白 銀

（宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 宿州 234000）

引言

中央空調(diào)的系統(tǒng)如圖1 所示由冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、房間風(fēng)機(jī)盤(pán)管、壓縮機(jī)和冷凝器等組成[1]。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)如圖1 右半部分，在壓縮機(jī)的作用下，冷凍水經(jīng)過(guò)冷凝器和冷凍泵后水溫降低壓力增大，冷卻水經(jīng)過(guò)冷卻泵流入房間風(fēng)機(jī)盤(pán)管使房間溫度降低，之后流入冷凍機(jī)組完成冷凍水回路的一個(gè)周期。冷卻水循環(huán)工作示意圖如圖1 左半部分，機(jī)組釋放的熱量被冷卻水吸收使水溫增高然后再經(jīng)由冷卻泵流入冷卻塔，冷卻塔內(nèi)的冷卻水與大氣接觸后又使水溫降低流回冷凍機(jī)組，至此冷卻水回路的一個(gè)周期結(jié)束。

圖1 中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)工作過(guò)程示意圖

在氣溫最高、負(fù)載最大的情況下空調(diào)的最大負(fù)載能力會(huì)很充裕，但這情況出現(xiàn)的概率比較小。一般情況下空調(diào)設(shè)備在工作時(shí)大多都是在70%左右的負(fù)荷下。為了確保工作狀態(tài)的穩(wěn)定性和工作效率的高效性，在對(duì)冷氣需求量要求不高時(shí)空調(diào)系統(tǒng)可以根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)加載或卸載，但冷卻、冷凍水泵如果仍在強(qiáng)大的負(fù)荷下運(yùn)行會(huì)有很大的能量損耗且還會(huì)引起一些問(wèn)題和弊端。

循環(huán)水系統(tǒng)水流量太大不僅會(huì)導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)工作環(huán)境變得越來(lái)越差，還會(huì)使循環(huán)水的溫差降低，最主要的是主機(jī)交換熱量效率的大大降低可以避免不必要的電能損失，除此之外還會(huì)加大閥門(mén)上的能量損耗，因?yàn)槔鋮s冷凍水流量的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)整管道上的閥門(mén)開(kāi)關(guān)來(lái)控制的。由于啟動(dòng)電流大會(huì)引起供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定，所以水泵電機(jī)的啟動(dòng)采用星型—三角形降壓?jiǎn)?dòng)方式。

1 調(diào)速節(jié)能原理分析

中央空調(diào)節(jié)能的改造是融入了交流變頻技術(shù)，通過(guò)設(shè)置變頻器參數(shù)控制水泵工作。如圖2 所示為水泵的揚(yáng)程與流量的曲線圖，從圖中可以看到兩種狀態(tài)下?lián)P程與流量（H-Q）關(guān)系，一是調(diào)節(jié)閥門(mén)時(shí)揚(yáng)程與流量的關(guān)系，一是用變頻器調(diào)速時(shí)揚(yáng)程與流量的關(guān)系[2]。曲線1、2 分別為：泵在轉(zhuǎn)速v1、v2下的揚(yáng)程與流量特性圖，曲線3、4 分別為閥門(mén)關(guān)小和閥門(mén)正常時(shí)的管阻特性圖。

圖2 揚(yáng)程-流量（H-Q）的關(guān)系曲線

圖3 水泵主電路原理圖

水泵是一種平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，流量Q與轉(zhuǎn)速v的關(guān)為：Q1/Q2=v1/v2；揚(yáng)程H與轉(zhuǎn)速v的關(guān)系為：

由上式可知，水泵流量與轉(zhuǎn)速、水泵揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方都是正比關(guān)系。水泵被驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的軸功率P（kW）計(jì)算公式如下：

公式（1）中，P為電動(dòng)機(jī)的軸功率（kW），ρ為液體的密度（kg/m3），Q為流量（m3/s），g為重力加速度（m/s2），H為揚(yáng)程（m），vc為傳動(dòng)裝置效率，vf為泵的效率。

由上式可知，泵的軸功率與流量、揚(yáng)程成正比，因此泵的軸功率與其轉(zhuǎn)速的3 次方成正比，即：

2 節(jié)能技術(shù)方案分析

2.1 控制原理分析

在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中，PLC 通過(guò)溫度傳感器和模擬量模塊讀取出水、回水溫度，再由回水、出水的溫差值控制變頻器的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)水流量和控制交換熱量的速度的目的[3]。由于室內(nèi)溫度比較高時(shí)室內(nèi)溫差就會(huì)比較大此時(shí)需增大水泵的轉(zhuǎn)速，這樣可以通過(guò)加快冷凍水系統(tǒng)的循環(huán)速度來(lái)加快熱量交換的速度使得室溫下降。相反如果室內(nèi)溫度比較低時(shí)室內(nèi)溫差就會(huì)比較小此時(shí)需減小水泵的轉(zhuǎn)速，這樣可以通過(guò)減小冷凍水系統(tǒng)的循環(huán)速度來(lái)放慢熱量交換的速度，防止熱量流失做到節(jié)約用電。

和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)一樣冷卻水循環(huán)系統(tǒng)也通過(guò)溫度傳感器和模擬量模塊讀取進(jìn)出水溫度，再由進(jìn)、出水的溫差控制變頻器的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)水流量和控制交換熱量速度的目的[4]。在冷卻水系統(tǒng)中用進(jìn)、出水溫差來(lái)控制進(jìn)、出水的恒溫差，如果溫差大則機(jī)組產(chǎn)生的熱量多需提升水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)提高循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)速度以降低機(jī)組的熱量；相反如果溫差小則機(jī)組產(chǎn)生的熱量就少需通過(guò)降低水泵轉(zhuǎn)速來(lái)減慢循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)速度。

但是由于夏季天氣炎熱，用冷卻水出水和進(jìn)水的溫差進(jìn)行控制在一定程度上是不能滿足需求的，因此在氣溫高（即冷卻水進(jìn)水溫度高）的時(shí)候，使用冷卻水出水水溫來(lái)控制調(diào)速，在氣溫低時(shí)自動(dòng)返回溫差控制調(diào)速來(lái)達(dá)到最佳節(jié)能模式。

2.2 技術(shù)方案分析

根據(jù)上述的控制原理，采用PLC 技術(shù)和變頻器技術(shù)改造循環(huán)水系統(tǒng)可采用如下2 套節(jié)能技術(shù)方案[5]。

方案1：半變頻方案即正常運(yùn)行的2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)，1 臺(tái)工頻工作1 臺(tái)變頻工作并且可以輪流輪換工作如圖4 所示。其特點(diǎn)是可以節(jié)約投資費(fèi)用，但節(jié)能節(jié)電效果不如方案2 的全變頻運(yùn)行。

圖4 一臺(tái)工頻、一臺(tái)全變頻方案

方案2：全變頻方案即正常工作的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)均采用變頻工作方式，如圖5 所示，其特點(diǎn)是投資費(fèi)用略高，但節(jié)能效果十分明顯。

圖5 兩臺(tái)全變頻方案

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)系統(tǒng)整體控制要求設(shè)計(jì)的水泵主電路如圖5。其中一個(gè)回路由KM1、KM2 交流接觸器連接變頻器和水泵M1、M2，線圈得電時(shí)水泵的變速由變頻器控制；另一路KM3、KM4 交流接觸器直接控制水泵M1、M2。不論是變頻電路還是工頻電路相互之間必須有電器互鎖[7]保護(hù)。

控制電路連接兩個(gè)溫度傳感器進(jìn)行進(jìn)出水溫度采樣，再通過(guò)4AD 特殊功能模塊把采集的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給PLC 進(jìn)行運(yùn)算，把最終計(jì)算數(shù)值通過(guò)2DA 模擬量模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)（DC0～10V）來(lái)控制變頻器的轉(zhuǎn)速。進(jìn)出水的溫差與水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越大溫差越大，反之水泵轉(zhuǎn)速越小溫差越小，所以溫差可以始終保持在4.5 ℃到5 ℃之間[6]。

3.2 地址分配與變頻器參數(shù)設(shè)置

PLC 選用的是三菱FX2N 系列，PLC 與觸摸屏的軟元件分配表見(jiàn)表1。

表1 三菱PLC、觸摸屏軟元件分配表

變頻器選用的是三菱FR-E740-1.5K 型，其參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表2。

表2 變頻器參數(shù)設(shè)定

3.3 觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

使用MCGS 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)中央空調(diào)循環(huán)水節(jié)能系統(tǒng)的操作界面和監(jiān)視界面如圖6 所示，左圖是系統(tǒng)操作界面由10個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)組成，有手動(dòng)/自動(dòng)方式選擇開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)、停止開(kāi)關(guān)，電機(jī)選擇開(kāi)關(guān)，手動(dòng)加減速開(kāi)關(guān)，變頻器復(fù)位開(kāi)關(guān)和界面的切換開(kāi)關(guān)。右圖是系統(tǒng)監(jiān)視界面，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到進(jìn)出水溫度、溫差，運(yùn)行時(shí)間及報(bào)警信號(hào)。

圖6 中央空調(diào)循環(huán)水節(jié)能系統(tǒng)的組態(tài)界面

3.4 外部接線及調(diào)試

外部接線如圖7 所示。接好線后，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、程序輸入、連接好觸摸屏和PLC，然后分三步進(jìn)行調(diào)試即手動(dòng)調(diào)速調(diào)試、自動(dòng)調(diào)速調(diào)試和空載調(diào)試[8]。手動(dòng)調(diào)速需調(diào)節(jié)連接變頻器的模擬量模塊的零點(diǎn)和增益，把D1 000 的當(dāng)前值設(shè)置為2 400 或4 000 其相應(yīng)的輸出頻率值即為30 Hz 和50 Hz；增益設(shè)置使D1 000 每次增加或每次減少40 時(shí)觀察變頻器的輸出值，會(huì)發(fā)現(xiàn)頻率值相應(yīng)的向上或向下變化0.5 Hz。手動(dòng)調(diào)速完成后把2 個(gè)溫控傳感器放入不同溫度的水中進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速調(diào)試，觀察變頻器界面的輸出顯示結(jié)果，如果出水溫差變化與變頻器輸出的頻率值有出入就進(jìn)行進(jìn)出水溫度值修正?？蛰d即不接負(fù)載，分別在手動(dòng)和自動(dòng)調(diào)速情況下對(duì)可編程控制器、變頻器和特殊功能模塊進(jìn)行調(diào)試并觀察現(xiàn)象。

圖7 中央空調(diào)循環(huán)水節(jié)能系統(tǒng)的PLC 外部接線圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)調(diào)速節(jié)能分析、對(duì)技術(shù)方案的分析和計(jì)算比較最終設(shè)計(jì)了全變頻PLC 控制程序。技術(shù)改造后冷卻泵和冷凍泵的機(jī)械部件的磨損減少，使其使用壽命得到延長(zhǎng)，維護(hù)周期也得以延長(zhǎng)使得經(jīng)濟(jì)效益得到一定改善。變頻器技術(shù)的應(yīng)用降低了電動(dòng)機(jī)的噪聲和溫升使工作效率大大提高，其軟啟動(dòng)方式有效地抑制了啟動(dòng)電流并避免了水泵啟動(dòng)時(shí)由于電流太大對(duì)其他設(shè)備的沖擊，自動(dòng)化水平提高，故障率降低，提高了中央空調(diào)設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。