。

（3）通常泵啟、停不是軟停、啟，在泵停、啟時，將會產生水錘現象，對于零件閥門、網管、管道等形成一定程度的損壞。

為保證負荷波動和循環水流量相負荷，運用變頻控制對于空調水系統實施節能改造，能夠減少系統的能力耗損。首先其可以控制水泵的轉速，使得水量伴隨著負荷的改變相適應，進而節約能量；其次由于變頻器的開啟方式是軟啟動，電機在開啟時沒有沖擊電流，如此可以預防水錘現象的產生，延長零件閥門、電機、管道的使用期限。

3.2 節能措施

按照大廈原有的空調運行狀態，擬定大樓空調水循環節約能源的改造措施，具體方法如下。

冷凍泵功率為55kW，冷卻泵功率79kW，空調機組功率大約在35%，因此對冷卻水系統應該實施改造，在保障穩定可靠運行的狀況下，獲得較為明顯的節能效果。

冷卻水系統、冷凍水系統的控制都采取定溫度差控制方法，溫差控制適合使用于泵的恒流量更改，把冷卻水、冷凍水的溫差度控制在4.8℃左右。使用溫度傳感器測量回水溫度和供水溫度，把結果通過數模轉變為數字量傳輸到PLC進行計算，按照計算結果數據監控變頻器，進而監控水泵轉速來調整水流量。假設回水溫度和供水溫度差較大，應該增強水泵頻率，提升循環水流量；同樣的回水、供水溫差較小是應該減少水泵頻率，降低循環水流量。

經過PLC設置冷卻塔水溫控制在30℃左右，PLC使用的實際溫度和設置數據對比，但溫差值上升3℃左右時，啟動兩臺風機，溫差值減少3℃時，延長五分鐘后暫停兩臺風機，經過PLC程序完成電氣和儀表的連鎖監控，完成節能的最初目標。

系統水泵的轉速都使用變頻控制措施，正常運行時，水泵在40Hz左右變頻運動。當變頻控制系統產生故障時，應該啟動原有的控制電路，使水泵定頻運作。

3.3 變頻器控制水泵步驟

PLC控制器經過溫度模塊和溫度傳感器收集實際溫度儀表數據，把壓縮機器的出水溫度和回水溫度輸入PLC控制器內存中，PLC的相關計算系統出進水溫差值。按照壓縮機的出水溫度和回水溫度差值監控變頻器的頻率，進而控制變頻電機的轉速，調整出水量，合理調整熱交換速度。溫度差表示室內溫度較高，系統負荷較小，可以有效減少冷凍泵的轉速，降低冷凍水的循環流量和速度，經過PLC和變頻器間的協同作用完成節能的目標。冷卻水出水進水溫差較大，表示壓縮機負荷較大，需要冷卻水帶走大量的熱量，增強冷卻泵的轉速，增加冷卻水的循環量。溫度差較小，表示壓縮機負荷較小，需要帶走的熱量可以減少冷卻泵的轉速，降低冷卻水，以達到節能的目的。

3.4 節能改造系統設計

以下一冷凍水泵為例子詳細介紹節能改造方案的設計接觸器KM3是其旁通接觸器，連接后可以開啟原水泵的控制電路，保障水泵定頻運行。接觸器KM1作為M1的變頻接觸器。兩臺水泵的接觸器經過PLC實施控制，旁路接觸器經過繼電器控制，變頻接觸器和旁路接觸器間有相關的電器互鎖。

圖2 控制系統功能結構圖

控制系統的構造如圖2所示，控制環節經過兩個溫度傳感器測量出水溫度和進水溫度，檢測結果經過A/D轉變模板，把模擬量轉變為數字量輸送給PLC，PLC系統把數字量信息實行運算，計算結果經過調速D/A模板再次轉變為模擬量，調整變頻器的轉速。進水出水溫度差值較大，則應該提升水泵轉速；溫度差較小是，減少水泵轉速，進而保障溫度差維持在穩定狀態，以達到節能的目標。

3.5 變頻調整速率系統節約能源的評估

根據與離心泵定理可以表述如下，其中Q表示的是水泵流量P表示水泵功率；H表示水泵揚程；n表示為水泵轉速。根據公式可知，頻率和泵流量成正比關系，頻率的平方和泵的揚程為正比關系，頻率的三次方和水泵為正比關系。經過變頻調速后，節能效果十分顯著。所以，采取變頻調速的方式來調整中央空調水系統流量有十分重要的意義。

4、結束語

綜上所示，中央空調系統指的是對建筑和樓宇內的空氣實施調節的系統，是目前現代建筑中必不可少的主要設備設施。但是其還存在一定的缺陷和不足，由于其耗電量較大，我們應該做好良好的節能改造工作。通過以上分析可以知道，本文通過分析PLC和變頻器在中央空調節能改造中的運用實施探究，以期望對有關方面的需要提供參考借鑒。

參考文獻：

[1]趙春平，李冰.PLC自動控制技術在中央空調系統中的應用[J].經濟技術協作信息，2010（01）.

[2]韓俊青，王洪華.基于PLC控制的中央空調節能改造[J].中國教育技術裝備，2009（06）.

[3]肖麗萍，唐軍，李澤滔. 中央空調變頻調速節能控制的幾個問題[J]. 貴州科學，2012，02.

[4]杜濤，張軍，楊明.變頻節能技術在中央空調中的應用[J].化學工程與裝備，2011，（05）