中央空调的变频节能改造(风机)毕业论文

1、中央空调系统的变频节能改造孙绍帅机电一体化1班20101203009 摘要中央空调系统是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物总电能消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。通常中央空调系统中冷冻主机的负荷能随季节气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器

2、、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，达到节能目的提供了可靠的技术条件。本文我们注重利用变频器的变频和PID功能对风机进行变频节能改造。关键字：中央空调 节能改造 变频控制 温度控制目录摘要第一章 绪论第二章 中央空调系统介绍2.1中央空调系统简介2.2中央空调原理图及各结构的作用第三章 中央空调系统节能可行性分析 3.1中央空调现状 3.2节能可行性分析第四章 节能改造的具体方案 4.1主电路的控制设计 4.2变频器的控制方式 4.3改造需要的设备和器件4.4变频器的参数预置 4.5对风机进行变频改造 4.6对冷冻泵进行变频改造 4.7对冷却泵进行变频

3、改造第五章 实际调试注意事项第六章 技术改造后的运行效果比较6.1节能效果及投资回报6.2对系统的正面影响第七章 结论结束语参考文献致谢第一章 绪论中央空调系统在现代企业及生活环境改善方面极为普遍，而且是某些生活环境或生产工序中所必须配备的，即所谓人造环境，不仅是温度的要求，还有湿度、洁净度等。之所以要求配置中央空调系统，目的在于提高产品质量，提高人的舒适度，而且集中供冷供热效率高，便于管理，节省投资等。为此，几乎所有企业、高层商厦、商务大楼、会场、剧场、办公室、图书馆、宾馆、商场、超市、酒店、娱乐场、体育馆等中大型建筑上都采用中央空调，它是现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一，但由于它的电能

4、消耗非常之大，是用电大户，几乎占了用电量的50%以上，因此其日常开支费用很大。 中央空调系统都是按最大负载并增加一定余量设计的，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天，甚至十多个小时，绝大部分时间负载都在70%以下运行。随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、D/A转换模块、温度传感器、温度模块等部件的有机结合，可构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量。采用变频调速技术不仅能使商场室温维持在所期望的状态，让人感到舒适满意，使整个系统工作状态平缓稳定，更重要的是其节能效果高达30%以上，能带来很好的经济效益。第二章 中央空调系统介绍 2.1中央空调系统简介中央空调一般包含以下

5、组成部分：制冷系统、冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及风机盘管系统，某些高级中央空调系统还有新风机，通过控制室内CO2含量适量引入室外新风，让在室内活动的人感到舒适。 中央空调系统耗电量很大，一般占整个建筑物耗电量的40%左右，尤其是早期设计的中央空调系统，存在很大的冗余，这也我们要节能改造的地方。2.2中央空调原理图及各结构的作用 中央空调系统的工作原理示意图1、冷冻机组：通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”作用，使冷冻水降温为57。并通过循环水系统向各个空调点提供外部热交换源。内部热交换产生的热量，通过冷却水系统在冷却塔中向空气中排放。内部热交换系统是中央空调的“制冷源”。 2

6、、冷冻水塔：用于为冷冻机组提供“冷却水”。 3、“外部热交换”系统：由两个循环水系统组成： 、冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个房间内进行热交换，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。 、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入水塔，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，如此不断循环，带走冷冻机释放的热量。 4、冷却风机 、室内风机：安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻

7、水冷却了的冷空气吹入房间，加速房间内的热交换； 、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。 第三章 中央空调系统节能可行性分析3.1 中央空调现状中央空调系统是由一连串的流体机械和热交换器组合而成的。现有中央空调系统有以下不足之处：1）空调负荷要求的不均匀性。在中央空调设计时为保证在大气温度最高的情况下能满足使用要求，所以按最大负荷设计并有15% 左右的富裕量，而平时使用时并不能达到满负荷，所以存较大裕度，其中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主机而调节，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。2）

8、系统通过节流阀或调节阀来调节流量、压力，存在较大节流损失和大流量小温差的现象。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）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、空气形状触点产生电弧冲击，也会给电网带来一定冲击，起动时带来的机械冲击和停止时的承重现象也会对机械传动、轴承、阀门等造成疲劳损伤3.2 节能可行性分析由流体传输设备（水泵、风机）的工作原理可知：水泵、风机的流量（风量）与其转速成正比；水泵、风机的压力（扬程）与其转速的平方成正比，而水

9、泵、风机的轴功率等于流量与压力的乘积，故水泵、风机的轴功率与其转速的三次方成正比（即与电源频率的三次方成正比）。用数学公式可表示为：Q K1 × n      P K2 × n2N Q × P K3 × n3    (K1、 K2 、K3为比例常数) 由上述原理可知，降低水泵的转速，水泵的输出功率就可以下降更多。如将电机的供电频率由50Hz降为40Hz，则理论上，低频40Hz与高频50Hz的输出功率之比为(40/50)3=0.512。 变频器节能的效果是十分显著的，

10、这种节能回报是看到见的。特别是调节范围大、启动电流大的系统及设备，通过图a可以直观的看出在流量变化时只要对转速（频率）稍作改变就会使水泵轴功率有更大程度上的改变，就因此特点使得变频调速装置成为一种趋势，而且不断深入并应用于各行各业的调速领域。 图a第四章 节能改造的具体方案4.1主电路的控制设计三台水泵中，春秋季节只用一台，备用两台；夏季高峰时常用两台，一台备用。一台变频运行，且可以通过人工方式进行切换，其他可通过人工方式直接启动到工频运行。3台水泵电机选配1台变频器。工作时可选择任意一台水泵做主泵、由变频器直接拖动并且变频运行（由内置PID进行闭环控制）；其余两台水泵做辅泵、由人工依据制冷特

11、点相应进行启停控制，使电机工频运行。冷却泵、风机和冷冻泵的原理一样。如下图所示： 主电路具体接线图4.2变频器的控制方式及调速注意要点变频器的启停及频率自动调节由触摸屏、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块进行温差闭环控制，手动/自动切换和手动频率上升、下降由PLC控制。参数设定时加减速的时间要长一些，应将启动方式设置为转速跟踪再启动，应该设置最低频转速一般为20Hz。4.3改造需要的设备和器件1）运行稳定性及性价比高的水泵电机。2）变频器是此次节能改造的重要设备，设备的稳定性和操作的灵活性简便是该系统可靠、安全的根本，同时结合操作人员的掌握程度，我们选用了西门子MM420。3）低压电器

12、的主要元器件我们选用了施耐德产品，以提高控制设备的可靠性，其他电器件选用国内知名品牌。空气开关的选择：变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值可能超过额定值，一般变频器允许的过载能力为150%，1min。所以，为了避免误动作，空气开关的额定电流IQN应选择：选用DZX10D-100型自动空气开关。接触器的选择：主触点的额定电流只需大于或等于变频器的额定电流即可。 如下式： IKN IN = 71A选用CJ10系列交流接触器，型号CJ10-80。(1)整个改造系统我们将保留原系统控制设备，以确保改造前后系统运行的可靠性和延续性。(2)根据对改造设备安装现场的考察，我们采用了一个控制点一台设备的设计方案

13、，确保单一系统故障时不影响其他设备的正常运行操作。(3)传感器选用了美国的KMC产品。4.4变频器的参数预置（1）上限频率 因为风机的机械特性具有二次方律特性，所以，当转速超过额定转速时，阻转矩将增大很多，容易是电机和变频器处于过载状态，因此，上限频率fH不应超过额定频率fN。取上限频率pr.1=300Hz。（2）下限频率 从特性或工况来说，风机对下限频率没有要求，但转速太低时，风量太小，在多数情况下，一般预置为FL20Hz。Pr.2=0.5Hz 上限频率、下限频率为变频器根据负载需要设定的最高和最低频率，在闭环控制电机模式下，变频器输出频率达到上限值，且在该频率下持续运行一定的时间。（3）加

14、、减速时间 风机的惯性很大，加速时间过短，容易产生过电流；减速时间过短，容易过电压。一般风机启动和停止的次数很少，启动时间和停止时间不影响正常生产。所以加减速时间可以设置长些。根据风机的容量大小而定，通常是风机容量越大加、减速时间设置越长。一般设置为pr.7=20s、pr.8=20s。输出频率 50Hz t1t2 时间变频器定义4种加、减速时间，加速时间是指频率从零增加到50Hz的时间，减速时间是从50Hz减少到零的时间，图中t1是加速时间，t2是减速时间。（4）加、减速方式 风机在低速时阻转矩很小，随着转速的增高，阻转矩增大的很快；反之，在停机开始时，由于惯性的原因，转速下降较慢。所以加、减

15、速方式以半S方式较适宜。参数设置pr.29=2，此时为S曲线加减速。（5）回避频率 风机在较高速运行时，由于阻转矩较大，容易在某一转速下发生机械谐振。遇到机械谐振时，极易造成机械事故或设备损坏，因此必须考虑设置回避频率，可采用实验的方法进行设置，即反复缓慢地在设定的频率范围内进行调节，观察产生谐振的频率范围，然后进行回避频率的设置。（6）起动前的直流制动风机在停机时，由于自然风的作用，常常处于反转状态，此时也就是电动机处于再生发电状态，为使风机从零速开始起动，须采用起动前的直流制动。下面使我们对风机、冷却泵、冷冻泵的改造介绍，我们详细介绍的是风机的改造 改造原理框图：4.5 对风机进行变频改造

16、冷却塔的散热风扇主要是用来加快冷却水在喷淋过程中的散热速度。对于风扇的控制可采用回水温度控制的方式，当循环冷却水泵运行在变频控制状态，冷却回水温度大于35时，冷却塔风机自动开启运行，当冷却回水温度小于30时，冷却塔风机自动停止运行，从而避免为满足冷却塔出水水温32，必须使风机处在工频状态下运行，而造成水温过低，形成不必要的能源浪费。风机的机械特性具有二次方律特征，即转矩和转速的二次方成正比变化。在低速时由于流体的流速低，所以负载的转矩很小，随着电动机转速的增加，流速加快，负载转矩和功率越来越大。负载转矩TL和转速nL之间的关系表示为： TL=T0+KTnL2 根据负载的机械功率PL和转矩TL、

17、转速NL之间的关系，有： PL=TLnL/9550 则功率PL和转速NL之间的关系为： PL=P0+KPnL3 上三式中，PL TL分别为电机轴上的功率和转矩;KT、KP分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数。 下图为二次方律负载的机械特性和功率特性曲线，可以看出，当被控对象所需风量减小时，采用变频器降低风机的转速NL，会使电机的功耗大大降低。 n/(r/min) 1500 1000 500 0 9.4 22.7 45 TL /(N·m)a 二次方律负载的机械特性 n/(r/min) 1500 1000 500 0 0.49 2.38 7.0 PL/kw当工作负荷变化时，调节驱动风机

18、的电动机，转速随之变化，可降低功耗，节约电能。由流体力学理论可知，风机风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率P与转速的3次方成正比，即式中 转速时的风量， 转速时的风量， 转速时的风压， 转速时的风压， 转速时的功率， 转速时的功率，因此，当系统工作流程需风量减少时，调节转速下降可使功率降低很多。例如，当风量与转速均下降到90%时，功率将降低到额定功率的73%;当风量与转速均下降到80%时，功率将降低到额定功率的51%;当风量与转速均下降到70%时，功率将降低到额定功率的34%;当风量与转速均下降到60%时，功率将降低到额定功率的21%。可见其节能效果十分显著，有很大的节能发

19、展前途。其节能原理可用图1（风机的风压风量特性曲线）来说明。 图1风机的风压风量特性曲线 n1风机在额定转速运行时的特性n2风机降速运行在n2转速时的特性R1R1风机管路阻力最小时的阻力特性R2风机管路阻力增大到某一数组时的阻力特性风机在管路特性曲线R1工作时，工作点为A，其流量和压力分别为Q1和p1，此时风机所需的功率正比于Q1与p1的乘积，即正比于Ap1OQ1的面积。由于生产工艺要求需要风量从Q1减小到Q2时，若减小调节风门开度，则实际上管网管阻增加，使风机的工作点移到R2上的B点。可以看出，风量下降，风压增加，风压增大到p2，这时风机所需的功率正比Q2和p2的乘积，即正比于Bp2OQ2的

20、面积。显然风机所需的功率变化不多。这种调节方式控制虽然简单，但不利于节能。若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，不改变管网阻力，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由p1降到p3，这时变频调速后风机所需的功率正比于Q2与p3的乘积，即正比于Cp3OQ2的面积，由图1可见功率的减少是明显的。节风计算：风机流量变化量，如前所述，采用变频调速是有效的节电措施。根据三相异步电动机经济运行对电机经济运行管理的规定有如下的计算公式。采用挡板调节流量对应电动机输入功率P1V与流量Q的关系为 （1）式中 额定流量时电动机输入功率，kW额定流量，风机容量的选择，主要依据被控对象对流量或压力的需求，可

21、：查相关的设计手册，选择以下的技术指标。根据要求选择下图中的风机参数。根据风机选择相应变频器：风机在某一转速下运行时，其阻转矩一般不会发生变化，只要转速不超过额定值，电机也不会过载。一般变频器在出厂标注有一定的安全系数，所以选择变频器容量与所驱动的电机容量相同即可，若考虑更大的余量，也可以选择比电机容量大一个级别的变频器，但价格要高出不少。该项目我们选择西门子MM420变频器。设置其参数：复位P0010=30 P0970=1控制参数参数号出厂值设置值说明P000312用户访问级为扩展级P000400参数过滤显示全部参数P070022由端子排输入*P070111端子DIN1功能为ON接通正传/O

22、FF停车*P0702120端子DIN2禁用*P070390端子DIN3禁用*P070400端子DIN4禁用P072511端子DIN输入为高电平有效P100021频率设定由BOP设置*P1080020电动机最低频率*P10825050电动机最高频率P220001PID控制有效目标参数参数号出厂值设置值说明P000313用户访问级为专家级P000400参数过滤显示全部参数P225302250已激活PID设定值*P22401060由面板BOP设定目标值*P225400无PID微调信号源*P2255100100PID设定值的增益系数*P22561000PID微调信号的增益系数*P225711PID设定

23、值斜坡上升时间*P225811PID设定值斜坡下降时间*P226100PID设定值无滤波反馈参数参数号出厂值设置值说明P000313用户访问级为专家级P000400参数过滤显示全部参数P2264755.0755.0PID反馈信号由ALN+设定*P226500PID反馈信号无滤波*P2267100100PID反馈信号的上限值（%）*P226800PId反馈信号的下限值（%）*P2269100100PID反馈信号的增益（%）*P227000不用PID反馈器的数学模型*P227100PID传感器的反馈型为正常PID参数参数号出厂值设置值说明P000313用户访问级为专家P000400参数过滤显示全部

24、参数*P2280325PID比例增益系数*P228505PID积分时间*P2291100100PID输出上限（%）*P229200PID输出下限（%）*P229311PID限幅的斜坡上升/下降时间（s）注：标“*”号的参数可根据用户的需要改变。4.6 对冷冻泵进行变频改造PLC控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读入控制器内存，并计算出温差值；然后根据冷冻机的回水与出水的温差值来控制变频器的频率，以控制电机转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高系统负荷大，应提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低

25、，系统负荷小，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能。 4.7对冷却泵进行变频改造由于冷冻机组运行时，其冷凝器的热交换量是由冷却水带到冷却塔散热降温，再由冷却泵送到冷凝器进行不断循环的。冷却水进水出水温差大，说明冷冻机负荷大，需冷却水带走的热量大，应提高冷却泵的转速，加大冷却水的循环量；温差小，则说明，冷冻机负荷小，需带走的热量小，可降低冷却泵的转速，减小冷却水的循环量，以节约电能。第五章 实际调试注意事项1、整改设备安装完毕后，先将编好的程序写入PLC，设定变频器参数，检查电器部分并逐级通电调试。 2、投入试运行时，人为地减少负荷，观察流量是否因频率的降低

26、而减小，并找到制冷机报警时的最低变频器频率，以及流量降低后管道末端的循环情况，使变频器工作在一个最低的稳定工作点。3、用温度计及时检测各点温度，以便检验温度传感器的精确度及校验各工况状态。第六章 技术改造后的运行效果比较6.1节能效果及投资回报进行技术改造后，系统的实际节电率与负荷状态、天气温度变化等因素有一定关系。根据以往运行参数的统计与改造后的节能预测，平均节能应在4050%以上。经济效益十分显著。6.2对系统的正面影响使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备维护费用

27、。变频器内部滤波电容的作用，1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。系统还采用了温差闭环变频调速，提高了冷冻机组的工作效率，提高了自动化水平。减少了人为因数的影响，大大优化了系统的运行环境、运行质量。第七章 结论改造工程由于采用了3台变频器，对经常运行的冷冻泵、冷却泵和风机进行技术改造，最大限度地为电机争取了变频运行的时间，把节能空间争取到最大，虽然一次性投资较大，但从长远的经济利益来看是值得的。从过去运行中所取得的显著经济效益及系统的综合效益，也验正了利用变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等组成的温差闭环自动控制系统，对中央空调系统的节能改造成是成功的。 由于冷冻泵、冷却泵采用了变频器软启停，消除了原来Y- 启动大电流对电网的冲击，用电环境得到了改善；消除了Y- 启停水泵产生的水锤现象对管道、阀门、压力表等的损害;消除了原来直接启停水泵造成的机械冲击，电机及水泵的轴承、轴封等机械磨擦大大减少，机械部件的使用寿命得到延长 ；由于水泵