变频器在中央空调循环水中的应用.doc

****学院毕业设计（论文）

变频器在中央空调循环水中的应用

学 生：****
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专 业：****
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指导教师：****

***********学院
****年**月

四川理工学院毕业设计（论文）
摘 要

中央空调系统的冷负荷是随环境温度和使用面积的变化而改变的，而定流量水系统的水泵电机基本上是满负荷运行，这样就形成了大流量小温差的现象。
针对这种效率低，能耗大的情况，本文对变频器在中央空调循环水系统中的应用进行了分析和探讨，认为采用变频器控制循环水泵运行，使循环水的流量与冷负荷成正比例的变化，能收到良好的节能效果，经济效益显著。

关键词：中央空调；变频器；循环水泵；节能

- 1 -

ABSTRACT

The cooling load of central air-conditioning is changed along with the change of environmental temperature and the used area. The water pump electric machine of fixed flux water system is basically running full of load, phenomena of big flux and little difference in temperature are formed.
To resolve the condition of low efficiency and great energy consuming, the article have done some analysis and discussion for the use of frequency-converter in the central air conditioner circulation water system, and adopting frequency-converter to control the running of water circulating pump .so flux of circulation water is changed with the change of cooling load, and the change is direct proportion. We get good effect of energy saving and economic benefit is very prominent.

Key words: Center air conditioner；Frequency-converter；Water circulating pump；Energy saving

目录
目 录

摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 本课题研究的背景及实际意义 1
1.3 本课题的主要研究内容 2
第2章 变频器简介 3
2.1 变频器技术的发展 3
2.1.1 我国变频器技术的发展概况 3
2.1.2 国内变频技术的现状和发展前景 4
2.2 变频调速原理 5
2.2.1 变频器的概念 5
2.2.2 变频调速原理 6
2.3 变频器的基本类型 7
2.3.1 按变换环节分类 7
2.3.2 按电压的调制方式分类 7
2.3.3 按直流环节的储能方式分类 7
2.3.4 按照变频器的用途分类 8
2.4 交-直-交变频器的主电路 9
2.4.1 交-直部分 10
2.4.2 直-交部分 11
2.4.3制动单元和制动电阻 13
2.5 变频器的应用 13
第3章 中央空调系统组成及其工作原理 16
3.1 中央空调系统概述 16
3.2 中央空调系统的组成及工作原理 17
3.2.1 中央空调的组成部分 17
3.2.2 工作原理简述 18
3.3 中央空调控制系统现状 18
第4章 变频器在中央空调循环水中的应用方案设计 20
4.1 设计方案总述 20
4.2 循环水系统的变频控制方式 20
4.2.1 冷却水系统的控制方式 20
4.2.2 冷冻水系统的控制方式 22
4.2.3 温差控制方式的优点 23
4.2.4 采用温差控制方式需具备的基本条件 23
4.2.5 变频控制系统要实现的目标 24
4.3 热负载分析 24
4.4 中央空调循环水系统变流量控制系统设计 26
4.4.1 设计目标 26
4.4.2 控制方案框图及原理分析 27
4.5 技术实施 29
4.5.1 电气设备的配置 29
4.5.2 控制系统的电气原理 29

4.5.3 器件的选择 30
4.6 系统调试及应用 33
4.6.1 SB12S11变频器参数设置 33
4.6.2 DC220温差控制器的设置 34
4.6.3 系统的电气实现 36
4.7 节能效果分析 39
第5章 结束语 41
致 谢 42
参考文献 43

第1章 绪 论
1．1 引言
随着社会的进步，科技的迅猛发展，以及人们对生产过程的实现高效率，高精度控制的迫切要求，交流调速电气传动已经上升为电气调速传动的主流，而变频调速技术无疑是交流调速中应用最广的调速方式。它以其优异的调速性能、显著的节能效果和在国民经济各领域广泛的适用性而被国内外公认为是世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，是电气传动的发展方向。它为提高产品质量和产量，节约能源、降低消耗，提高企业经济效益提供了重要的新手段。
1.2 本课题研究的背景及实际意义[1]
随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房、体育馆等场所，用于保持整栋大厦的温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适节能，要求在能耗低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统也在通过改造以实现节能、舒适的目的。
据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中，仅水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的20～40%，存在巨大的能源浪费。采用新技术降低系统能耗成为当务之急。
传统的设计中，中央空调系统的容量基本是按照建筑物的最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足的余量。无论是季节、昼夜和用户负荷怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调体统运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用已经成为越来越多空调的经营管理者所关注的问题。
采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有及其重要的经济意义。寻找一种节能效果明显，性能稳定可靠的控制系统成为当务之急。
1.3 本课题的主要研究内容
本课题是以变频器的应用为基础，结合实际项目，对变频器在中央空调循环水系统中的应用进行研究，掌握变频器的选型要点，分析其节能效果，得出结论。
研究工作具体内容如下：
（1）通过理论学习，掌握变频器工作原理以及中央空调系统工作原理。
（2）分析中央空调系统耗能情况，得出其中循环水泵耗电量约占到整个空调系统总耗电量20～40%的结论，故对其进行节能改造，具有重要的经济意义。
（3）对中央空调循环水系统的变频改造进行理论分析，确认其控制方式是以出回水温差为依据对系统进行变流量控制。
（4）根据使用环境以及要求达到的效果并通过相关计算，合理的选择变频器等器件。
（5）节能改造完成之后，结合改造前后系统的耗能情况，分析其节能效果。
3

第2章 变频器简介
2.1 变频器技术的发展[2]
近年来，交流变频调速技术在我国有了突飞猛进的发展，变频调速在调速范围、调速精度、动态响应、低速转矩、通讯功能、智能控制、功率因数、节约电能、工作效率、使用方便等方面有着优异的性能，是其他的交流调速方式无法比拟的。它以体积小、重量轻、通用性强、适用范围广、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石化、医药、食品、纺织、印染、机械、电力、建材、造纸等行业的欢迎，使用变频器后经济效益和社会效益非常显著。
2.1.1 我国变频器技术的发展概况
随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显露出来。由于换向器的存在，使直流电机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。于是人们转向结构简单，运行可靠，便于维护，价格低廉的异步电动机。但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，直流调速一直以优异的性能统治电气传动领域。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术、控制技术和微电子技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美。目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。这10多年来，我国的变频器产业从无到有不断壮大，发展迅速。据统计，全国现有大大小小的变频器生产厂70多家，这只占全国变频器市场容量的小部分，80%~90%的国内市场被各种国外变频器所占领。回顾我国变频器的发展历程，结合我国国情开发出适应国内需求的产品，逐步扩大市场份额，是国人的期盼。
也正是在这种情况之下，市场竞争成就了国内几家大公司的崛起，如华为，森兰。作为国内最大的变频器制造商，森兰从做V/f控制的变频器开始，逐步完善和提高变频技术，通过多年的技术实践，积累和对国外先进技术的消化吸收，已经能够开发出具有先进水平转子磁链定向，磁通观测采用自校正算法的矢量控制变频器等。由此可见，尽管国内与国外变频技术上相比还有差距，但已经缩小了。
2.1.2 国内变频技术的现状和发展前景
国内已经有较多的变频器生产厂，但大部分的产品都是V/f控制和电压空间矢量控制变频器，使用在调速精度和动态性能要求不高负载上应该没有什么问题。工业应用中绝大部分都是这种负载，变频器在这种场合应用最重要的要求是可靠性，国产变频器占国内市场份额不高的主要原因是产品品质不是很好。V/f控制和电压空间矢量控制变频器比矢量控制变频器从技术上来看要简单得多，由于国内厂家大部分都是手工作坊式的生产，检测手段有限，品质的一致性和稳定性难以保证。同样是V/f控制的变频器，国外的产品比国内的产品品质要好，这可能是生产工艺方面的差距。差距最大的是半导体功率器件的制造业，前些年国内曾经有过生产厂家，生产的GTR不是很好，没有哪家用来装配变频器，这种厂家自然很快就消失了，至今半导体功率器件的制造业仍是一个空白。另外，国内变频器厂家变化太快。这是好事，也是坏事，不好的方面是使变频器技术的发展受到一定的损害。
变频器技术的另外一个层面是应用技术。多年来，国家经贸委一直会同国家有关部门致力于变频器技术的开发及推广应用，在技术开发，技术改造方面给予了重点扶持，组织了变频调速技术的评测推荐工作，并把推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向，同时鼓励单位开展同贷同还方式，抓开发，抓示范工程，抓推广应用。国家成立了风机，水泵节能中心，开展信息咨询和培训。据有关资料表明，我国变频调速技术应用已经取得了相当大的成绩，每年有数十亿元的销售额，就说明我国的变频器应用已非常广泛。从简单的手动控制到基于RS-485网络的多机控制，与计算机和PLC联网组成复杂的控制系统。在大型综合自动化系统，先进控制与优化技术，大型成套专用系统，如连铸连轧生产线，高速造纸生产线，电缆，光纤生产线，化纤生产线，建材生产线等，变频器的作用是电气传动控制，其控制的复杂性，控制精度和动态响应都有很高的要求，已经完全取代了直流调速技术。近年来，变频器在功能上，利用先进的控制理论上，使应用系统的构成更加方便和容易，使变频的应用技术提高到一个新的水平。随着变频技术的发展和市场竞争的加剧，要掌握市场的先机，必须重视研发技术，在资金和人力上给予大力支持，开发出具有自主知识产权特点鲜明的产品，不久后，我国生产的变频器在效能和品质上丝毫不会逊色于国外产品，变频器的国产化也将成为必然。
2.2 变频调速原理
2.2.1 变频器的概念
变频器的功用是将频率固定（通常为工频50HZ）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0~400HZ）的三相交流电源。
如图2-1所示，变频器的输入端（R、S、T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U、V、W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。

图2-1 变频器的接线图
功率范围： 0.75～500kW（大于此功率值建议选用高压电动机及高压变频器）。
频率范围： 0～400Hz(指通用变频器),0～120Hz(指水泵、风机用的变频器)。
电压范围： 0～380V（或440V、660V，指低压变频器）。

图2-2变频器在电路中的位置
2.2.2 变频调速原理
异步电动机旋转磁场的转速n。通常称为同步转速,由下式决定:
n。= 60f/p (2-1)
由上式可知,当频率f连续可调时,电动机的同步转速n。也连续可调。又因为异步电动机的转子转速nM 总是比同步转速n。略低一些。所以，当n。连续可调时，nM 也连续可调。
由于磁极对数p不同的异步电动机在相同频率时的转速时不同的，所以即使频率的调节范围相同，转速的调节范围也是各异的。电动机的转速调节范围如表2-1所示。
表2-1异步电动机转速调节范围
极数（2p）
同步转速（r/min）
额定转速（r/min）
频率范围（Hz
转速调节范围（r/min）
2
3000
2880
0.5～100
28.8～5760
4
1500
1440
0.5～100
14.4～2880
6
1000
960
0.5～100
9.6～1920
8
7500
720
0.5～100
7.2～1440
10
600
580
0.5～100
5.8～1160

２.３ 变频器的基本类型[1][3]
2.3.1 按变换环节分类
1.交-交变频器 把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下（0～＜fN/2），故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。
2.交-直-交变频器 先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此在频率的调节范围及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这一种。所以本文主要介绍的也就是交-直-交变频器。
2.3.2 按电压的调制方式分类
1.PAM(脉幅调制) 变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。
2.PWM（脉宽调制） 变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM）方式。
2.3.3 按直流环节的储能方式分类
1.电流型 直流环节的储能原件是电感线圈LF, 如图2-3a所示。
电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节来缓冲无功功率,即扼制电流的变化,使电流波形接近正弦波。由于该直流环节内阻较大，故将其称为电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的优点是能扼制负载电流频繁且急剧地变化，常应用于负载电流变化较大的场合，如用于频繁急加减速的大容量电动机的传动，以及大容量风机、泵类的节能调速等。

a）电流型 b）电压型
图2-3电流型与电压型的储能方式

2.电压型 直流环节的储能元件是电容器CF, 如图2-3b所示。
在电压型变频器中，整流电路产生的直流电压，通过电容进行滤波后供给逆变电路。由于采用大电容滤波，故输出电压波形比较平直，在理想情况下可以看成一个内阻为零的电压源，逆变电路输出的电压为矩形波或阶梯波。电压型变频器常用于负载电压变化较大的场合，比如用于不要求正反转或快速加减速的通用变频器中。
2.3.4 按照变频器的用途分类
1.通用变频器 通用变频器的特点是可以对普通的异步电动机进行调速控制。通用变频器可以分为低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器两种类型。
简易型通用变频器是一种节能为主要目的而减少了一些系统功能的通用变频器。它主要用于水泵、风扇、鼓风机等对于系统的调速性能要求不高的场所，并具有体积小和价格低等方面的优点。
高性能多功能通用变频器为了满足应用中可能出现的各种需要，在系统硬件和软件方面都做了许多工作。在使用时，用户可以根据负载特性选择算法，并对变频器的各种参数进行设定，也可以根据系统的需要，选择生产厂家所提供的各种选件来满足系统的特殊需要。高性能多功能变频器除了可以应用于简易型变频器的所有应用领域外，还广泛应用与传送带、升降装置以及各种机床、电动车辆等对调速系统的性能和功能有较高要求的场合。
2.高性能专用变频器 随着电力电子技术和交流调速控制理论的发展，异步电动机的矢量控制方式得到重视。采用矢量控制方式的高性能变频器和变频器专用电动机所组成的调速系统在性能上已经达到和超过了直流伺服系统。
3.高频变频器 在超精密加工和高性能机械区域中，常常要用到高速电动机。为此，出现了采用PAM控制方式的高速电动机驱动用变频器。其输出频率可以达到3kHz，所以，在驱动两极异步电动机时，电动机的最高转速可以达到180000r/min。
4.单相变频器和三相变频器 与单相交流电动机和三相交流电动机相对应，变频器也分为单相变频器和三相变频器。两者的工作原理相同，但电路的结构不同。
2.4 交-直-交变频器的主电路
交-直-交变频器的主电路如图2-4所示。

图2-4 交-直-交变频器的主电路
2.4.1 交-直部分
1．整流管VD1~VD6 VD1~ VD6组成三相整流桥，将电源的三相交流电整流成直流电。
如电源的线电压为UL,则整流后平均直流电压UD的大小是：
UD =1.35UL （2-2）
我国三相电源的线电压为380V，故整流后的平均电压是：
UD=1.35×380V=513V （2-3） 2. 滤波电容器CF 其功能是：
(1)滤平全波整流后的电压纹波；
(2)当负载变化时，使直流电压保持平稳。
由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，如图2-4中的CF1和CF2。因为电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组CF1和CF2的电容量常不能完全相等，这将使它们承受电压UD1和UD2不相等。为了使UD1和UD2相等，在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的均压电阻RC1和RC2。
3. 限流电阻RL与开关SL 当变频器刚合上电源的瞬间，滤波电容器CF的充电电流是很大的，过大的冲击电流将可能使三相整流桥的二极管损坏。为了减小冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻RL，其作用是将电容器CF的充电电流限制在允许范围内。
开关SL的功能是：当CF充电到一定程度时，令SL接通将RL短路掉。
许多新系列的变频器里，SL已由晶闸管代替，如图中所示。
4．电源指示HL HL除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。
由于CF的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以CF没有快速放电的回路，其放电时间往往长达数分钟。又由于CF上的电压较高，如不放完，对人身安全将构成威胁。故在维修变频器的时候，必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。
2.4.2 直-交部分
1.逆变管V1～V6 V1～V6组成逆变桥，其电路结构如图2-5a所示，各逆变管的工作情况如图2-5b所示，阴影部分为各逆变管的导通时间。
a）电路结构图 b）各管的通断安排
图2-5 逆变桥结构及工作原理示意图
逆变桥的输出线电压：
（1）U、V之间(uUV)
1）在t1、t2时间内，V1、V6同时导通，U为“+”、V为“uUV为“+”,且Um=UD。
2）在t4、t5时间内，V4、V3同时导通，U为“-”、V为“+”，uUV为“-”,且Um=UD。
（2）V、W之间（uVW）
1）在t3、t4时间内，V3、V2同时导通，V为“+”、W为“-”，uVW为“+”，Um=UD。
2）在t6、t1时间内，V6、V5同时导通，V为“-”、W为“+”，uVW为“-”，Um=UD。
（3）W、U之间(uWU)
1) 在t5、t6时间内，V5、V4同时导通，W为“+”，U为“-”，uWU为“+”，Um=UD。
2）在t2、t3时间内，V1、V2同时导通，W为“-”，U为“+”，uWU为“-Um=UD。
uUV、uVW、uWU的波形如图2-6所示，由图可知，三者之间的相位互差2π/3 ，它们的振幅值都与直流电压UD相等。只要按照一定的规律来控制六个逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。而逆变后的电流频率，则可以在上述导通规律不变的前提下，通过改变控制信号的变化周期来进行调节。

图2-6 三相逆变桥的输出电压波形
逆变部分是变频器实现变频的具体执行环节，因而是变频器的核心部分。当前常用的逆变管有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力晶体管（GTR）、门极关断晶闸管（GTO）以及电力MOS场效应晶体管（MOSFET）等。
2.续流二极管VD7～VD12 其主要功能有：
（1）电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。VD7～VD12为无功电流返回直流电源时提供“通道”。
（2）当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过VD7～VD12整流后返回给直流电路。
（3）V1～V6 进行逆变的基本工作过程是:同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换向过程中，也不时地需要VD7～VD12提供通路。
2.4.3 制动单元和制动电阻
1.制动单元VB 制动单元VB由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其功能是为放电电流IB流经RB提供通路。
2.制动电阻RB 电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压UD不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，是UD保持在允许范围内。制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。
2.5 变频器的应用[4]
变频器和异步电动机相结合，可实现对生产机械的调速传动控制，简称变频器传动。变频器传动具有固定的优势，应用到不同的生产机械或设备上可体现出不同的功能，达到不同的目的。变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，它的应用优势主要体现在以下几点。
1.变频器在节能方面的应用
风机、泵类负载采用变频调速后，节电率可以达到20%～60%，这是因为风机、泵类负载的耗电功率基本与转速的三次方成比例。当用户需要的平均流量较小时，风机、泵类采用变频调速使其转速降低，节能效果非常可观。而传统的风机、泵类采用挡板和阀门进行流量调节，电动机转速基本不变，耗电功率变化不大。据统计，风机、泵类电动机用电量占全国用电量的31%，占工业用电量的50%。在此类负载上使用变频器具有非常重要的意义。以节能为目的的变频器的应用，在最近十几年来发展非常迅速，据有关方面统计，我国已经进行变频调速改造的风机、泵类负载的容量约占总容量的5%以上，年节电约4×1010KW·h。由于风机、水泵、压缩机在采用变频调速后，可以节省大量电能，所需的投资在较短时间内就可以收回，因此，在这一领域中变频调速应用的最多。目前应用较成功的有恒压供水、各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。特别值得指出的是在中央空调中的应用，中央空调冷却塔风机，以及冷冻水泵、冷却水泵采用变频调速控制后，不仅能节省大量的电能，而且能降低噪声污染，延长了设备的使用寿命，本文将专门在后面的章节中分析变频器在中央空调循环水泵中的节能应用。
2.变频器在提高工艺水平和产品质量方面的应用
变频器广泛应用与传送、起重、挤压和机床等各种机械设备控制领域，它可以提高工艺水平和产品质量，减少设备的冲击和噪声，延长设备的使用寿命。采用变频调速控制后，使机械系统简化，操作和控制更加方便，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备的功能。例如，纺织和许多行业用的定型机，机内温度是靠改变送入热风的多少来调节的。输送热风通常用的是循环风机，由于风机速度不变，送入热风的多少只有用风门来调节。如果风门调节失灵或调节不当就会造成定型机失控，从而影响成品质量。循环风机高速起动，传送带与轴承之间磨损非常厉害，使传送带变成了一种易耗品。在采用变频调速后，温度调节可以通过变频器自动调节风机的速度来实现，解决了产品的质量问题；此外，变频器很方便地实现风机在低频低速下的启动问题，减少了传送带与轴承的磨损，延长了设备的寿命，同时达到良好的节能效果。
3.变频器在改善和适应环境方面的应用
变频器在改善和适应环境方面的应用主要体现在以下两个方面：
（1）对环境的适应性
有爆炸危险性的气体和可燃性溶剂的生产设备，其传动应采用防爆电动机，其他易燃、易爆场合的传动也应如此。在这些场合选用笼型异步电动机制成防爆结构，再配以变频器构成交流变频器调速系统，可实现宽范围平滑调速且运行可靠。有腐蚀气体的场合、户外、极度潮湿的场合或潜水电机的调速传动，一般都采用各种特殊型号的笼型异步电动机。
（2）静音化
新一代的通用PWM式变频器，其逆变电路的开关器件已由IGBT（或MOSFET）取代了老式的GTR，将载波频率提高到10～15kHz，极大地降低了噪音，电动机的运行声音已接近于接在工频电网上的运行情况，即变频器的传动实现了“静音化”
39

第3章 中央空调系统组成及其工作原理
3.1 中央空调系统概述
中央空调是由中央空调主机和中央空调末端组成的空气调节系统，是由中央空调主机提供冷源给空调末端设备，由末端设备对室内空气（温度、湿度、气流组织和洁净度）进行处理的机械系统。中央空调与人们所熟悉的家用空调不同，它具有更大的空气温度和空气品质调节能力。随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、体育馆等场所，以提高人们生活和工作环境的舒适度，而且还广泛应用于化工、医药、纺织、烟草、钢铁等工业生产领域，以满足为提高产品质量及改善生产工艺、工序的需要。
中央空调系统的组成框图如图3-1所示。

图3-1中央空调系统组成框图

3.2 中央空调系统的组成及工作原理
3.2.1 中央空调的组成部分
（1）冷冻主机
冷冻主机也称为制冷装置，是中央空调的“制冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。
（2）冷却塔
冷冻主机在制冷过程中，必然会释放热量，使机组发热。冷却塔用于为冷冻主机提供“冷却水”。冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。
（3）冷冻水循环系统
由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送人冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的冷冻水流经冷冻主机后又成为冷冻水，如此循环往复。
这里，冷冻主机是冷冻水的“源”；从冷冻主机流出的水称为“出水”；经各楼层房间后流回冷冻主机的水称为“回水”。
（4）冷却水循环系统
由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷却水在吸收冷冻主机释放的热量后，必将使自身的温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷冻主机。如此不断循环，带走了冷冻主机释放的热量。
这里，冷冻主机是冷却水的冷却对象是“负载”，故流进冷冻主机的冷却水称为“进水”；从冷冻主机流回冷却塔的冷却水称为“回水”。回水的温度高
于进水的温度，以形成温差。
（5）冷却风机 有两种不同用途的冷却风机：
1）盘管风机 安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水盘管冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换。
2）冷却塔风机 用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。
3.2.2 工作原理简述
（1）中央空调启动后，冷冻主机工作，蒸发器吸收冷冻水中的热量，使之温度降低；同时，冷凝器释放热量使冷却水温度升高。
（2）降了温的冷冻水通过冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个房间由室内风机加速进行热交换，带走房间内的热量使房间内的温度降低后，又流回冷冻水端。
（3）而升了温的冷却水通过冷却泵压入冷却塔，由冷却塔风机加速将冷却水中的热量散发到大气中，使水温降低后，流回冷却水端。
（4）冷冻机组工作一段时间后，达到设定温度，由温度传感器检测出来，并通过中间继电器及接触器控制冷冻机组停止工作，温度回升到一定值后又控制其运行。
3.3 中央空调控制系统现状
中央空调作为一个耗能量巨大的系统，对其设计一个良好的控制系统，不仅能在运行当中给用户带来方便，而且也能节省因能耗浪费而造成的大量经济损失。在将变频器用于中央空调控制系统改造之前，由于电机的转速无法方便调节，为了达到对空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量的控制，人们采用一些简单的传统方法，如用挡板调节风量，用阀门来调节流量压力及选择开启台数等。还有种方法采用人工设定的钟控装置控制中央空调系统，使系统定时启动和定时关闭，这种方法与将水泵长时间全开相比有一定优势，但空调运行时的能耗并不会降低。这些控制方法不仅达不到很好的调节效果，而且大量的电能被挡板和阀门白白浪费。据统计，目前我国的中央空调中使用的风机、水泵大约有25%的能量是无谓消耗。
中央空调系统的控制方法中主要存在着以下问题:
（l)无法满足空调负荷变化的不均匀性。在中央空调设计过程中为保证能在大气温度最高、需冷量最大的情况下满足使用要求，所以按最大负荷设计并留有30%左右的裕量，平时使用时并不能达到满负荷，所以存在较大裕度。现在的新型制冷主机可以根据负载变化自动加载、卸载，而水泵的流量却不能随制冷风机而调节，必然存在很大的能量浪费。除此之外，每年的气象条件是随季节呈周期性变化的，系统并不能做出相应的调节。
（2)循环水系统中通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，存在较大节流损失。不仅浪费大量电能，而且还可能造成空调运行大幅度偏离额定设计的情形，对系统设备带来不利的影响。
3)通过水泵开启台数的控制，造成电机起停频繁，对设备长期安全运行带来不利影响。起动电流通常为额定值的5倍左右，电机在如此大的电流冲击下，进行频繁的起停，对电机、接触器触点、空气开关触点产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，起动时带来的机械冲击也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤。另外，根据交流电机的特性，要实现连续平滑的速度调节，最佳的方法就是采用变频器调速，变频器是将标准的交流电转成频率、电压可变的交流电，供给电机并能对电机转速进行调节的装置。采用变频器进行风机、水泵的节能改造，不仅避免了由于采用挡板或阀门造成的电能浪费，而且还会极大提高控制和调节的精度，从而方便地实现恒温空调系统和恒压供水系统。
在近年来出现了一些对中央空调系统实施变频改造的项目，取得不错的节能效果。而如何采用更先进的控制方法实现系统更加节能更加高效的运行值得进一步研究。
设计优良的控制系统要能在各种供冷负荷条件下高效运行，水泵、风机等的流量可以随着负荷变化而自动调节变化，使室温保持稳定。而更重要的是能给投资者带来良好的投资回报。
第4章 变频器在中央空调循环水中的应用方案设计
中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中，循环水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的20～40%，而其中存在巨大的能源浪费。通过对其进行变频节能改造，能有效提高节能效率，挽回因能耗浪费造成的经济损失。
4.1 设计方案总述
中央空调循环水系统节能改造主要是针对系统中的冷冻水泵、冷却水泵进行变频调速改造。其方案主要包括设计一套中央空调循环水变流量控制系统，并作节能分析。主要项目内容及设计方案如下：
表4-1主要工程项目内容及设计方案
改 造
项 目
采用产品技术

产品数量及技术要求
预 计
效 果
中央空调循环水系统
变流量控制系统
变流量控制系统设置2台11KW变频控制系统，分别控制3台11KW冷冻泵，３台11KW冷却泵；并通过中间继电器实现水泵在变频与工频运行间的相互切换。
项目节电率为20%~40%
中央空调循环水变流量控制系统，是将整个中央空调系统从节能、高效、环保、健康、安全、管理等方面进行全面综合考虑，把科学的节能理念和方法与成熟的检测技术、变频技术及其相应产品进行融合，形成的一个完整的节能与管理体系。
4.2 循环水系统的变频控制方式
4.2.1 冷却水系统的控制方式
冷却水系统在实现变频调速时，主要有两种控制方式：
1.温度控制 即根据回水温度进行控制。
（1）如果回水温度太高，将影响冷冻主机的冷却效果。为了保护冷冻主机，当回水的温度超过一定值后，整个空调系统必须进行保护性跳闸。一般规定，回水温度不得超过37 oC。因此，根据回水温度来决定冷却水的流量是可取的。
（2）当回水温度升高时，冷却泵的转速也逐渐升高，加大冷却水的流量，以保证散热效果。当回水温度升高到某一设定值（如35 oC）时，应该采取进一步措施，或增加冷却泵的运行台数，或增加冷却塔冷却风机的运行台数。

（3）当进水和回水温度低时，可降低冷却泵的转速，已增加节能效果。但即使进水和回水的温度很低，也不允许冷却水断流。因此，在实行变频调速时，应预置一个下限工作频率。
2. 温差控制
（1）控制要点 即根据冷却回水温度tB和冷却进水温度t1只差来进行控制。因为冷冻主机的发热程度是随负载轻重而有所变化的，加以冷却水的进水温度又并不稳定，所以用温差控制是更为合理的。温差大，说明冷冻主机发热比较严重，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的流量，从而加快带走热量的速度，以保证对冷冻主机的冷却效果；反之，温差小，说明冷冻主机发热并不严重，可适当降低冷却泵的转速，减小冷却水的流量，以增加节能效果。
（2