◎王永輝

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南三門峽472000)

交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段，應(yīng)用非常廣泛。變頻器是這種調(diào)速方法的主控單元，其工作原理是按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子的電壓和頻率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速以及節(jié)能的目的。

中央空調(diào)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代物業(yè)大廈，賓館商場(chǎng)，其能耗占建筑總能耗的1/3 以上，每年在中央空調(diào)上花費(fèi)不菲。和傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)相比，變頻調(diào)速中央空調(diào)能監(jiān)測(cè)環(huán)境的變化而調(diào)節(jié)自身的能耗，其節(jié)電效果非常明顯。

1 方案設(shè)計(jì)

中國(guó)中部某市某辦公大樓，其內(nèi)置一大型會(huì)堂。建筑面積為1100 平方米，空調(diào)使用面積為1000 平方米。使用頻率不高，若采用中央空調(diào)來(lái)整體控制，必然會(huì)造成資源浪費(fèi)，因此可設(shè)計(jì)獨(dú)立的空調(diào)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)避免浪費(fèi)現(xiàn)象出現(xiàn)。

1.1 控制方案

結(jié)合實(shí)際情況，采用溫度為輔壓差為主來(lái)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中反饋信號(hào)是壓力差，進(jìn)行恒壓差控制。目標(biāo)信號(hào)是回水溫度，使壓力差的目標(biāo)值可以在一定范圍內(nèi)根據(jù)回水溫度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。這樣不僅達(dá)到了節(jié)電目標(biāo)，同時(shí)也照顧到了環(huán)境溫度因素[1]。

1.2 控制電路

控制電路使用壓力開(kāi)關(guān)、壓力傳感器和排氣管、吸氣管、環(huán)境溫度、換熱器等溫度傳感器，采集空調(diào)系統(tǒng)壓力和溫度信號(hào)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)與流量分配控制器的信號(hào)連接，獲取空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)單元的使用情況和室內(nèi)負(fù)荷信息，調(diào)整電子膨脹閥，滿足空調(diào)系統(tǒng)對(duì)循環(huán)水流量的要求。其結(jié)構(gòu)框圖如下圖1 和圖2 所示，對(duì)于風(fēng)機(jī)和水泵的系統(tǒng)接線圖如圖3 所示。

在本設(shè)計(jì)方案中，不僅對(duì)冷卻水泵進(jìn)行了變頻，而且對(duì)冷凍水泵也進(jìn)行了變頻，同時(shí)在風(fēng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)和水泵拖動(dòng)系統(tǒng)的主電路都使用了2 臺(tái)電機(jī)即一用一備2 臺(tái)電機(jī)，其主電路如圖4 所示[2]。

圖1 冷凍水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

1.3 冷/熱負(fù)荷計(jì)算

因?yàn)樵O(shè)計(jì)的對(duì)象是一個(gè)大會(huì)堂，根據(jù)不同使用空調(diào)場(chǎng)所所需單位面積的空調(diào)制冷量的數(shù)據(jù)，這里選取冷負(fù)荷為300,而熱負(fù)荷要比冷負(fù)荷稍大，則取350。

由以上數(shù)據(jù)可以算出大會(huì)堂的冷負(fù)荷為：1000m2×300W/m2＝3×105w＝300kW；熱負(fù)荷為：1000m2×350W/m2＝3.5×105w＝350kW。

2 硬件的選擇

2.1 泵的選擇與確定

溶液泵（冷凍水泵）都為循環(huán)泵，常采用高密封性的優(yōu)質(zhì)機(jī)械密封泵。根據(jù)設(shè)計(jì)要求其流量通過(guò)相關(guān)計(jì)算可得泵的流量G=0.0208m3/s。計(jì)算泵的揚(yáng)程應(yīng)考慮回路中設(shè)備及管道壓降，通過(guò)相關(guān)計(jì)算可得揚(yáng)程為20m；功率5.1kW。

圖2 冷卻水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

圖3 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)接線

查相關(guān)資料可得：應(yīng)選用IB 型離心泵，型號(hào)為125-100-250，流量為100m3/h，揚(yáng)程為20m,轉(zhuǎn)速為1450m3/h，軸功率為7.7kW 的水泵型號(hào)。

2.2 電動(dòng)機(jī)的選擇

為頻調(diào)速系統(tǒng)選擇電動(dòng)機(jī)，除了要考慮電動(dòng)機(jī)自身運(yùn)行工況的改變和變頻器的性能等因素外，還要考慮其他特殊因素[3]。

式中：ηC—傳動(dòng)效率，如果與電動(dòng)機(jī)直接連接則ηC-1；k—裕量系數(shù)，常取1.05～1.7；H—水頭（m）；△H—主管損失水頭（m）；P—電動(dòng)機(jī)功率（kW）；r—流體密度（kg/m3）；Q—泵的流量（m3/s）。

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得出，應(yīng)選用YCT、YCTD 系列電磁調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，見(jiàn)表1。

2.3 變頻器的選擇

式中：PCN—變頻器的額定容量（kVA）；ICN—變頻器的額定電流（A）；ICN—電動(dòng)機(jī)電流（A），工頻電源時(shí)的電流；K—電流波形的修正系數(shù)（PWM 方式時(shí)取1.05～1.0）；cosφ—電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（通常約0.75）；UM—電動(dòng)機(jī)電壓（V）；

PM—負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率；η—電動(dòng)機(jī)的效率（通常約0.85）[2]。

圖4 用一備變頻器控制水泵主電路

圖5 變頻器端子接線

表1 測(cè)試樣本集的擬合概率結(jié)果

對(duì)于水泵所選變頻器容量為：

軸輸出功率

所以查閱西門子MICROMASTER 430 系列手冊(cè)可得，應(yīng)選用：

額定輸出功率為15.0kW，額定輸入電流30.5A，額定輸出電流32A，外形尺寸為C,型號(hào)為6SE6430-2UD31-5CA0。變頻器的段子接線圖如圖5 所示[5]。

變頻器的調(diào)節(jié)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.4 傳感器的選擇

本設(shè)計(jì)方案采用SWD 45CPT2-2 系列壓力傳感器，西門子QAA2061 溫度傳感器和LWGY型渦輪流量傳感器與顯示儀表配套組成渦輪流量計(jì)，所選依據(jù)是這幾種傳感器廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)節(jié)能控制，且物美價(jià)廉。

表2 變頻器的參數(shù)調(diào)節(jié)

2.5 壓縮機(jī)的選擇

對(duì)于壓縮機(jī)的變頻，本設(shè)計(jì)不做設(shè)計(jì)對(duì)象，因?yàn)榇蠖鄶?shù)廠商生產(chǎn)的壓縮機(jī)本身都帶有變頻控制部分即是由生產(chǎn)廠原配的，也就是說(shuō)變頻器和壓縮機(jī)是一個(gè)整體，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)容量的不同可有選擇地使用。

3 應(yīng)用效果

設(shè)計(jì)的調(diào)速空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行以來(lái)，達(dá)到了節(jié)電目標(biāo)，具體節(jié)電分析如下：

因?yàn)槠渌^H、流量Q、轉(zhuǎn)矩T、軸功率P 與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系：

由以上公式可以看出，流量與轉(zhuǎn)速是成正比的，即轉(zhuǎn)速增大，流量就變大，而功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比的，也即與流量的立方成正比，也就是說(shuō)，由于調(diào)速變頻器的接入，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并不是以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行的，而是根據(jù)溫差和壓差的情況，而改變轉(zhuǎn)速的，所以，在一天的時(shí)間里，大約有三分之一的時(shí)間，電動(dòng)機(jī)是以較大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的，其余時(shí)間，則是減速運(yùn)轉(zhuǎn)的。假如規(guī)定Q1、P1分別為額定流量和額定功率，則當(dāng)Q2=80%Q1或n2=80%n1時(shí)，則由計(jì)算可得：，則P2=0.512P1，若不用調(diào)速變頻時(shí)，每年用電為60000kW/h，則使用后，可節(jié)約用電60000kW/h×（1-0.512）=29280kW/h。若按每度電0.55 元計(jì)算，則可節(jié)約費(fèi)用0.55×29280=16104 元。其中水泵電動(dòng)機(jī)兩臺(tái)，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)一臺(tái)，共可節(jié)約費(fèi)用為：16104×3=48312 元[2]?？梢?jiàn)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速系統(tǒng)是成功的，有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。