基于控制的变频调速技术在中央空调系统中的应用郁俊的论文.doc

11 毕业设计（论文）设计（论文）题目：基于PLC控制的变频调速技术在中央空调系统中的应用 学 院： 天津大学网络教育学院 专业班级： 机械设计及其自动化 学生姓名： 郁俊 指导教师： 2012年 9 月 1 日 目 录摘要1第一章 引言1.1 课题的来源选题的目的及意义21.2 本课题在国内外的现状及发展趋势3第二章 中央空调的工作原理42.1 基本结构52.2 水泵的变频节能原理52.3 水泵的变频节能方案5第三章 变频器在空调中的应用63.1 变频技术介绍63.2 交流变频和直流变频的区别73.3 直流变频85. 总结96参考文献10摘 要 本论文在分析和比较了国内外中央空调自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结合变频调速在中央空调系统中的工作原理与我国城市中央空调的需求现状，设计了一套以变频调速技术为基础的中央空调冷冻泵自动控制系统。该系统综合运用软启动器、变频调速技术以及自动控制技术，通过调节水泵电机的供电频率，控制电机转速以调节流量实现了中央空调恒温参数的自动控制，保证了中央空调系统随时维持在最佳运行状况。基于变频器为主体构成的中央空调冷冻泵系统不仅能够最大程度满足需要，也提高了整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的中央空调控制系统。随着变频器的飞速发展，高度智能化，系列标准化是未来中央空调设备适应恒温调度和整体规划要求的必然趋势。关键词：变频冰箱,压缩机,无刷直流电动机17第一章 引言1.1论文研究背景及意义随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，各种大型建筑在我们国家越来越普遍，其中一般都安有中央空调系统，用于保持整栋大厦温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出的要求就是舒适和节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让居住者感觉最舒适。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在进行改造来实现节能、舒适的目的。据统计，中央空调的用电量占各类大型建筑总用电量的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，而世界正在提倡节能减排，因此采用新技术降低系统能耗和减轻空调系统向外界所释放的能量就成为当务之急。在传统的设计中，中央空调的制冷/制热机组、冷冻水/冷温水泵、冷却水泵、冷却塔风机的容量基本是按照建筑物最大制冷/制热负荷的需求来选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，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，造成中央空调系统运行费用上升，因此如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多的中央空调系统经营管理者所关注的题。因此采用变频调速技术节约低负荷时主机系统和水泵、风机系统的电能消耗，还对空调系统所释放的能量进行回收利用，具有极其重要的经济和社会意义，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，因而中央空调的节能改造便成必然。本论文对中央空调实施改造，达到能耗最低，节能减排的目的，使整个中央空调系统处于最佳运行状态，中央空调进行节能技术改造后，系统具有综合节能率在30%以上的显著的节能效果外，其加权减排量也达30%以上，由于节能系统采用一台变频器分别控制多台水泵的运行方案，每台水泵都是可以实现软启动：每台水泵可任意切换，既可以在工频状态下运行，也可以在变频状态下运行。系统根据冷却水流量需求，自动进行泵起/停切换。采用软启动，还大大降低对空调设备和电网的冲击，延长了中央空调系统的使用寿命。引入软启动，不会影响启动时的制冷效果，因为软启动时间仅为数秒即可完成，避免了启动瞬间的电流（该电流为倍工作电流）对电机和电网带来的冲击，另外由于空调冷水系统的闭环控制和自动调节，还可大大改善空调的舒适性。系统采用温差闭环控制，使空调系统更具舒适性。节能系统具有短路、过流、接地等保护功能，提高系统的安全可靠。综上所述，本课题的研究意义在于：1.通过对中央空调系统的节能措施的研究，可以避免不合理的低效用能，降低了空调系统的能耗，提高了能源的利用率，对于解决当前电力供需矛盾，提高电网的负荷率和发电设备及输电设施利用率，保证电力系统安全运行。减小国家的电力投资等也具有重要的意义。2.对中央空调系统中的冷却水实施回收利用，将其输入到集中供应的卫生热水系统中，利用有源热泵机组提升水温，增设动态管理的储热循环装置，降低了中央空调系统向外界释放的热量，整个系统既可以节能，也减少了对环境的污染。 3、变频调速技术在空调系统中的应用针对社会发展中出现的热点和难点问题选题研究，现如今的社会，讲究环保、节能、可持续发展，如何在给人类提供方便舒适的生活环境下而尽量的节约能源成为了社会的热点话题，空调是现代化楼宇中不可缺少的一部分，随着我国经济的不断发展和城市化进程的不断推进，中央空调的应用会越来越广泛。但是中央空调的能耗非常大，约占整个建筑总用电量的60%-70%。对中央空调系统的节能研究、节能改造显得尤为重要。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，并且留10-20设计余量，然而实际上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，所以节能的潜力就较大。1其中，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，存在很大的浪费。水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，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，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。再因水泵采用的是Y-起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的34倍，一台90KW的电动机其起动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水垂现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。综上，为了节约能源和费用，需对水泵系统进行改造，经市场调查与了解采用成熟的变频器来实现，以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却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和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。1.2. 国内外的现状及发展趋势1.2.1在国内外的现状 中央空调在正常运行时，需要根据室内外的工作环境温度、使用空调的空间大小和设定的温度、冷却水温度的变化量等变量的变化，不断调整自身的运行状况，从而实现既能保证空调的舒适性又能尽量降低能耗的双重目标。故此，中央空调的控制系统对于一个空调的性能起了至关重要的作用。 大部分中央空调的冷水机组基本都是由人工设定的钟控装置控制，系统定时启动和定时关闭，每天长时间全开或者全关，轮流运行，这样对电网频繁的冲击，不仅恒温效果不佳，让人感到不舒适，同时也浪费了大量的电能，工程设计人员进行空调系统节能控制方面的研究，在目前应用的系统中往往偏重于设备的运行控制管理办法，具体的控制方法上，基本采用PID控制，具有一定的鲁棒性，因为得到了广泛的应用2。1.2.2国内外的发展趋势变频节能空调近几年来成为我国空调市场上的新宠，拥有变频调速系统的中央空调能够通过温度反馈改变电机的转速使制冷量和环境达到一个平衡，具有更节能、更舒适、更环保的特点。变频空调在日本的市场占有率已超过90%以上，在欧美等发达国家的市场占有率也超过50%。2009冷年以来，变频空调在我国国内市场的发展更是日新月异，销售增速达56.24,销量已占空调总销量的17.33。据有关专家预测,2010冷冻年度变频空调市场份额有望达25。据统计，我国电动机装机总容量约4亿多KW，其用电量占当年全国发电量的60%70%，而风机、水泵设备装机总功率达1.6亿KW，年耗电量3200KWh，约占当年全国电力消耗总量的1/3。而应用变频器节电率一般在20%60%，投资回收期13年，经济效益相当可观。所以大力推广应用变频调速技术不仅是当前推进企业节能降耗、提高产品质量重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。第二章 中央空调工作原理中央空调系统的组成框图如图2-1所示。由图2-1可以看出，中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成，即冷却水循环系统和冷冻水循环系统，压缩机（图1-2）不断地从蒸发器中抽取制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中，制冷剂和冷却水在冷凝器中进行热交换，制冷剂放热后变为高压液体，通过热力膨胀阀后，液态制冷剂压力急剧下降，变为低压液态制冷剂后进入蒸发器，在蒸发器中，低压液态制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量，冷冻水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的，温度升高了的循环水回到冷冻主机又成为了冷冻水，而变为低压蒸汽的制冷剂，在通过回气管重新吸入压缩机，开始新的一轮制冷循环。而冷却水在与制冷剂完成热交换之后，由冷却水泵加压，通过冷却水管道到达散热塔与外界进行热交换，降温后的冷却水重新流入冷冻主机开始下一轮的循环图1-1 中央空调冷水机组系统组成图1-2 制冷压缩机系统的原理图 2.1 基本结构由图1-1可以看出，中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成，即冷却水循环系统和冷冻水循环系统，压缩机（图1-2）不断地从蒸发器中抽取制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中，制冷剂和冷却水在冷凝器中进行热交换，制冷剂放热后变为高压液体，通过热力膨胀阀后，液态制冷剂压力急剧下降，变为低压液态制冷剂后进入蒸发器，在蒸发器中，低压液态制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量，冷冻水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的，温度升高了的循环水回到冷冻主机又成为了冷冻水，而变为低压蒸汽的制冷剂，在通过回气管重新吸入压缩机，开始新的一轮制冷循环。吧而冷却水在与制冷剂完成热交换之后，由冷却水泵加压，通过冷却水管道到达散热塔与外界进行热交换，降温后的冷却水重新流入冷冻主机开始下一轮的循环。2.2水泵的变频节能原理中央空调进行热交换的大小由冷冻水的流量控制，通常采用的流量控制方法有阀门控制和调述控制4。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量，如果采用调速控制，冷冻水的流量由冷冻泵电机的转速决定，电机的耗电量决定于电机的输出功率，输出功率与电机转速的立方成正比，而电机转速与供电频率成正比，所以电机转速稍有下降，即稍微降低供电频率，输出功率将大幅度下降，若电机转速能根据实际所需的热交换量来调整，电机的功率将大大减少，从而显著节约电能。2.3水泵的变频节能改造方案3.3.1节能改造方案选择 （a）冷却水系统 （b）冷冻水系统图1-3 循环水系统 冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成了冷却水循环系统。冷冻主机在进行热交换、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机组。回水的温度将高于进水的温度，形成温差，所以对于冷却泵，通过检测进水和回水的温度差来实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，可以提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。从冷冻主机流出的冷冻水流经所有的房间后回到冷冻主机。无疑，回水的温度将高于出水的温度，形成温差。出水管和回水管上装有检测温度的变送器。与PLC和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制泵的转速也是可行的，回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度。5反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。变频控制原理图如图1-4所示6。图1-4 中央空调变频控制原理图调速系统的控制依据2.3.1通过温差控制中央空调系统的外部热交换由两个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进（出）水温度之差，反映了需要进行热交换的热量，因此根据回水与进（出）水温度之差来控制循环水的流动速度，可以控制系统热交换的速度。由于冷却塔的水量是随环境温度而变的，其单侧水温不能准确反映冷冻机内产生热量的多少，所以对于冷却泵，以进水回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水的恒温差控制也是合理的，温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。2.3.2 控制系统检测冷却水回水温度组成闭环控制系统,如图2-6所示。PIDM 水泵变频器频率指令xxf温度传感器给定xt图2-6 PID调节的闭环控制系统示意图该方案如图2-7所示，其在保证冷却塔有一定的冷却水的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量，当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量，从而保证中央空调机组正常工作的前提下达到节能的目的。图2-7冷却水系统控制方案图(1)制冷模式下冷却水系统的闭环控制该方案在保证末端设备冷却水流量供给的情况下，确定一个冷却水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。变频器冷却水泵的频率调节是通过安装在冷却水系统回水主管上的温度传感器检测冷冻水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减来实现，控制方式是：冷却回水温度大于设定温度时，频率无级上调。 (2)制热模式下冷却水系统的闭环控制该模式是在中央空调中热泵运行（即制热）是冷却水泵系统的控制方案。同制冷模式模式控制方案一样，在保证末端设备冷却水流量供给的情况，确定一个冷却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。变频冷却水泵的频率调节是通过安装在冷却水系统回水主管上的温度传感器检测冷却水回水温度，再经由温度控制器设定的温度来控制变频器的频率增减开实现。不同的是：冷却回水温度小于设定温度是，频率无级上调；冷却水回水温度越高，变频器的输出频率越低。变频器控制系统是通过安装在冷却水系统回水主管上的温度传感器来检测冷却水的回水温度，并可直接通过设定变频器参数使系统温度在需要的范围内。另外，针对以往改造的方案中首次运行是温度交换不充分的缺陷，变频器控制系统可增加首次起动全速运行功能，通过设定变频器参数可使冷却水系统充分交换一段时间，然后再根据冷却水回水温度对频率进行无级调速，并且变频器输出频率是通过检测回水温度信号及温度设定值经PID运算而得出的。 经多方论证，冷却水系统闭环控制可以采用冷却水回水温度组成闭环系统进行调节，与冷却管进、出水温度差调节方式比较，这种控制方式的优点有：只需要在中央空调冷却管出水端安装一个温度传感器，简单可靠。当冷却水出水温度高于温度上限设定值时，频率直接优先上调至上限频率工作。当冷却水出水温度低于温度下限设定值时，频率直接优先下调至下限频率。而采用冷却管进、出水温度差来调节很难达到这点。当冷却水出水温度介于温度下限设定值与温度上限设定值之间时，通过对冷却水出水温度及温度上、下限设定值进行PID调节，从而达到对频率的无级调速，闭环控制迅速准确。节能效果更为明显。冷却水出水温度低于温度上限设定值之间时，采用冷却管进、出水温度差调节方式有将出水温度低这一因素加入节能考虑范围，而仅仅由温度差来对频率进行无级调速；而采用上、下限温度调节方式则充分考虑这一因素，因而节能效果更为明显，通过对多家用户市场调查，平均节电率提高5%以上，节电率达到20%40%。具有首次起动全速运行功能。通过设定变频器参数中的数值可使冷冻水系统充分交换一段时间，避免由于刚起动运行时热交换不充分而引起的系统水流量过小。综上述分析，按照中央空调工作的环境和要求 ，以及节能方面的考虑，采用第二种方案-检测冷却水回水温度组成的闭环系统控制。2.4冷却系统变频改造过程2.4.1冷却机循环水系统介绍冷冻机组的冷却循环水系统如图2-8所示。冷冻机组的冷却循环水系统主要由冷冻机组、冷水泵、冷却塔组成。冷却水经冷却泵加压后，送入冷冻机组的冷凝器，届时，由冷却水吸收冷凝剂蒸汽的热量，使冷凝剂冷却、冷凝。冷却水带走制冷剂热量后，被送入冷却塔，静布水器，通过冷却塔风机降温，降温后的冷却水通过出水管，流入冷却水泵，经过加压后再送入冷冻机组的冷凝器。 图2-8 冷冻机组冷却循环水系统图2.4.2 冷却塔变频节能改造原理冷却塔是冷冻机组的冷却水最主要的交换设备之一，它主要靠冷却塔风机对冷却水降温，风机过去是靠交流接触器直接启动控制，风机的转速也是恒定的，不能调速，因此，风机的风量也是恒定的，不能调节。为了使冷冻机组进口冷却水温度保持在2832之间，我们在冷却塔水泵的出口，即冷冻机组的冷却水进口管道上安装一个温度传感器，采集冷却水温度，通过给出一路模拟信号给变频器经变频器自身的PID进行调节如图2-9所示，变频器给出适当的电压和频率给冷却塔电机调节冷却塔风机转速和输出功率，这样形成一个闭环反馈系统，维持冷却水温度，冷却水温度降低时，减小风机转速，放慢热交换的速度，从而减慢冷却水温度的降低。图2-9 冷却塔变频改造示意图2.5 冷却泵和风机的变频改造冷却泵用于冷却水在系统中的循环。在冷却水循环系统中，水流进制冷机组（简称为“进水”），和其冷凝器进行热交换，带走制冷机组制冷过程中产生的热量，再有冷却泵送上冷却塔（简称为“回水”），在进行喷淋冷却后又流进制冷机组，并如此反复循环。在冷却水循环系统中，由于冷却塔的水温是随环境温度而变化的，其单侧温度不能准确地反映制冷机组内产生的热量的多少。所以，对于冷却泵的变频改造，应以回水和进水的温度差作为依据，实现恒温差是比较合理的。温差大，则说明制冷机组产生的热量多，应该通过变频器提高冷却泵的转速，以加快冷却水的循环速度，带走更多的热量；温差小，则说明冷冻机组产生的热量少，就可以通过变频器降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源。冷却塔的散热风扇主要是是用来加快冷却水在喷淋过程中的散热程度，对于风扇的变频控制可以采用开环的方式，根据季节、天气变化通过变频器手动改变风扇的转速。天热的时候转速调高一点，天凉的时候，转速调低一点，配合冷却泵的变频调节，达到最佳的节能效果。冷却泵和风扇的变频改造方案如图2-10所示。图2-10 冷却泵和散热风机的变频改造第三章 变频器在空调中的应用3.1变频技术介绍：变频器的基本概念 ：变频技术是应交流电动机无级调速的需要而产生的。变频器是通过对电力半导体器件(如IGBT)等的通断控制，将电压和频率固定不变的交流电工频电源，变换为电压和频率可变的交流电的电能控制装置，为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。 对于交直交型的变频器来说，为了产生可变的电压和频率。 首先要把工频 (50Hz或60Hz)的交流电源，变换为直流电(DC)再转换成各种频率(0Hz 50Hz、0Hz 60Hz 及 0Hz 400Hz )的交流电，最终实现对电机的调速运行。交流电源220/50HZ直流电310v左右变频交流电40-180v 20-120 hz变频压缩机变频控制器的原理框图如图，它主要由以下部件组成：整流器，滤波器，功率逆变器。变频器中的电脑控制系统，对各取样点传来的信号进行分析处理，并经内部波形产生新的控制信号，再经驱动放大去控制变频开关，产生相应频率的模拟三相交流电压，供给压缩机。 直3.2流变频空调与交流变频空调的区别：通电转换位置检测电路交流变频空调器是将工频市电220V转换为310V直流电源，并把它送到功率模块。同时模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可变的电源电压（合成波形近似正弦波），使压缩机电动机的转速随电源的频率变化而变化，从而可控制压缩机的排量，快速的调节制冷和制热量。直流变频空调同样把共频市电220V转换为直流电源，并送到功率模块。变频模块每次导通两个三极管（A+，A-不能同时导通，B+，B-不能同时导通，C+，C-不能同时导通），给两线圈通以直流电，同时模块受微电脑的控制，输出电压可变的直流电源（这里没有逆变过程），并将直流电源送至压缩机的直流电动机，控制压缩机的排量。从图（C）中可以看出，直流变频相比交流变频多一位置检测电路，使的直流变频的控制更精确。 3.3 直流变频器的原理：直流变频空调采用了无刷直流电机作为压缩机，其控制电路与交流变频控制器基本一样。直流变频控制器原理框图如图（C）所示。直流变频空调的基本原理： 采用无刷直流电动机作为压缩机的空调器称为“直流变频空调”从概念上来说是不确切的，因为我们都知道直流是没有频率的，也谈不上变频，但这已经成为习惯，对于采用无刷直流压缩机的空调器就称之为直流变频空调。无刷直流电动机：无刷直流电动机与普通的交流电动机或有刷电动机的最大区别在于其转子是由稀土材料制成的永久磁钢，定子采用整距集中绕线，简单的说，就是把普通直流电动机由永久磁铁组成的定子变成转子，把普通直流电动机需要换向器和电刷提供电源的线圈绕组转子变成定子。这样，就可以省掉普通直流电动机所必须的电刷，而且其调速性能与普通的直流电动机相似，所以把这种电动机称为无刷直流电动机。无刷直流电动机既克服了传统的直流电动机的一些缺陷，如电磁干扰大，噪声大，火花，可靠性差，寿命短，又具有交流电动机所不具有的一些优点，如运行效率高，调速性能好，无涡流损失。所以，直流变频空调相对于变频空调而言，具有更大的节能优势。转子位置检测：由于无刷直流电动机在运行时，必须实时检测出永久转子的位置，从而进行相应的驱动控制，以驱动电动机换相，才能保证电动机平稳运