变频器和PLC在中央空调中应用的研究

胡林辉

摘要：21世纪，随着科学技术日新月异，变频技术具有显著地节能降耗作用，已经广泛应用于空调中，但在实际的运用中也存在一些问题，造成能量的浪费。本文主要针对PLC及变频器在中央空调节能改造中的应用展开了探讨，对中央空调系统的运行和节能原理作了详细的阐述，并通过结合具体的工程实例，给出了一系列PLC及变频器在中央空调节能改造的措施，供同行参考。

关键词：PLC；变频；中央空调；节能

近几年，随着我国经济不断发展，在现代人的生活中，中央空调是不可或缺的重要电器，同时中央空调是现代建筑物中重要的电气设施之一，在现代大中型建筑物中中央空调已经是不可缺少的配套设施之一，由于其耗能非常大，约占建筑物总电能消耗的60%。而在中央空调节能改造中应用PLC及变频器，不仅可以大幅度节约电能和提高中央空调的自动化程度，还能使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点。因此，中央空调的节能改造都普遍倾向于应用PLC及变频器。

1、中央空调系统概述

当前而言，空调系统由水系统、空调机组、风系统、散热系统以及末端系统构成，制冷机经过压缩机把制冷剂压缩变为高压高温的气体，在传输到冷凝器中和冷却水实施热交换。冷却水变为高温水，水泵把高温水输送到散热系统再对其降温，和外界环节实行换热，把热量释放至空气中。制冷剂通过冷凝器转变为液态，经过节流阀降压后，在蒸发器中和冷冻水进行换热，冷冻水被降温后，水泵再把冷水运输到空调末端，为用户提供制冷功能。制冷剂蒸发转变为气态后被吸入压缩机，达到一个良好的循环。

2、中央空调节能改造原理

2.1 中央空调系统

众所周知，中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中，在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7℃）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12℃），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中，在冷却泵的作用下冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸热升温后（37℃）被送到冷却塔，经风扇散热后（32℃）再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得到动能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排出。如圖一所示。在中央空调系统设计中，冷冻泵、冷却泵的装机容量是取系统最大负荷再增加10%—20%余量作为设计安全系数。据统计，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%—24%，而在冷冻主机低负荷运行时，冷却水、冷冻水循环用电就达30%—40%。因此，实施对冷冻水和冷却水循环系统的能量自动控制是中央空调系统节能改造及自动控制的重要组成部分。

2.2 泵的特性分析与节能原理 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（n1/n2）2，n1=n2（n1/n2）3（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）。

调节流量的方法：

图1

由图1可见，曲线1是阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是额定转速时，泵的扬程特性。这时供水系统的工作点为A点：流量QA，扬程HA；由（1-2）式可知电动机轴功率与面积OQAAHA成正比。今欲将流量减少为QB，我们采用：阀门开度不变，降低转速的方法，这时扬程特性曲线如曲线4所示，工作点移至C点：流量为QB，但扬程为Hc，电动机的轴功率与面积OQBCHc成正比。如此看出，采用调节转速的方法调节流量，电动机所用的功率将大为减小，是一种能够显著节约能源的方法。

根据异步电动机原理：n=60f/p（1-s）（1-3）

3、工程实例

3.1 工程描述

某商贸大厦的中央空调水泵为一次泵，泵电机定速工作，回供水温差约为3℃，使用继电器控制水泵。系统各个设备详细信息见表1。

该大厦空调机组选型运算是根据极端天气和最差状态下设置的，有较大程度的宽裕，系统实际运行很少会在这种极端的情况下运行，通常一年中只有5天左右处于最大负荷状态。大厦原本使用的空调系统除了消耗能源较大外，还将引起一系列的问题，具体如下。

（1）水流量过大会引起系统温度差减弱，换热效率减小，使得机组工作条件恶化，损耗额外电能。

（2）水泵使用自耦变压器开启，电机开启式电流增大，对于供电系统带来严重干扰。

（3）通常泵启、停不是软停、启，在泵停、启时，将会产生水锤现象，对于零件阀门、网管、管道等形成一定程度的损坏。

为保证负荷波动和循环水流量相负荷，运用变频控制对于空调水系统实施节能改造，能够减少系统的能力耗损。首先其可以控制水泵的转速，使得水量伴随着负荷的改变相适应，进而节约能量；其次由于变频器的开启方式是软启动，电机在开启时没有冲击电流，如此可以预防水锤现象的产生，延长零件阀门、电机、管道的使用期限。

3.2 节能措施

按照大厦原有的空调运行状态，拟定大楼空调水循环节约能源的改造措施，具体方法如下。

冷冻泵功率为55kW，冷却泵功率79kW，空调机组功率大约在35%，因此对冷却水系统应该实施改造，在保障稳定可靠运行的状况下，获得较为明显的节能效果。

冷却水系统、冷冻水系统的控制都采取定温度差控制方法，温差控制适合使用于泵的恒流量更改，把冷却水、冷冻水的温差度控制在4.8℃左右。使用温度传感器测量回水温度和供水温度，把结果通过数模转变为数字量传输到PLC进行计算，按照计算结果数据监控变频器，进而监控水泵转速来调整水流量。假设回水温度和供水温度差较大，应该增强水泵频率，提升循环水流量；同样的回水、供水温差较小是应该减少水泵频率，降低循环水流量。

经过PLC设置冷却塔水温控制在30℃左右，PLC使用的实际温度和设置数据对比，但温差值上升3℃左右时，启动两台风机，温差值减少3℃时，延长五分钟后暂停两台风机，经过PLC程序完成电气和仪表的连锁监控，完成节能的最初目标。

系统水泵的转速都使用变频控制措施，正常运行时，水泵在40Hz左右變频运动。当变频控制系统产生故障时，应该启动原有的控制电路，使水泵定频运作。

3.3 变频器控制水泵步骤

PLC控制器经过温度模块和温度传感器收集实际温度仪表数据，把压缩机器的出水温度和回水温度输入PLC控制器内存中，PLC的相关计算系统出进水温差值。按照压缩机的出水温度和回水温度差值监控变频器的频率，进而控制变频电机的转速，调整出水量，合理调整热交换速度。温度差表示室内温度较高，系统负荷较小，可以有效减少冷冻泵的转速，降低冷冻水的循环流量和速度，经过PLC和变频器间的协同作用完成节能的目标。冷却水出水进水温差较大，表示压缩机负荷较大，需要冷却水带走大量的热量，增强冷却泵的转速，增加冷却水的循环量。温度差较小，表示压缩机负荷较小，需要带走的热量可以减少冷却泵的转速，降低冷却水，以达到节能的目的。

3.4 节能改造系统设计

以下一冷冻水泵为例子详细介绍节能改造方案的设计接触器KM3是其旁通接触器，连接后可以开启原水泵的控制电路，保障水泵定频运行。接触器KM1作为M1的变频接触器。两台水泵的接触器经过PLC实施控制，旁路接触器经过继电器控制，变频接触器和旁路接触器间有相关的电器互锁。

图2 控制系统功能结构图

控制系统的构造如图2所示，控制环节经过两个温度传感器测量出水温度和进水温度，检测结果经过A/D转变模板，把模拟量转变为数字量输送给PLC，PLC系统把数字量信息实行运算，计算结果经过调速D/A模板再次转变为模拟量，调整变频器的转速。进水出水温度差值较大，则应该提升水泵转速；温度差较小是，减少水泵转速，进而保障温度差维持在稳定状态，以达到节能的目标。

3.5 变频调整速率系统节约能源的评估

根据与离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表示水泵扬程；n表示为水泵转速。根据公式可知，频率和泵流量成正比关系，频率的平方和泵的扬程为正比关系，频率的三次方和水泵为正比关系。经过变频调速后，节能效果十分显著。所以，采取变频调速的方式来调整中央空调水系统流量有十分重要的意义。

4、结束语

综上所示，中央空调系统指的是对建筑和楼宇内的空气实施调节的系统，是目前现代建筑中必不可少的主要设备设施。但是其还存在一定的缺陷和不足，由于其耗电量较大，我们应该做好良好的节能改造工作。通过以上分析可以知道，本文通过分析PLC和变频器在中央空调节能改造中的运用实施探究，以期望对有关方面的需要提供参考借鉴。

参考文献：

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