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1、 中央空调冷冻水泵的节能改造【摘 要】 本文论述如何利用plc和变频调速技术对中央空调的冷冻水泵进行节能改造。改造后，系统构成了一个温差闭环自动控制系统，以达到自动调节中央空调冷冻水泵电机转速，改变了输出流量，实现降低能耗，取得了良好的经济效果。【关键词】 空调 plc 变频器 水泵 节能改造前言在带领学生到某中央空调使用单位实习期间，本人参与了该单位中央空调冷冻水泵的节能改造，利用plc和变频调速技术，使中央空调冷冻水系统构成一个温差闭环控制系统，根据冷冻水的进水、出水温度进行比较，得出偏差值，经过变频器内部pid运算，自动调节变频器输出频率，改变水泵电机转速，从而提高了水泵的工作效率。1
2、节能改造的必要性中央空调系统主要由冷冻机组、冷却水塔、末端风机盘管及循环水系统（包括冷却水系统和冷冻水系统）、新风机等组成。该单位的冷冻水泵为4台，其中3台电动机的额定功率为55kw，另1台电动机的额定功率为35kw，电动机起动方式为y/起动；冷却水泵为4台，其中3台电动机的额定功率为45kw，另1台电动机的额定功率为30kw，电动机起动方式为y/起动。该单位的中央空调水系统为定流量系统，水系统的能耗一般约占空调系统总能耗量的15%20%。水泵的水流量系统都是按工况进行设计，因此冷冻机组和水泵容量往往设计过大。如果系统中的水泵电机能够根据进水、出水的温度进行比较，得出偏差值，通过变频器改变输出
3、频率，来自动调节水泵电机的转速，这将成为一种有效的节能措施。所以，要降低空调系统的运行能耗，对现有中央空调水系统进行节能改造是十分有必要的（见图1）。2 变频调速控制的节能原理2.1 变水量系统的基本原理变水量系统运行的基本原理可用热力学第一定律表述为：q=qct。热力学第一定律表明，在冷水系统中，可以跟据冷负荷的大小调整冷水流量或冷水系统进、出水温差。如果保持冷水进、出水温差t不变，改变冷水流量q，则形成变水量系统。如果使流量与负荷真正满足热力学第一定律：q=qct则必须使用变速水泵。2.2 变频调速控制方法三相交流异步电动机的转速公式为：n=（1-s）60f/p。在电动机调速方法中，变频调
4、速的效果是最为理想。通过改变电动机电源频率来调速称为变频调速。在转差率s变化不大的情况下，电动机的转速n与电源频率f大致成正比，若均匀地改变电源频率f，则能平滑地电动机的转速n。3 节能改造的设计方案3.1 主要硬件节能改造的硬件主要有plc、变频器、触摸屏、温度输入模块、输出模块。其中plc选用三菱公司的fx2n-64mr型，变频器选用三菱公司fr-f740系列，触摸屏选用三菱公司f900系列，温度输入模块选用fx2n-4ad-pt，输出模块选用fx2n-2da。3.2 主电路的设计该单位有4台冷冻水泵，现全部改为变频控制。由于变频器在运行过程中，电子原器件会产生一定的热量，如果变频器的温度
5、过高，将会导致变频器出现故障或损坏等意外事故，减少变频器使用寿命（见图2-4）。3.3 控制流程设计启动时，首先是选择手动或自动。在手动控制过程中，直接上升/降低输出频率，每按一次，输出频率上升/下降0.5hz，从而改变水泵电机转速。在自动控制过程中，水泵电机先以工频电源（50hz）预处理运行1分钟后，进入自动调节状态，读取冷冻进水、出水温度进行比较，而得出偏差值，调节变频器输出频率，从而改变水泵电机转速。3.4 节能改造控制系统的设计（1）冷冻水系统的控制方案采用定温差控制方法，因为冷冻水系统的温差控制适宜用于一次泵定流量系统的改造，施工较容易，将冷冻水的进水、出水的温差控制在4.5左右。（
6、2）正常情况下，系统运行在变频节能状态，其上限运行频率为50hz，下限运行频率为30hz；在变频节能状态下可以自动调节频率；也可以手动调节频率，每次的调节量为0.5hz。（3）控制要求：以50hz频率起动冷冻水泵，60s后转入温差自动控制，变频器加速时间为15s，减速时间为7s。冷冻水泵在频率为2025hz运行时，会出现严重的震荡现象，因此要求变频器避免在此段运行。能手动和自动切换，手动时要求用触摸屏调节变频器的运行频率，并且在3050hz内任意调节，每次调节量为0.5hz。为了直观方便地使用，需要给予人机界面，故采用触摸屏、plc、变频器的控制系统，能用触摸屏画面进行控制和操作（见图5）。冷
7、冻水泵进水与出水温度差和变频器输出频率及d/a转换数字量对应关系（如表1）。（4）参数设置与调试：i/o接口分配，其接口分配（如表2）。变频器参数设置：上限频率pr.1=50hz 下限频率pr.2=30hz加速时间pr.7=15s 减速时间pr.8=7s电子过电流保护pr.9=电动机的额定电流pr.31=20 pr.32=25 （变频器2025hz频率为跳变设置）pr.73=0 （端子输入电压010v）pr.79=2 （操作模式为外部运行）plc、变频器及模块等设备综合接线（见图6）。编制程序；控制程序主要由以下几部分组成：冷冻水泵进水、出水温度检测和温差计算程序、d/a转换程序、冷冻水泵自动
8、温差控制程序、启动预处理程序、冷冻水泵手动运行控制程序。a） 冷冻水泵进、出水温度检测和温差计算程序：ch1通道为冷冻水进水温度（d1），ch2通道为冷冻水出水温度（d2），d10为冷冻水进、出水温差值。b） d/a转换程序：进行d/a数模转换的数字量存放在数据寄存器d100中，它通过fx2n2da模块将数字量变成模拟量，从而控制变频器的输出频率以达到调节冷冻水泵电机转速为目的。c） 冷冻水泵自动温差控制程序：当冷冻水的进、出水温差小于或等于1时，变频器输出频率为30hz；当冷冻水的进、出水温差大于1，而小于或等于1.5时，变频器输出频率为32.5hz；当冷冻水的进、出水温差大于1.5，而小于
9、或等于2时，变频器输出频率为35hz；当冷冻水的进、出水温差大于2，而小于或等于2.5时，变频器输出频率为37.5hz；当冷冻水的进、出水温差大于2.5，而小于或等于3时，变频器输出频率为40hz；当冷冻水的进、出水温差大于3，而小于或等于3.5时，变频器输出频率为42.5hz；当冷冻水的进、出水温差大于3.5，而小于或等于4时，变频器输出频率为45hz；当冷冻水的进、出水温差大于4，而小于或等于4.5时，变频器输出频率为47.5hz；当冷冻水的进、出水温差大于4.5时，变频器输出频率为50hz；d） 启动预处理程序：启动时，变频器是以50hz频率起动冷冻水泵，60s后转入温差自动控制。e）
10、冷冻水泵手动运行控制程序：x3为冷冻水泵电机手动加速上升，每按一次频率上升0.5hz；x4为冷冻水泵手动减速下降，每按一次频率下降0.5hz。冷冻水泵的手动和自动调节的频率，上限频率都为50hz，下限都为30hz。4 中央空调冷冻水系统改造后的节能效果通过变频调速控制系统来实现冷冻水泵电机的软启动、软停止，消除了启动时大电流对电网的冲击，清除了水锤现象，清除了水锤对管道逆止阀、压力表、轴承的损坏，使机械零件的使用寿命得到延长，减少维修的工作量和零件费用。电动机的噪音、温升和震动都大大减少，电气设备故障率也比原来降低，使用寿命得到延长。具有过流、过电压、短路、缺相等多种保护功能，增强了电动机的保
11、护。由于采用了温差闭环变频调速，提高了中央空调的工作效率，自动化程度大大提高，减少了人为因数的影响，大大优化了系统运行环境、运行质量。减少启动和停机的次数，运行平稳。经过节能改造并投入使用后，冷冻水系统的节电率大约为22，经济效益得到较大的改观，为该单位节省了财力和物力。通过电度表的纪录：2010年冷冻水泵的用电量为396890kwh，而改造后的2011年冷冻水泵的用电量为308660kwh，节电为88230kwh。节电率=88230kwh396890kwh100%=22.23%。5 结语通过应用自动控制技术对冷冻水泵进行节能改造，体现了变频技术能有效提高了水泵的工作效率，在保证室内空气调节、降低设备维修费用、节省用电量的同时，对节能减排、保护自然环境方面也起到十分重要的作用。参考文献1巫莉.plc和变频器在中央空调节能改造中的应用j.电工技术，2010.2张小卫等.变流量空调冷冻水系统节能分析j. 湖南工业职业技术学院学报，2010.3蒋清健，张文超.基于plc与变频器的泵站恒压供水控制系统j.硅谷，2010.4苏宏英等.基于plc与触摸屏的中央空调变频调速监控系统设计j.机电工程技术，2009.5周洪煜，陈孜虎，高鹏飞.中央空调系统节能运行改造的控制策略与方案j.计算机测量与控制，2009.
