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北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文）第1页,共25页变频调速在中央空调冷却泵中的应用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。关键字：变频器；中央空调；调速；冷却泵北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文）第2页,共25页题目（英译）：Abstract:Thepresentpaperinanalyzedandhascomparedthedomesticandforeigncentralairconditioningautomaticcontrolsystemdevelopmentpresentsituationandinthecharacteristicfoundation,theunionfrequencyconversionvelocitymodulationinthecentralair-conditioningsystemprincipleofworkandourcountrycitycentralairconditioningdemandpresentsituation,hasdesignedasettakethefrequencyconversionvelocitymodulationtechnologyasthefoundationcentralairconditioningfreezingpumpautomaticcontrolsystem.Thissystemsynthesisutilizesthesoftstarter,thefrequencyconversionvelocitymodulationtechnologyaswellastheautomaticcontroltechnology,throughtheadjustmentwaterpumpelectricalmachinerypowersupplyfrequency,controlledtheelectricalmachineryrotationalspeedtoadjustthecurrentcapacitytorealizethecentralairconditioningconstanttemperatureparameterautomaticcontrol,hadguaranteedthecentralair-conditioningsystemmaintainedasnecessaryatthebestmovementcondition.Canthegreatestdegreemeettheneedsnotonlybasedonthefrequencychangerforthemainbodyconstitutioncentralairconditioningfreezingpumpsystem,alsoenhancedtheoverallsystemefficiency,theextensionsystemlife,thefrugalenergy,moreoverhasbeenabletoconstitutethecomplexfunctionformidablecentralairconditioningcontrolsystem.Alongwiththefrequencychangerrapiddevelopment,intellectualizeshighly,theseriesstandardizationwillbethefuturecentralairconditioningequipmentadaptstheconstanttemperaturedispatchandthewholeplanrequestinevitabletrend.Keyword:?北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文）第3页,共25页一、引言（一）论文研究背景及意义据统计，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。（二）中央空调空调控制系统的现状在变频调速技术用于中央空调控制系统之前，中央空调系统的控制方法主要存在以下问题：1.冷却水系统的不足从设计角度考虑，冷却水泵电机的容量是按照最大换热量（即环境气温最高，且所有场所的空调都开足）的情况下，在取一定的安全系数来确定的。而通常情况下，由于季节和昼夜温差的变化以及开机数目的不足，实际换热量远小于设计值，因此，电机容量远大于实际负荷，出现了大马拉小马的情况。在从冷却水流量来考虑，冷却水的作用是要及时将冷凝器中的热量带走以保证制冷机能正常工作。从节能的角度看，只要能保证制冷机正常工作，冷却水的流量越小，所做的无用功就越少，节能也就越明显。根据流量公式Q=SV，过去由于转速不能调，只能通过调节节流阀来改变管道横切面积S的方式来调节流量Q，节流阀的存在对水流产生阻力，从而产生节能损耗，并且会引起机械振动和产生噪音。北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文）第4页,共25页2.冷冻水系统的不足冷冻水泵的作用是将经制冷机降温的冷冻水通过输送管道送到中央空调的各出风口处的风机盘管组件中，对环境起降温作用，冷冻水的流量与冷冻水泵的转速成正比，当冷冻水泵转速高时，冷冻水的流量大，流速也快。因此，当冷冻水流过风机盘管组件时，还没有充分的时间将所携冷量全都释放完，就又返回到制冷机去了，因此冷冻水泵电机做了很多无用功，这些都是不必要的能耗。若能够调节冷冻水泵电机的转速，根据实际热负荷的大小来调节冷冻水的流量（实际上是调节交换冷量的大小）和流速，以便让冷冻水在风机盘管组件中有充分的时间释放与热负荷大小相当的冷量，冷冻水泵电机的功耗可大大降低。3.水泵频繁开启的不足通过水泵开启台数的控制，造成电机起停频繁，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。（三）设计任务一栋办公大楼要配备空调系统，要求对其冷却泵进行变频节能改造，其中冷却泵的拖动电机为75kw，冷却塔为7.5kw，一台运行一台备用，冷却泵电机采用Y/△启动方式，全年恒速运行，所需电源均由大楼的配电房供给，采用继电接触控制实现机组的自动和手动控制操，系统选用一台PLC对水泵电机变频器等进行控制协调。根据用户的要求，对该座办公大楼的中央空调系统的冷却泵进行变频节能改造，需要配置一台变频器，依次对三台电动机进行变频控制，保留由市电供电，星——三角形启动的常规控制方式，变频柜与原有的电器柜之间有电气互锁作用，并具有自动和手动转换功能，当变频器发生故障时，能自动切换到市电进行工频运行，在停机时如果系统突然失去转矩，靠系统的摩擦转矩克服系统的惯性滑行停车，也给拖动系统带来问题，比如水泵的水锤现象等。同样，当变频方式运行而某一台水泵发生故障时，能够自动切换到另一台水泵进行变频运行。当负荷改变时，应该依据蒸发器的进出水温度差来决定流量的增减。在夏季供冷期间，当进出水温度差小于标准允许温差值时，应减小变频器的输出频率，即时降低水泵的允许速度减少流量，使实际检测温差值逼近标准温差允许值，但泵的速度减少时，应考虑能够保证冷却循环水在管网中的顺畅流动，因此，应设定一个对应的泵的转速低限（变频器输出低限），在此速度下变频器的输出转速将不在降低，采用“一控多”的方式，当一台水泵不能满足水温控制时变频器变北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文）第5页,共25页频调入第二台水泵工作，如果还不满足则第二台转入工频运行，接入第三台运行，当回水温度不再高时及变频器频率下降时，则减少水泵的运行台数。二、变频调速在中央空调冷却泵系统中的工作原理（一）中央空调系统的组成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2-1中央空调系统的组成框图1.冷冻水系统(1)冷冻机组这是中央空调的“致冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。(2)盘管风机安装于所有需要降温的房间内，用于将由冷冻水盘管冷却了的冷空气吹入房北京科技大学远程与成人教育学院毕业设计（论文）第6页,共25页间，加速房间内的热交换。(3)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入冷冻水管道，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、进入房间的冷冻水简称为“出水”；流经所有的房间后回到冷冻机组的冷冻水简称为“回水”。2.冷却水系统(1)冷却塔冷冻主机在制冷过程中，必然会释放热量，使机组发热。冷却塔用于为冷冻主机提供“冷却水”。冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将冷冻主机降温。(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。(3)冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷却机组进行热交换，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。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”,从冷却机