浅谈变频器和PLC在中央空调节能改造中的应用

浅谈变频器和 PLC在中央空调节能改造中的应用

庄俊

潮州体育馆

简介：很多大型建筑都会设计和安装中央空调系统。但是许多大型建筑在设计中央空调系统时，往往是根据系统运行的最大负荷量去设计的，存在冷却水泵和冷冻水泵不能自动调节负载，长期处于满负荷的工作状态，造成了很大的能源浪费。而变频调速技术的快速发展, 为中央空调的节能改造提供了有利的条件, 本文通过在设计改造的基础中，浅谈介绍本单位中央空调节能改造应用PLC与变频器的具体情况。

关键词：PLC 变频器 温度传感器 中央空调

引言：中央空调系统是如今大型建筑物必不可少的辅助设施之一，然而在使用过程中，它损耗的功率特别高，通常约占到建筑物总功耗的一半以上。因为中央空调系统是根据最大负荷设计的，并在设计时加入了一定的余量，因此一年里只有不足一个月甚至不足10天的时间里实在满负荷情况下运行的，基本大部分时间都是在负荷不足70%的状态下次运行。一般情况下，在中央空调系统中，制冷主机的负载可以根据季节温度的转变自动调整负载，但是对适用于制冷主机的制冷泵和冷却泵来说，却无法自动调整负载。它们基本在很长一段时间内以百分百负载运行，造成了极端的能量产生和超高的浪费，使中央空调单元的运行境况和运行质量逐渐变坏。

现如今，开始运用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器和温度模块等装备进行有机组合，组成温差闭环自动控制系统，为实现节能目标创造了可靠的技术前提。

一、中央空调的工作原理

中央空调体系是一个由水处理和空气处理构成的非常复杂的系统。首先、水系统的组成结构包含了制冷机组、冷冻以及冷却水泵、冷却塔等等因素。在中央空调系统的正常运转过程中，制冷机组作为系统最为紧要的组成部分，在为其提供冷负荷的基础之上，既为冷冻水循环系统传递了制冷量，还向冷却水循环系统传输了运行阶段中所散发出的热量。中央空调空气处理系统，它主要是在空气循环流动的基础之上，一方面，它将空气中的热量传输到冷冻水的系统中，另一方面，它为房间提供了适当的新鲜空气，从而确保了在活动场所中所必须的湿度和温度。

二、本单位空调系统的具体情况

1、中央空调系统简介

体育馆是一个集体育、文艺演出、大型集会、展览等于一体的多功能活动场所，中央空调的使用律高，系统的常见的设备和控制方法：100吨冷气主机2台，日常一个备份，一个直接使用,高峰时两台并联运行；冷却水泵2台, 扬程28米, 用电功率45 KW, 冷水泵有3台，为扬程50米，用电功率45KW；冷却塔6台，风扇电机5.5KW，并联后使用。

2、原系统的运行及存在问题

体育馆是一个相对特殊的地方，在活动期间通常人满为患，而且无法全部密封，该地方的舒适度要求也比较高，大部分空间通风不良。这是因为中央空调体系应根据最热的气候和最大负载进行计划，并且应保存约15%-20%的计划余量。其中，制冷主机可以按照负载的转变进行装载或卸载，但是不可以根据负载的转变来调整冷水泵和冷却剂泵。如此一来，冷冻水和冷却水系统已经以较大流量以及很小的温差情形运行了很长时间，从而导致大量的能源浪费。为了处理上述问题，设计运用温差闭环自动速率控制体系，对制冷和冷却水泵以及冷却塔做了改善，从而节省了电力。

三、提出节能改造的可行性分析

详细的转换方案是由变频器、PLC、数模转换模块、温度模块和温度传感器等联合，组成温差闭环自动控制，按照负载环境自动调节水泵的运行频率，并依照冷却水温度的差别，借助冷却塔的散热来实现节能的方针^[1]。对于具体运行状况做了如下分析：

1、中央空调系统简介

中央空调系统结构图

在中央空调系统的设计阶段，制冷泵和冷却泵的装机容量基于系统的最大负载，并且在设计因素上增加了15%-20%。按照计算，中央冷却系统中冷冻水和冷却水循环的功耗约占夏天总功耗的30%—35%，冷却塔的功耗约占8%—10%。所以，冷冻水和冷却水循环体系以及冷却塔自动能量控制的施行是中央空调系统节能转换和自动控制的关键组成结构。

2、水泵的转速调节

依照异步电动机的科学原理：n=60f/p（1秒），式中：n:转速，f:频率， p:电动机磁极对数， s:转差率。从上式可以看出，有三种方法：调整频率，电动机磁极对数转变，滑差速率转变。在上述调速方式中，调整频率性能最佳，调速范围大，静态安稳程度优良，并且运行效率极高。所以，借助调整频率来更改速度是最为便利和有效的方式。

3、变频调速原理

按照流体传输的概念，水泵流速与电动机速度之间成正比，水泵压力和电动机速度的平方成正比，水泵轴功率与流速和压力的乘积相同，水泵轴功率和电动机转速的立方成正比^[2]。为了能达到节约能源，可以借助调整变频器的输出频率，来调节电动机速度，从而实现节能革新的目标。

下图是流体传输设备各个变量之间的关系图。

4、变频器的型号选择

因为此次设计的系统是一台变频器控制一台电机的情况，因此，对于连续恒定负载操作所需的逆变器容量计算公式：

在式中： 代表负载所需的马达的轴输出功率，单位为W

代表电动机效力，通常约为0.85

代表电动机功率因数，一般约为0.75

K为电流波形校正系数。由PWM模式，取K值为1.05

代表变频器额定容量

因系统设计所选的单台水泵的功率为2.2kW，取 =1.05， =2.2kW， =0.85，=0.75，代入上述公式可得：

1.05×2.2/0.85×0.75=3.62kW

FR-A540系列变频器的容量为0.4kW～55kW，根据计算得出结果可以看出，符合设计要求，所以应选择FR-A540-3.7K-CH的变频器。它的功率为 3.7KW，三相电压380V，频率50Hz，电流9A^[3]。

5、 PLC的型号选定

此次设计通过对输入输出I/O点数、模拟量和开关量、存储容量、控制回路和输出负载等因素的分析，再结西门子PLC设备的性能，综合考虑后，选择西门子S7-200系列可编程控制器。

S7-200系列包括EM231输入模块、EM232输出模块和CPU226这三块重要部分^[4]。

下图是关于西门子S7-200系列的端子及其硬件实物介绍图

6、温度传感器的型号选择

热电阻是测量温度的敏感元件，其耐热体主要由金属氧化物或半导体材料制成。正、负和临界温度系数是热电阻的三个温度系数^[5]。

热敏电阻温度特性曲线图

在实际应用中负温度系数热敏电阻是主要的温度检测电阻，而在电阻值急剧变化的特定温度下才会采用PTC和CTR热敏电阻来构成温度开关器件。

本次设计选择型号RS3011，该型号采用Pt100温度传感器，其测量范围是-20℃～400℃,并且这个范围是可以选择的，其输出信号为4～20mA/0～5V，精度等级为0.2级，隔离电压为2500VDC(0.5mA,60S)。按照体系计划的需要进行分析斟酌，选择输入的温度范畴为0℃～+100℃。

7、冷却塔的控制

过去，按照冷却水温度是人为的设定冷却塔打开的台数，很不方便也很容易形成能量的浪费，但是现如今，温度传感器会按照冷却水温度向PLC发送信号，然后通过PLC运算后，将冷却塔电扇依28℃按顺序打开。温度每升高2℃，即打开2个冷却电扇，每下降2℃，延迟5分钟后即中断2个电扇的运行，从而实现节能目标。

四、节能改造的具体方案

1、主电路的控制设计

按照实际情形，有必要在考虑成本控制的情况下尽量多去使用原始电气装备。冷冻水泵和冷却水泵都采取一对一的运行模式运行，利用变频器控制和驱动两个水泵相互替代运行，使用高扬程的冷水泵作为替补。

以下是冷却液泵和冷却液泵的基本接线图

2、功能控制方式

工作流程：

启动：打开冷水和冷却剂泵，PLC控制冷水和冷却剂泵的启动和停止，冷水和冷却剂泵的接触器向制冷机发送互锁信号以打开制冷机，冷却塔的开启由温度传感器信号选择开机。

关机：停止制冷机组，冷冻水、冷却剂泵，冷却塔将在5分钟后延时关机。

缺水保护：压力传感器把控冷冻水和冷却水的缺水保障，当压力低于设置时，补水泵自动运行以实现水量增补^[6]。

五、变频节能技术框图及改造原理分析

下图为变频节能系统示意图

变频节能示意图

1.在制冷泵上执行变频转换

控制原理描述如下： PLC控制器凭借温度模块和温度传感器将冷冻机的回水温度和出水温度读取到控制器存储器中，并得出温度差，然后按照该温度差控制频率，从而把控电动机的速度并调节出水速度。温差大，说明室温较高，体系负载较高，必须增加制冷泵的速率以加快冷冻水的活动速度，从而加快热交换；相反，小的温差意味着室温低且系统负荷低，这会降低制冷泵的速度并减慢冷冻水的循环，通过减慢热交换速度来节省电力。

2.在冷却泵上执行变频转换

当制冷单元运行时，冷凝器的热交换能力通过冷却水传递到冷却塔以散发热量并降低温度，并通过冷却泵传递到冷凝器进行连续循环。冷却水进口和出口之间的温差很大，说明冷却器上的负载很大，而冷却水必须释放的热量很大。此时，必须加快冷却泵的运行速度并使之加强循环力度；小的温差表明负荷较小，需要冷却器散发的热量很小，可以降低冷却泵的速度并减少冷却水的循环从而节省电力。

六、运行调试注意事项

1.安装整流程设备后，首先将编译后的程序写入PLC，设置变频器参数，检查电气部件，接通电源并逐步开机调试。

2.调试时，先人为地减轻负载，观察流量是否由于频率降低而降低，并在制冷机发出警报时找到变频器的最低频率，以及流量减少之后管线末端的循环，并允许逆变器以最低的稳定运行点运行。

3.使用温度计在每个时间点检测温度，检查温度传感器的准确性并检查每个工作条件的状态。

4.人为的设置冷却水下降，观察补水水泵的自动运行情况。

七、技术改造后的运行效果比较

因为制冷泵和冷却泵，都是使用PLC /变频器来启动和停止，因此削减了初次开启时大电流对电网的影响，并对电气环境进行了调整，避免了最初由水泵直接启动和停止引起的机械冲击，大大降低了电机和水泵的轴承、轴封等机械摩擦，并拉长了机械零件的使用周期。由于水泵降低速度运行，因此大大降低了噪音、温度升高和电动机的振动，并且还减少了电气故障，电动机的使用周期也得到了延长。

八、结论

尽管一次性投资比较大，但就长期经济利益而言还是很有价值的。它进一步证实了中央空调系统的节能转换可以实现我们最初的预想情形。

如今，随着科学技术的飞速发展，工程师和技术人员有责任积极促进“四新技术”的应用并将其转化为生产力。对旧设备进行运用与加入新技术改造，不但能够提高生产质量和生产效率，而且对节能环保具有关键作用。

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，2010，12：35．36+38．

[2]陈文璇.PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用.中小企业管理与科技 (上旬刊)，2009，02：227．228．

[3]胡晓宇．PLC、变频器在中央空调节能改造中的应用[J].电子制作，2008，06：36．39．

[4]林信贤.中央空调系统节能降耗改造中PLC与变频器的应用实践探讨[J].科技与创新,2015(15):76-77.

[5]黎民乐.PLC和变频器在中央空调节能改造中的应用[J].新材料新装饰，2014(1)：477一478.

[6]许安基于PLC的中央空调节能改造分析[J].科技与创新，2016（09）：124一124.