变频器在中央空调中的应用.doc
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1、中国石油大学(华东)现代远程教育毕业设计(论文)题 目变频器在中央空调中的应用 学习中心:重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心 年级专业: 0409 电气工程及自动化 学生姓名: 李明杰 学 号: 0451480183 指导教师: 韩亚军 职 称: 讲师 导师单位: 重庆信息工程专修学院 中国石油大学(华东)远程与继续教育学院论文完成时间: 年 月 日中国石油大学(华东)现代远程教育毕业设计(论文)任务书发给学员 李明杰 1设计(论文)题目: 变频器在中央空调中的应用 2学生完成设计(论文)期限: 年 月 日至 年 月 日3设计(论文)课题要求:论文内容要充分反映本论文的主题,结构紧凑、鲜明、有条
2、理性,在充分利用主题背景的前提下说明论文的原理,在社会中的应用,以及现在存在的问题,和将来的发展趋势,与此同时要展望将来可能存在的问题和对未来的思考。4实验(上机、调研)部分要求内容:通过办公自动化进行编写文章的内容,应用绘图软件绘画系统的原理图和需要的图表,充分利用计算机的各方面知识对文章内容进行编写绘画。在文章编写完毕之后利用办公自动化中的格式、文件等工具进行编写和修改。5文献查阅要求:可以咨询或请教与本内容相关的任课教师,也可以到网上进行查阅,但要保证内容的客观实际性,要查阅与本论文密切相关方面的内容,不得照搬他人的文章或内容;同时要保证内容的质量。 6发 出 日 期: 年 月 日 7学
3、员完成日期: 年 月 日 指导教师签名: 学 生 签 名: 摘 要本文主要研究并阐述变频器在中央空调中的应用。由于以往中央空调很难实现平滑调速,同时为了提高工作效率,采用变频调速则可满足中央空调的需要,故中央空调采用变频调速已是大势所趋。本文通过介绍变频器和中央空调的原理阐述了中央空调系统的构成和工作原理以及中央空调的节能运行,说明了中央空调系统耗能成因和节能技术原理;同时通过变频器在中央空调中的四种控制模式,系统的分析了变频器在中央空调中的应用;第五节则具体说明变频器中央空调的节能运行,通过蚌埠铁道大酒店进一步说明变频器在中央空调中的应用和实现过程,通过变频器在中央空调中的各方面应用,具体说
4、明当今社会中央空调在变频器中的发展趋势,以及变频器中央空调存在的问题。关键词:变频器 中央空调 变频模式目 录摘 要i目 录ii第1章 前言1第2章 变频器在中央空调中的应用22.1中央空调概述22.2中央空调系统的构成与工作原理22.2.1中央空调系统构成22.2.2中央空调的工作原理42.3 中央空调的节能运行62.3.1 系统耗能成因分析62.3.2 变频器的节能原理72.3.3 节能技术原理82.3.4中央空调冷冻水节能控制92.4 中央空调变频模式112.4.1 变频器在普通中央空调中的节能变频模式实现112.4.2 变频器在中央空调水泵风机中的变频模式形式132.4.3 变频器在中
5、央空调集散式监控系统中的实现162.4.4 中央空调末端送风机的变频控制实现172.5变频器中央空调的节能与应用202.5.1变频调速节能原理202.5.2 变频器在中央空调系统中的节能改造应用212.5.3 变频器选型要点242.6 综合效益29第3章 结 论31致 谢32参考文献33第1章 前言在人们的日常生活中,经常需要对一些物理量进行控制,如空调系统的温度、供水系统的水压、通风系统的风量等,这些系统绝大多数是用交流电机驱动的。以前由于电机的转速无法方便调节,为了达到对上述物理量的控制,人们只好采用一些简单的,如用档板调节风量,用阀门来调节流量压力等,致使这些系统不仅达不到很好的调节效果
6、,而且大量的电能被档板和阀门白白浪费。据统计,我国使用的风机、水泵大约有25%的能量是无谓消耗。因此,国家经贸委于1994年下发了763号文件关于加强风机、水泵节能改造的意见,鼓励支持变频节能技术在各行各业推广使用。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调速器,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成进行调节的装置。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,我们可以真正方便地实现恒温空凋系统和恒压供水系统。第2章 变频器在中央空调中的应用2.1中央空调概
7、述随着社会的发展,中央空调应用的场合越来越广。例如:为保证产品质量,纺织厂要求有一定温度,纺线才不断;集成电路生产厂、医药厂、食品厂要有一定清洁度,才能生产出合格的产品;公寓、写字楼、宾馆、大型商厦等为了人员和工作环境的舒服,都采用了中央空调,集成供暖、供热冷。中央空调电动机一般为380V、15-55KW,由三相供电,也可单相输入、三相输入。作为建筑物重要的耗电设备,空调风机采用变频调试已是大趋势。采用转矩变频器,即可满足空调的需要,且可节电30%-60%,又延长空调的寿命。再加上温湿度传感器和微机闭环控制,成为现代化的空调室。而小型空调数量大,应用面广,多为单相电动机驱动,故效率低,又笨重。
8、后采用微型三相电动机,与相同功率单相电动机相比,体积和重量可减少为30%-50%。 2.2中央空调系统的构成与工作原理2.2.1中央空调系统构成中央空调应用越来越广泛,而使用变频器构成的空调系统由于功能丰富、操作简便、能耗小、成本低,越来越受到用户的关注。集中制冷、集中通风 ,压力温度双变量控制以变频器为核心的控制系统发挥出特殊的优越性。系统框图如图(2) 图21 中央空调系统 随着人们对生活和工作环境的要求越来越高,中央空调已广泛应用于生产及公用、民用建筑中。尤其是在宾馆酒店业,中央空调的应用更是广泛。中央空调系统主要由以下几个部分组成:I、冷冻机组:这是中央空调的“致冷源” ,通往各个房间
9、的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”,降温为“冷冻水”;2、冷却水塔:用于为冷冻机组提供“冷却水”;3、“外部热交换”系统:(I)冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送人冷冻水管道,在各房间内 进行热交换,带走房间内的热量,使房间内的温度下降。从冷冻机组流出、进人房间内的冷冻水简称为“出水”;流经所有的房间后回到冷冻机组的冷冻水简称为“同水”。(2)冷却水循环系统 由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换,使水温冷却的同时,必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收,使冷却水温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压人冷却塔,使之在冷却塔中与大气进行热交换
10、,然后再将降了温的冷却水送回到冷冻机组。如此不断循环,带走了冷冻机组释放的热量。流进冷冻机组的冷却水简称为“进水”;从冷冻机组流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。4、冷却风机:(I)室内风机安装于所有需要降温的房间内,用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹人房间,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。5、温度检测:通常使用热电阻,检测点在冷冻水、冷却水进出冷冻机组的出人口处。可以看出,中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转换过程。在这里,冷冻水和冷却水循环系统是能的主要传递者。因此,对冷冻水和冷却水循环系统的控制便是中央空调控
11、制系统的重要组成部分。2.2.2中央空调的工作原理采用设备中的风扇使室内空气循环,并通过设备中的冷、温水盘管来冷却和加热,以达到空调的目的。盘管中的冷、温水由机房中的制冷设备和锅炉提供。制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行交换,将冷冻水制冷,冷冻水泵将冷水送到各风机风口冷却盘中,由风机吹送冷风达到降温目的。经蒸发后的冷冻剂在冷凝器中释放出热量,与冷却循环水进行热交换,由冷却水泵将带来热量的冷却水泵到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却,与大气之间进行热交换,将热量散发到大气中去。其工作原理如图(22)所示。 图2中央空调工作原理1.普通中央空调工作原理(1)工作原理如(图
12、23)(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)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停止工作, 温度回升到一定值后又控制其运行。图23 普通中央空调工作原理2工作简述(1)中央空调启动后, 冷冻单元工作, 蒸发器吸收冷冻水中热量, 使之温度降低; 同时, 冷凝器释放热量使冷却水温度升高。(1)冷冻水、冷却
13、水循环泵不能根据实际需求来调整循环量, 电机工作效率低下, 造成大量电力浪费, 并加速机组磨损。(2)控制电器动作频繁, 导致使用寿命短, 维修量大; 而对于大容量系统, 传统的控制线路复杂,可靠性差, 需专人负责。 (3)整个系统运行噪音大, 控制性能差, 耗电量大, 使用寿命短; 在维护管理、检修调整方面工作量大、维护费高。 统的缺点是:设备配置较大,风机噪音大。当环境温度变化或冷、热负荷变化时,只能通过增减冷、温水循环泵数量或使用挡风板的方法来调节室内温度,既耗费能源又造成环境温度波动。 2.3 中央空调的节能运行2.3.1 系统耗能成因分析 众所周知,中央空调是所有建筑物中耗能最严重的
14、设备,其耗能占建筑的三分之一以上,有的甚至高达65。空调系统是按最大负荷来设计的,而目前还会再乘以个安全系数,所用设备的选择都是按最不利况来选型的,且在大部分时间内,系统都是部分负荷在运行,几乎所有的制冷主机都能够根据实际负荷的变化自动调整运行状况,而循环水泵的运行却是在工频(50Hz)状态下全功率运行,使整个系统处于能源利用率较低的高速运转状态,不但浪费大量电能,而目还带来设备磨损、缩短寿命等一系列问题。在酒店中央空调系统的设计就符合这些特征,这是相当不合理的,设计容量很大。从节能角度来看,冷冻、冷却水量也应做合理的调整。传统的水流量调节力度提高,设置电动两通阀或电动三通阀。虽然降低了系统的
15、流量,但是却大大增加了系统的压力,也就是增大了系统的管路阻力,把多余的能量消耗在系统管路上了。调节阀门时虽然流量减少,但是压力增加,并且效率降低,节能效果相当有限。2.3.2 变频器的节能原理 水泵为平方减转矩负载,即转矩与转速平方成正比TL=To+KTnL式中TL为转矩;TO为损耗转矩,所占比例较小,可忽略不计。流量与转速成正比Q=KQn1电动机的耗能功率与流量的立方(nL )成正比PL=P0+KpQ式中PO为损耗功率,可忽略不计。流量与转速成正比,所以轴功率与转速立方成正比。根据水泵的上性水泵配置变频装置,通过变频调节改变水泵的转速可达到节能的目的。但简单的变频处理往往不明显。近年来,随着
16、自动化控制技术的发展,电脑软件技术开发的日新月异,在中央空调节技术上已成功开发应用了模糊控制理论与变频技术相结合的智能控制设备,它能根据中央空调的末端负荷的变化和空调主机的制冷运行工况自动对循环水泵进行实时优化控制,自动调整水泵运行频率,使得系统水流量随空调负荷变化而同步变化,使水泵处于最佳节能工作状态,在保证末端负荷正常使用要求的前提下,达到降低电耗的目的。主要表现为当转速降低、流量减少时,功率P以立方关系递减。当实际负荷为设计负荷的80时,则流量的需求量为原来的80,水泵实际输出功率为设计功率的三次方,即51,节约能量为151=49。也就是说当流量为原来的80时,则功耗仅为原来的51,节约
17、49,而用调节阀时,仅节约5左右的能量。由 此可见,节能效果相当明显。2.3.3 节能技术原理 中央空调、电控系统组成、节能可行性分析大、中型中央空调由三部分组成:制冷制热站、空调水管网系统、空调末端装置(空调机组,风机盘管和新风机组等)。中央空调系统的耗能拖动设备主要有:冷水机组拖动系统(中央空调主机);冷冻泵拖动系统(由若干台水泵组成);冷却泵拖动系统(由若干台水泵组成);风机拖动系统(包括若干室内风机和若干冷却塔风机1。由于设计时,中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计,然而实际运行中。空调负荷的分布在一年之内是极不均衡的,设计负荷约占总运行时间的68,空调负荷的全年分布冷负荷率 7
18、5100 5075 255O 25占总运行时间 10 50 30 10百分数()注:引自美国制冷协会标准88056从表1空调负荷全年分布中可以看出绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下。存在较大的富余,并且由于其中的冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节,因此存在很大的浪费。中央空调节能就在于最大程度地消除这种浪费。中央空调电控系统由主机系统、冷冻水子系统、冷却水子系统等组成。中央空调冷冻水子系统变频调速的控制依据是:变速调节根据制冷机冷量负荷w、水泵流量Q、压力P、转速n和功率N问的关系:。改变水泵转速,使流量适驱动与传动,应冷量负荷变化的要求
19、。水泵效率-q1=q2=const;功率大幅度下降,节能效果显著。变频器能根据冷冻水泵负载变化随之调整水泵电机的转速,在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵作出相应调节以达到节能目的。水泵电机转速下降,电机从电网吸收的电能就会大大减少。其减少的功耗AP=P01(N1N0)3 (1)减少的流量Q=QO1一(NlN0) (2)其中N1为改变后的转速NO电机原来的转速,Po为原电机转速下的电机消耗功率,QO为原电机转速下所产生的水泵流量。由上式可以看出流量的减少与转速减少的一次方成正比,但功耗的减少却与转速减少的三次方成正比。如:假设原流为100个单位,耗能也为100个单位,如果转速降低1O个
20、单位,由(2)式Q=QO1一(N1NO)=100* 1一(90100)=10可得出流量改变了1O个单位,但功耗由(1)式AP=P01一(N1NOII31=100*1-(90100)31=271可以得出,功率将减少271个单位,即比原来减少271。再因变频器是软启动方式,采用变频器控制电机后,电机在起动时及运转过程中均无冲击电流。而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命最主要、最直接的因素,同时采用变频器控制电机后还可避免水垂现象,因此可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。 2.3.4中央空调冷冻水节能控制1系统原理及其结构框图 目前用户正使用的中央空调冷冻水系统,采用的是传
21、统单式泵变流量冷冻水系统,设计采用“一泵对一机”的方式,使通过冷水机组的水流量为定值。随着负荷的减少用户处的直通调节阀关小,供、回水总管的压差增大,压差控制器动作,使旁通调节阀逐渐打开,部分水流返回冷水机组;压差控制器同时使负荷侧调节阀动作,以恒定用户处直通调节阀前的压差。冷水机组也根据检测到的进出水温差进行制冷量调节。当供、回水总管的压差到达规定的上限值时水泵和冷水机组中停掉一台。反之,当用户负荷增大进,供、回水管的压差降低,旁通调节阀的开度减小,压差降至限定的下限值时,恢复一台冷水机组和一台水泵工作。这种调节方式不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象,不仅大量浪费电能,而
22、且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。为什么采用这种系统方式成为普遍现象,是基于通过冷水机组的水流量要恒定的观点产生。但我认为变频技术的发展,特别是国产变频器性能的逐步提高,产品价格的大幅下降,在合理控制范围内是能取得很好的节能效果。冷水机组的冷量调节一般为30一100,但水泵调速一般是减速问题。当采用变频调速时,原来按工频状态设计的泵与电机的运行参数均发生了较大的变化,另外如管路特性曲线等因素,都会对调速的范围产生一定影响。超范围调速则难以实现节能的目的。因此,变频调速不可能无限制调速。一般认为,变频调速不宜低于额定转速5O。并应结合冷水机组实际情况经计算确定,百分比最好处于75100
23、。最低75的调节比例对冷水机组的运行应该是安全地。该方案在保证最末端设备冷冻水流量供给的情况下,确定一个冷冻泵变频器工作的最小工作频率,将其设定为下限频率并锁定。变频冷冻水泵的频率调节是通过安装在冷冻水系统供回水主管上的压力传感器(6、7)检测冷冻水供水压力,检测到的压力传给楼控主机,再经过给定的压力设定值来进行PID运算,给出变频器的频率。变频器接收到楼控主机经过运算得出的频率后进行相应的频率调节。.2系统主要功能本系统实现了冷冻水泵系统的闭环控制功能,使变频控制和压差控制有机的结合在保证系统安全运行的前提下,取得最大的节能效果。由于现在使用的楼控系统已经集成了很好的人机操作介面和精确的计算
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