变频器在中央空调系统的应用

1、PAGE 26 山西职业技术学院设计（论文）题目： 变频器在中央系统中的应用 系部：专业：班级：姓名：指导教师：山西职业技术学院 毕业设计任务书开始日期：2012 年11月22日 完成日期：2012 年11月29日 答辩日期：2012 年 11 月 30 日 1、设计目的考核学生对本专业知识的掌握和应用。2、设计题目水塔水位设计 3、设计内容和要求内容:1、使用三菱FX系列PLC为控制核心，选择电磁阀YV、交流接触器KM、热继电器FR、按钮、水位检测开关SL等作为外围控制器件，控制水泵启动和停止。满足水位控制要求。具体任务：（1）进水控制。当水池水位低于低水位界时，SL4为ON，电磁阀YV打开

2、进水；当水位高于水池高水位界时SL3为ON；电磁阀YV关闭。（2）报警显示。如果电磁阀打开4s后，SL3不为ON，表示没有进水，出现故障，此时系统关闭电磁阀，指示灯HL按0.5s亮灭周期闪烁。（3）抽水控制。当SL4为OFF并且水塔水位低于水位界时，SL2为ON，水泵M启动运转，开始抽水；当水塔水位高于高水位界时，SL1为ON，水泵M停止运行，抽水完毕。2、查阅相关资料，要完成系统分析以及PLC和外接设备的选择；PLC的I/O接点分配；系统电路图；系统流程图；系统梯形图和指令表；完成程序的仿真和调试。4、设计报告要求（1） 设计使用的PLC和外围器件选择与器件介绍。（2） 分析控制要求，绘制系

3、统电路图（3） 确定输入输出设备以及接点分配。（4） 画出程序流程图和梯形图。（5） 指令表清单（6）写出设计体会与建议.毕 业 设 计 （论 文）进 度 计 划 表日期工作内容执行情况指导教师签字11月22日11月23日-了解设计要求，查阅资料11月23日11月25日元器件选型，绘制各分电路图11月25日11月26日设计总电路图，说明工作过程11月26日11月27日总结设计中的问题，得出结论 11月27日11月28日撰写论文及准备答辩 11月28日11月29日论文打印11月30日论文答辩教师对进度计划实施情况总 评签名 年 月 日 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK

4、l _Toc232304121 第1章 引 言 PAGEREF _Toc232304121 h 1 HYPERLINK l _Toc232304122 第2章 变频器的基础知识 PAGEREF _Toc232304122 h 4 HYPERLINK l _Toc232304123 21 变频器的概述 PAGEREF _Toc232304123 h 4 HYPERLINK l _Toc232304124 211 变频器的定义、分类及结构 PAGEREF _Toc232304124 h 4 HYPERLINK l _Toc232304125 212变频器的应用： PAGEREF _Toc23230

5、4125 h 11 HYPERLINK l _Toc232304126 22 变频器的工作原理和控制方式 PAGEREF _Toc232304126 h 12 HYPERLINK l _Toc232304127 221 变频器的工作原理 PAGEREF _Toc232304127 h 12 HYPERLINK l _Toc232304128 222 变频器的控制方式 PAGEREF _Toc232304128 h 13 HYPERLINK l _Toc232304129 第3章 空气调节基础知识 PAGEREF _Toc232304129 h 16 HYPERLINK l _Toc232304

6、130 31 空气调节相关概念 PAGEREF _Toc232304130 h 16 HYPERLINK l _Toc232304131 311 空调常用温度单位 PAGEREF _Toc232304131 h 16 HYPERLINK l _Toc232304132 312 空调常用能量单位 PAGEREF _Toc232304132 h 16 HYPERLINK l _Toc232304133 313中央空调常用概念 PAGEREF _Toc232304133 h 16 HYPERLINK l _Toc232304134 第4章 中央空调系统基础知识 PAGEREF _Toc2323041

7、34 h 18 HYPERLINK l _Toc232304135 41 中央空调系统的类型及特点 PAGEREF _Toc232304135 h 18 HYPERLINK l _Toc232304136 411 集中式中央空调系统 PAGEREF _Toc232304136 h 18 HYPERLINK l _Toc232304137 412 风机盘管空调系统 PAGEREF _Toc232304137 h 18 HYPERLINK l _Toc232304138 413 变制冷剂流量（VRV）空调系统 PAGEREF _Toc232304138 h 19 HYPERLINK l _Toc2

8、32304139 414 水冷柜机空调系统 PAGEREF _Toc232304139 h 19 HYPERLINK l _Toc232304140 415 水源热泵空调系统 PAGEREF _Toc232304140 h 19 HYPERLINK l _Toc232304141 416 风冷热泵模块空调系统 PAGEREF _Toc232304141 h 20 HYPERLINK l _Toc232304142 42 中央空调系统的结构及工作原理 PAGEREF _Toc232304142 h 20 HYPERLINK l _Toc232304143 421 中央空调系统的结构 PAGERE

9、F _Toc232304143 h 20 HYPERLINK l _Toc232304144 422 中央空调系统的工作原理 PAGEREF _Toc232304144 h 21 HYPERLINK l _Toc232304148 第5章 中央空调系统的现状和改造方案 PAGEREF _Toc232304148 h 28 HYPERLINK l _Toc232304149 51 中央空调系统存在的不足 PAGEREF _Toc232304149 h 28 HYPERLINK l _Toc232304150 52 中央空调水系统变频节能改造方案设计 PAGEREF _Toc232304150 h

10、 28 HYPERLINK l _Toc232304151 5.2.1 中央空调系统现行运行工况与分析 PAGEREF _Toc232304151 h 29 HYPERLINK l _Toc232304152 5.2.2 控制系统软件功能与实现 PAGEREF _Toc232304152 h 32 HYPERLINK l _Toc232304153 5.2.3 变频节能改造效果估算与投资收益分析 PAGEREF _Toc232304153 h 35 HYPERLINK l _Toc232304154 5.2.4 中央空调系统改造后的节能优点 PAGEREF _Toc232304154 h 37

11、 HYPERLINK l _Toc232304155 53 中央空调系统的运行管理 PAGEREF _Toc232304155 h 38 HYPERLINK l _Toc232304156 结束语 PAGEREF _Toc232304156 h 41 HYPERLINK l _Toc232304158 参考文献 PAGEREF _Toc232304158 h 43 第1章 引 言学院毕业（设计）论文第1章 引 言能源的利用情况标志着一个国家 HYPERLINK / 科技进步的水平。在我国大力推广节能产品，禁止使用耗能过大的设备，提高能源的利用率，以缩短与世界先进国家的差距，为 HYPERLIN

12、K /china/ 中国的 HYPERLINK /dangdai/ 现代建设提供能源的保证。但是，近年来，随着经济的进一步发展，大量的公共建筑如宾馆、写字楼、商场、餐饮酒店、运动场馆等拔地而起，中央空调系统也就成为了现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一。由于近年来电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，加之目前各生产、服务业竞争激烈，多数企业利润空间不够理想。因此电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。据统计，中央空调的用电量占各类建筑大厦总用电量的70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20%-40%，故节约低负荷时压缩机系统和水系统的消耗的能量，具

13、有很重要的意义。国家“十一五”规划纲要中明确提出要把节约资源和保护环境基本国策，建设低投入、高产出，低消耗、少排放，能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会。提出了“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%等目标。这是针对资源环境压力日益加大的突出问题提出来的，体现了建设资源节约型、环境友好型社会的要求，是现实和长远利益的需要，具有明确的政策导向。中央空调在各大中型民用、商用建筑中的普及，带来了严重的能耗问题。中央空调系统的电耗一般占整座建筑电耗的50%60，建筑能耗则占全国总能耗的1/3左右，因此提高能源利用率是我国能源可持续发展的方向

14、。中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算其最大冷负荷，并由此确定空调主机的装机容量及空调水系统的供水流量。然而，实际上每年只有极短时间出现最大冷负荷的情况。因此，中央空调系统在绝大部分时间里，都是在部分负荷（远小于其额定容量）条件下运行的。据统计，实际空调负荷平均只有设备能力的50%左右，这无疑造成了大量的能源白白浪费。而且，空调水系统的水泵、风机等机电设备，长期处在工频额定状态下高速运行，机械磨损严重，导致设备故障增加和使用寿命缩短。另一方面，空调负荷又具有变动性。由于季节交替、气候变幻、昼夜轮回、使用变化（如旅游旺、淡季）及人流量增减（如宾馆入住率的变化）等各种因素变化的

15、影响，中央空调系统的负荷具有起伏变化和不恒定的特点，如果中央空调的运行方式不能根据负荷的变化而调节，始终在额定容量（即满负荷状态）下运行，也势必造成巨大的能源浪费。近年来随着IC产业的迅猛发展，变频器的价格大幅下降，同时，可靠性增强，容量增大，采用变频器对风机、水泵类机械进行调速来调节风量、流量，已变得越来越现实，其对节约能源、提高经济效益具有重要意义。所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频空调水系统和自适应智能负荷调节的压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的优越性，而且得到越来越多的被广泛推广与应用。采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，更重要的是通常其节能效果高达3

16、0%以上，能带来良好的经济效益。 中央空调系统设计首先是根据室外气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。但空调系统绝大部分时间是在不满负荷的情况下工作。在不满负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低。现在空调系统在运行调节方式上，风水系统主要是阀门（手动、自动阀门调节），主机利用卸荷方式，而这些方式是牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求，造成运行成本居高不下。若采用变频控制，能量的传递和运输环节控制为变水量（VWV）和变风量（VAV），使传递和运输耦合并达到最佳温差置换，其动力仅为其它控制系统的30%60%，而且节能是双效的，因为对制

17、冷主机的需求能耗同时下降。主机采用变频节能控制，保持设计工况下的制冷剂运动的物理量（如温差、压力等）变化，节能较其它调荷方式明显，如约克（YORK）的YT型离心式冷水机组，配置变频机组在部分负荷下能效比可降至0.2kw/冷吨，可见变频控制方式在空调系统中应用前景十分广阔。过去由于价格的原因，在中央空调系统中应用变频技术推广较难。在变频技术、计算机自动化控制技术非常成熟的今天，用此技术与暖通空调专业技术相结合，它并不是一门高价的技术，在小功率空调中其经济性都可承受，在中央空调系统中更不应该成问题：（1）中央空调运行时间更长，节能问题更突出；（2）变频控制在整个系统中所占的造价比例不高；（3）变频

18、控制器的容量越大，每千瓦功率单价越低。中央空调系统采用变频器是可行的，其投资回收一般在612个月，以变频控制器使用寿命10年计，其净收益在10倍投资额以上。第2章 变频器的基础知识第2章 变频器的基础知识21 变频器的概述变频技术是应交流电动机无级调速的需要而诞生的。变频器的问世，使电气传动领域发生了一场技术革命，即交流调速取代直流调速。交流电动机变频调速技术具有节能、改善工艺流程、提高产品质量和便于自动控制等诸多优势，被国内、外公认为最有发展前途的调速技术。211 变频器的定义、分类及结构 变频器的定义：变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。 变频器的基本类型：1.按变

19、换的环节分类：（1）交交变频器：交交变频器是将工频交流直接变换成频率电压可调的交流电（变换前后的相数相同），又称直接式变频器。（2）交直交变频器：交直交变频器是先将工频交流通过整流器变换成直流电，然后再将直流电变换成频率电压可调的交流电，又称间接式变频器。交直交变频器是目前广泛应用的通用变频器。 2.按直流电源的性质分类： （1）电流型变频器：电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波。由于该直流环节内阻较大，故将其称为电流型变频器。电流型变频器的特点是能扼制负载电流频繁且急剧地变化，常应用于负载电流变化较大的场合。 （2）电

20、压型变频器：电压型变频器的特点是中间直流环节采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，内阻较小，相当于电压源，故将其称为电压型变频器，常应用于负载电压变化较大的场合。 3.按电压的调制方式分类： （1）脉宽调制（SPWM）变频器：脉宽调制（SPWM）变频器电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，中、小容量的通用变频器几乎全都是采用此类调制方式。 （2）脉幅调制（PAM）变频器：脉幅调制（PAM）变频器电压的大小是通过调节直流电压的幅值来实现的。 4.按输入电源的相数分类： （1）三进三出变频器：三进三出变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。绝大多数变频器都属此类。 （2）单

21、进三出变频器：单进三出变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电。家用电器里的变频器都属此类，通常容量较小。 变频器的结构：1.主电路：变频器给负载提供调压调频电源的电力变换部分。典型的电压型变频器主电路如图2-1所示， 图2-1 典型的电压型变频器的主电路其主电路由整流器、平波电路和逆变器组成。若负载为异步电动机，则在变频调速系统需要制动时，还需要附加制动回路。 （1）整流器：变频器一般使用的是二极管整流器，它将工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管整流器构成可逆变整流器，因为可逆变整流器的功率方向可逆，故可以进行再生运行。 （2）平波电路：在整流器整流后的直流电压中含有电源6倍频率的

22、脉动电压。此外，逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。变频器容量小时，如果电源和主电路的构成件有余量，则可以省去电感而采用简单的平波回路。 （3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流电变换为所要求的可变压变频的交流，控制电路以所确定的时间控制6个开关器件导通、关断就可以得到3相变压变频交流输出。 （4）制动回路：异步电动机负载的再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存在平波回路电容器中，使直流环节电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积累的能量比电容储存的能量大，故为抑制直流电路电压上升，需采用制动力回路消耗直流电路中的再生能

23、量。制动回路也可采用可逆整流器把再生能量向工频电网反馈。 2.单相逆变主电路： (1)半桥逆变电路：半桥逆变电路具有结构简单、功率开关器件数目最少、成本低廉及稳定性高等优点。但是，回馈电流会使得前级变频器输出电压波动加大，使电源输出电容容量增大；同时，使得中点电位向正（或负）方向持续漂移，给供电带来极大影响。（2）全桥逆变电路：普通全桥逆变电路共需8只功率开关器件，如图2-2（a）所示。图2-2(a) 双桥逆变电路与半桥逆变电路相比，两者的功率开关器件数量比为2:1，直流电压利用率更高，但是结构更复杂，稳定性和经济性不如半桥逆变电路；在实际应用中，将中间两桥臂保二为一，构成两相三桥臂逆变电路，

24、如图2-2（b）所示。图2-2(b) 两相三桥臂变电路两相三桥臂全桥逆变电路继承了全桥逆变电路的优点，同时有效地减少了开关器件的数目其输出电压值可达到全桥电路的70%以上。 3.变频器的功率开关器件：（1）门极可关断晶闸管（GTO）：门极可关断晶闸管是目前能承受电压电高和流过电流电大的全控型开关器件。具有电流密度大、管压降低、导通损耗小和耐压高等突出优点，适合大功率应用。但是，驱动电路复杂，驱动功率大，开关频率低。 （2）门极换流晶闸管（GCT）：门极换流晶闸管（GCT）具有GTO高电压、大电流及低导通压降的优点，同时改善了开通和关断性能，使工作频率有所提高。 （3）绝缘栅双极型晶体管（IGB

25、T）：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种复合型全控器件，具有MOSFET（输入阻抗高、开关速度快）和GTR（耐压高、电流密度大）二者的优点，驱动功率小，开关损耗小，工作频率高，没有二次击穿，不需缓冲电路，是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。4.控制电路：变频器的控制电路是给变频器主电路提供控制信号的回路，其控制电路如图：2-3所示，图2-3 变频器控制电路由运算电路、电压（电流）检测电路、驱动电路、I/O（输入/输出）电路、速度检测电路组成。（1）运算电路：运算电路的功能是将变频器的电压、电流检测电路的信号及变频器外部负载的非电量信号（速度、转矩等经检测电路转换为电信号）与给定的电流、电

26、压信号进行比较运算，决定变频器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：采用电隔离检测技术来检测主回路的电压、电流。检测电路对检测到的电压、电流信号进行处理和转换，以满足变频器控制电路的需要。 （3）驱动电路：驱动电路的功能是在控制电路的控制下，产生足够功率的驱动信号使主电路开关器件导通或关断，控制电路采用电隔离技术实现对驱动电路的控制。 （4）I/O（输入/输出）电路：I/O（输入/输出）电路的功能是使变频器能更好的实现人机交互。 （5）速度检测电路：速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器为核心，将检测到的电动机速度信号进行处理和转换，送入运算回路，根据指令和运算参数可使电动机按指

27、令速度运转。5.保护电路：变频器的保护电路是通过检测主电路的电压、电流等参数来判断变频器的运行状况。当发生过载或过电压等异常时，保护电路可使变频器中的逆变电路停止工作或抑制变频器的输出电压、电流值。保护电路可分为变频器保护和负载（异步电动机）保护两种。表2-1为保护功能一览表。表2-1 保护功能一览表保护对象保护功能保护对象保护功能变频器保护瞬时过电流保护异步电动机保护过载保护超频（超速）保护过载保护再生过压保护瞬时停电保护其他保护防止失速过电流防止失速再生过电流接地过电流保护冷却风机保护6.单向逆变控制电路： (1)半桥SPWM控制：单相电动机采用SPWM控制时，由于要保证两相绕中的电流相位

28、差为90，所以两路调制信号的相位相应地也要设定为相差90。SPWM控制的优点是谐波含量低，滤波器设计简单，容易实现调压、调频功能；缺点是直流电压利用率低，适合模拟电路，不便于数字化方案的实现。 （2）半桥：电压空间矢量同气隙磁场之间的关系：U=d/dt 式（2-1）可通过控制电压空间量来控制电动机气隙磁场的旋转，故SVPWM控制又称为磁链轨迹控制。半桥逆变电路在采用SVPWM控制时，输出相电压的最大值为Ud/2。 （3）两相三桥臂全桥逆变SPWM控制：在载波相同的情况下，A相和B相调制波为正弦波，在相位上A相超前B相90；公共桥臂则采用恒定占空比的方法调制，上、下桥臂占空比均为50%。如此，在

29、A和B绕组上得到幅值相等、相位相差90的正弦电压。电压幅值与调制度m成正比，当m=1时，输出电压峰值达到最大，为Ud/2。依据电动机的u/f曲线与输出电压和m的关系，即可实现两相电动机的变压变频调速控制。 7.变频器基频设置参数：（1）基频参数：变频器基频参数的示意图如图2-4所示。图2-4 变频器基频参数示意图在基频以下，变频器的输出电压随输出频率的变化而变化，u/f为常数，适合变频调速系统的恒转矩负载特性。在基频以上，变频器的输出电压维持电源额定电压不变，适合变频调速系统的恒功率负载特性。 （2）如何设置基频：基频参数设置应该以负载的额定参数设置。（3）基频设置注意事项：基频参数直接反映变

30、频器输出电压和输出频率的关系，如果设置不当，则容易造成负载的过流或过载。212变频器的应用： 变频调速已被公认为最理想、最有发展前途的调速方式之一，其主要应用在以下几个方面： 1.变频器在节能方面的应用：风机、泵类负载的耗电功率基本与转速的三次方成比例，当采用变频调速后，节电率可以达到20%60%。据统计，风机、泵类电动机用电量占全国用电量的31%，占工业用电量的50%，因此，在此类负载上采用变频调速具有非常重要的意义。目前，应用较成功的恒压供水，各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。 2.变频器在自动化系统中的应用：由于变频器内置有32位或16位的微处理器，具有多种算术逻辑运算和智能控制功能

31、，输出频率精度高达0.1%0.01%，还设有完善的检测、保护环节，因此在自动化系统中获得广泛的应用。3.变频器在提高工艺水平和产品质量方面的应用：变频器还可以广泛应用于传送、超重、挤压和机床等各种机械设备控制领域，可以提高工艺水平和产品质量减少设备的冲击和噪声，延长设备的寿命。采用变频调速控制后，使机械系统简化，操作和控制更加简便，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高整个设备的性能。22 变频器的工作原理和控制方式221 变频器的工作原理变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电

32、，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。由电机学可知，交流电动机的转速公式为：n60f(1s)/p 式(2-2)式中： n异步电动机的转速(每分钟旋转次数)； f电源频率； s电动机转差率； p电动机极对数。由式(1-2)可知，转速n与频率f成正比，只要均匀地改变电源频率f，则可以平滑地改变电动机的转速n。当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。 由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定

33、不变的。由于电机的磁极对数1个磁极对数等于2极，电机的极数不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是作为电机调速设备的优选设备。 然而，只调节频率f是不行的，因为E=4.44fNKmU 式（2-3）式中： E磁感电动势； f电源频率；N定子绕组匝数； K与绕组结构有关的常数； m每极磁通量； U定子相电压。当定子电压U不变时，m与f成反比，f的升高或降低，会导致磁通m的减小或增大，从而使电动机最大转

34、矩减小，严重时将导致电动机堵转，甚至将电机烧毁，或者使磁路饱和，铁耗急剧增加。为此，在调节电源频率的同时，要调节电压的大小，以维持磁通的恒定，使最大转矩不变。222 变频器的控制方式 异步电动机调速传动时，变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当控制，不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途是不同的。控制方式大体可分为开环控制（U/f控制方式）和闭环控制（转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制）两种。 1变频器的U/f控制：U/f控制多用于通用变频器、风机、泵类机械的节能运行、生产流水线的工作台传动及一些家用电器等。 （1）普通功能型的U/f控制通用变频器：此控制方式具有优异

35、的功能和性能，有较强的通用性，应用广泛；但是，静态稳定性不高，当转速很低时，其转矩不足。 （2）新一代高功能型通用变频器：运算速度大幅度提高，且采用了磁通补偿器、转差补偿器和电流限制控制器，以实现转矩控制功能。采用此控制方式，可使极低速度下的转矩过载能力达到或超过150%，频率设定范围达到1:30，且具有足够的响应速度。2转差频率控制：与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流能力得到了提高，速度的静态差小，适用于自动控制系统，常用于单运转。如果保持电动机的气隙磁通一定，则电动机的转矩和电流由转差角频率决定，因此控制电动机转差角频率，就可以控制异步电动机的转矩。转差频率控制系统的突出优点就在于

36、频率控制环节的输入频率信号是由转差信号和实测转速信号相加后得到的，在转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步上升或下降。3.矢量控制：以产生同样的旋转磁动势为准则，将三相坐标系下的交流电机等效为两相旋转坐系下的直流电动机。矢量控制系统的结构如图2-5所示。图2-5 矢量控制系统原理框给定和反馈信号经过类似直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号im1*和电枢电流给定信号it1*，经过逆变换得到和ia1*，i1*再经过2/3变换得到iA*、iB*和iC*。把这三个电流控制信号和由控制器直接得到的频率控制信号1加到带电流控制的变频器上，就可以输出异步电动机调速所需的三相变频电流。4.直接转

37、矩控制：直接转矩控制系统是高动态性能的交流变频调速系统，图2-6为定子磁场控制的直接转矩控制系统的原理框图。图2-6 接定子磁场控制的直接转矩控制系统直接转矩控制系统具有以下特点：转矩和磁链都采用直接反馈的双位式砰-砰控制（继电器控制），避开了将定子电流分解成转矩和励磁分量，简化了控制器的结构，但是缺点是带来了转矩脉动，限制了调速范围。第3章 空气调节基础知识第3章 空气调节基础知识31 空气调节相关概念空气调节简称空调，它是通过对空气的处理使某区域范围内空气的温度、相对湿度、气流速度和洁净度达到一定要求的工程技术，常用空调基数和精度来表示。空调基数：指空调房间所要求的基准温度和相对湿度；空调

38、精度：指空调房间空气的温度、相对湿度在所要求的连续时间内允许波动的幅度。 实践证明，人们感到舒适的环境条件为：空气温度1828，相对湿度40%60%，空气流动速度0.25m/s左右。311 空调常用温度单位温度是描述空气冷热程度的物理量，主要有三种标定方法：摄氏温标、华氏温标和绝对温标（热力学温标或开氏温标）。 摄氏温标用符号t表示，单位是；华氏温标用符号tF表示，单位是；绝对温标用符号T表示，单位是K。三种温标间的关系如下： T=t+273 tF=9/5t+32312 空调常用能量单位在空调行业，常用冷量单位为千瓦KW、冷吨RT、匹HP、万大卡kcaL/h等。换算关系如下： 1kcaL/h=

39、1.163W 1KW=860kcaL/h 1USRT=3.517KW。313中央空调常用概念 1.制冷量：空调器进行制冷运行时，单位时间内低压侧制冷剂在蒸发器中吸收的热量。2.热泵制热量：空调器进行热泵制热运行时，单位时间内高低侧制冷剂在冷凝器中放出的热量。3.能效比：能效比=制冷（制热）量/耗功。能效比数值越大，机组经济性越好，运行费用越低。 4.制冷剂：制冷剂是制冷系统中传递能量、实现循环的工作介质，简称工质。中央空调机组常用制冷剂有：R22、R123、R134a、R410a和R407c等。5.载冷剂：凡是凝固温度低于蒸发温度、沸腾温度高于常温的物质均可作为载冷剂，常用的载剂有： （1）水

40、和空气：水常用于蒸发温度高于2的场合； （2）盐水：各种盐类的水溶液，常用的有：氯化钠（NaC1）、氯化钙（CaCl2）、氯化镁（MgCl2）的水溶液。 （3）有机化合物：有机化合物的水溶液，如乙二醇。 6.贮冷剂：在间接冷却的制冷装置中，被冷却物体或空间的热量是通过中间介质传递给载冷剂的，此中间介质被称为贮冷剂。常用的贮冷剂是冰和共晶冰。7.制冷主机：制冷主机一般是由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、控制柜及相关设备组成的一整套制冷系统。第5章 中央空调系统的现状和改造方案第4章 中央空调系统基础知识41 中央空调系统的类型及特点工程上常将集中式空调系统和半集中式空调系统统称为中央空调系统。4

41、11 集中式中央空调系统 集中式空调系统是典型的全空气系统，是工程上常用的系统之一。它广泛应用于舒适性或工艺性的各种空调系统中，例如：会堂、宾馆、商场以及对空气环境有特殊要求的工业厂房。 集中式空调系统特点： （1）空气处理设备的制冷设备集中布置在机房中，便于集中管理和调节； （2）采取了有效的防振消声措施； （3）使用寿命长； （4）不易失火；（5）系统运行不经济；412 风机盘管空调系统 在空调系统中，风机盘管空调系统是最常见的空调方式，几乎公认应首选风机盘管加新风系统。此系统冷量和热量分别由空气和水带入空调房间，属于空气水系统，广泛应用于旅馆、公寓、医院和办公室等高级多层的建筑中。 风机

42、盘管空调系统特点： （1）机房占地面积小，风管截面积小，容易布置； （2）盘管易结垢，影响传热效果；（3）运行灵活，节能效果好； （4）使用寿命长；（5）维护管理繁琐；413 变制冷剂流量（VRV）空调系统 能源和环境问题是当今世界关注的焦点。为了节约能源保护环境，采用变流量以适应空调负荷变化，在制冷空调领域受到广泛重视。变水量、变风量和变制冷剂流量等变流量系统的应用，在提高空调质量和节约能源两个方面效果突出。 变制冷剂流量（VRV）空调系统特点： （1）减少了压缩机频繁启停造成的能量损失； （2）系统的季节能效比大提高； （3）降低了启动电流，避免了其他用电设备和电网的冲击； （4）降低了室

43、内机的噪声； （5）可实现各个房间或区域的独立控制； （6）大大提高能源利用效率；414 水冷柜机空调系统 水冷柜机是以冷却水为冷源，以冷媒制取冷量的中央空调机组，在结构上将压缩机、蒸发器、冷凝器、节流部件等集中为一体对个直接输出冷气。常用于夏季炎热、空间需求风量大的场所，如超市、餐厅等。415 水源热泵空调系统 水源热泵空调系统是利用地下水、河水、湖水等资源，通过制冷压缩机系统消耗部分电能，冬季，把水中的低品味能量“取”出来，供给室内采暖或生活热水；夏季，把室内的热取出来，释放到水中，达到制冷/热水的目的。水源热泵空调系统特点： （1）一机多用，用途广泛； （2）绿色环保；（3）高效节能；

44、（4）安全可靠； （5）可再生资源；416 风冷热泵模块空调系统风冷热泵模块空调系统以空气为冷、热媒，以水为供冷热介质的中央空调机组。广泛应用于新建或改建的大小工业与民用建筑的空调系统，如宾馆、公寓、酒店、医院及厂房的各类公共建筑，也可用于高档别墅的中央空调系统。尤其适用于对噪声和环境有较高要求，缺水，不宜安装冷却塔的场合。目前主流的风冷热泵根据所采用压缩机的不同，主要有风冷涡旋机组和风冷螺杆机组两种。42 中央空调系统的结构及工作原理421 中央空调系统的结构一个典型的中央空调系统一般由冷、热源机组，冷、热量输送系统，空气处理设备，空气输送设备，空气分配设备，被调对象组成，如图4-1所示。图

45、4-1 中央空调系统的构成图422 中央空调系统的工作原理 1四种制冷方法：(1)液体汽化制冷：最常用，如蒸汽压缩式； (2)气体膨胀制冷； (3)涡流管制冷； (4)热电制冷。2制冷原理中央空调技术实际上是人工制冷技术的一种典型系统性应用，当前，人工制冷技术按其补偿过程的不同可主要分为蒸汽压缩式、吸收式、蒸汽喷射式、吸附式四种方法，其中，被广泛应用在中央空调系统的制冷方法主要有两种：蒸汽压缩式制冷循环和吸收式制冷循环。(1) 蒸汽压缩式制冷： 蒸汽压缩式制冷过程分为蒸发过程、压缩过程、冷凝过程和节流过程四个过程，其原理图如图4-2所示。 图4-2 中央空调系统制冷制热原理图（a）图4-2 中

46、央空调系统制冷制热原理图（b）1压缩过程：蒸发器中的制冷剂蒸汽被离心压缩机吸入后，原动机（一般为电动机）通过压缩机叶轮对其施加能量，使制冷剂蒸汽的压力提高并进入冷凝器；与此同时，制冷剂蒸汽的温度在压缩终了时也相应提高。 2冷凝过程：由压缩机来的高压、高温制冷剂蒸汽，在冷凝器中通过向管内的冷却水放出热量，温度有所下降，同时在饱和压力（冷凝温度所对应的冷凝压力）下，冷凝成为液体。这时，冷却水因从制冷剂蒸汽中摄取了热量，其温度要有所升高。冷却水的温度与冷凝温度（冷凝压力）直接有关。 3节流过程：由冷凝器底部来的高温、高压制冷剂液体，流经节流孔口时，发生减压膨胀，压力、温度都降低，变为低压、低温液体进

47、入蒸发器中。 4蒸发过程：低压、低温制冷剂液体在蒸发器内从载冷剂（如冷水）中摄取热量后蒸发为汽体，同时使载冷剂的温度降低，从而实现人工制冷，蒸发器内的制冷剂蒸汽又被压缩机吸入进行压缩，重复上述压缩、冷凝、节流、蒸发过程。如此周而复始，达到连续制冷的目的。（2） 吸收式制冷： 通过使用两种沸腾点差距较大的物质组成的二元溶液(也称工质对，其低沸腾点组份为制冷剂，高沸腾点组份为吸收剂)，利用溶液在一定条件下能析出低沸点组份的蒸汽，而在另一条件下又能吸收低沸点组份的蒸汽这一特性由制冷机系统采用热能驱动，通过发生、冷凝、蒸发、吸收4个过程来完成制冷循环。 目前，在中央空调系统中的制冷压缩机以速度型的离心

48、式压缩机和以容积型的螺杆式或活塞式压缩机的应用最为普遍。第5章 中央空调系统的现状和改造方案51 中央空调系统存在的不足中央空调在各大中型民用、商用建筑中的普及，带来了严重的能耗问题。中央空调系统的电耗一般占整座建筑电耗的50%60，建筑能耗则占全国总能耗的1/3左右，因此提高能源利用率是我国能源可持续发展的方向。中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算其最大冷负荷，并由此确定空调主机的装机容量及空调水系统的供水流量。然而，实际上每年只有极短时间出现最大冷负荷的情况。因此，中央空调系统在绝大部分时间里，都是在部分负荷（远小于其额定容量）条件下运行的。据统计，实际空调负荷平均只有

49、设备能力的50%左右，这无疑造成了大量的能源白白浪费。而且，空调水系统的水泵、风机等机电设备，长期处在工频额定状态下高速运行，机械磨损严重，导致设备故障增加和使用寿命缩短。另一方面，空调负荷又具有变动性。由于季节交替、气候变幻、昼夜轮回、使用变化（如旅游旺、淡季）及人流量增减（如宾馆入住率的变化）等各种因素变化的影响，中央空调系统的负荷具有起伏变化和不恒定的特点，如果中央空调的运行方式不能根据负荷的变化而调节，始终在额定容量（即满负荷状态）下运行，也势必造成巨大的能源浪费。所以，节约中央空调在低负荷时冷却循环水系统和冷冻循环水系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。传统的中央空调节能控制多采用

50、PID控制，这种控制方法控制响应迅速，方法简单。但是，对空调这种参数不确定的系统不能进行有效的控制。通过结合PLC和变频器，对传统中央空调进行改造，可弥补传统PID控制的不足。52 中央空调水系统变频节能改造方案设计本方案是通过变频器、PLC、数模转换模块、温度模块、温度传感器等构成的温差闭环自动调速系统对冷冻泵及冷却泵进行控制（根据具体情况，冷冻水泵和冷却水泵均采用“两用一备”的方式运行）。具体安装如图5-1所示：图5-1 中央空调水系统变频节能安装图5.2.1 中央空调系统现行运行工况与分析 1.冷冻循环水系统的现状分析(共3台电机水泵)（1）标称数据电机18.5KW 380V 50Hz

51、接法 72A 1470r/min额定流量187m3/h 额定扬程44m（2）运行数据2台运行1台备用，电机实际运行电流60A64A，水泵运行时出口压力0.800.85MPa 冷冻循环水进出水温度10/7。冷冻循环水系统采用进出水管道并联形式工频运行，由于冷冻循环水管网最大高度落差为40m左右，管网在额定流量下阻力小于0.2kg，故冷冻循环水泵出口处压力只要能够达到60m扬程就可以满足冷冻水循环的需要。由于冷冻循环水其落差静压为40m左右，所以，实际上在冷冻循环水泵仅需要提供20m左右的净输出扬程即可满足系统对扬程的基本需求。对于额定扬程为44m的冷冻循环水泵来说，其实际需要扬程仅为其额定扬程的

52、45%。显然，单从扬程需求角度看可最大节约功率约为:Ph=70%。在另一方面也可以证明冷冻循环水泵的实际输出流量过剩现象，当前冷冻循环水进出水温度为:10/7，对应温差T，与冷冻循环水标准进出水温度参考值:12/7，其对应温差T=5相比，实际温差约为标准允许温差的60%，此时单从流量需求角度看，可最大节约功率约为:PQ78%。通过以上工况数据分析可知，该冷冻循环水泵在该工况点状态下，最大可节约率约为(与额定值相比):Pmax=Umin(Ph,PQ)=Umin(70%,78%)=70%在此工况下工频运行实际消耗功率约为:P工实=62A/72APe=0.8618.5KW15.9（KW）即工频状态下

53、消耗功率仅约为其额定功率的86%。在该工况点下，实施变频节能改造后可节约的功率约为(与工频状态相比):P节=1-0.3/0.8665%。假定冷冻循环水在其运行期间负荷时间变化服从线性均匀分布，对此负荷时间分布线性函数求积分，那么，冷冻循环水系统改造后平均节约功率可达41%。实际上由于系统在运行期间其负荷的时间分布规律服从类似正态特性，所以，可以肯定地说改造后实际节能效果将大于41%。当然，精确的系统节约率指标还受到各负荷点分布规律和工频状态下的实际消耗功率、变频控制系统效率、电机和水泵效率等因素的影响，在此就不再做进一步的计算。实践表明，按此方法获得的节约率估算值一般与实际节约率值偏差小于5%

54、。正是因为压力与流量的过剩作用使水流过速、热交换温差偏小，因此，可以通过降低冷冻循环水的总供应流量来实现向标准温差参考值靠近，从而达到节约能量的目的。在对实际运行工况考察时，不能够简单地依据电机运行电流的大小来判断，若只简单地从冷冻循环水系统的电机实际运行电流来看(额定电流为72A，实际运行电流60A64A)，就会发出没有多少节电空间的错误判断。急之，应根据实际运行工况点数据做依据，利用变频驱动装置，把系统富余的流量、扬程节省下来，使系统工作在耗能最少的最佳工况下(扬程和流量均无多余的状态下)，从而达到既满足系统需求又使能耗最少的目的。2. 冷却循环水系统的现状分析(共3台电机水泵)（1）标称

55、数据电机18.5kW 380V 50Hz 接法 83A 1480r/min 额定流量320m3/h 额定扬程22m(2)运行数据 2台运行1台备用，每台电机实际运行电流70A，泵运行出口压力0.25MPa-0.28MPa，冷却水进出水温度:28/31。冷却循环水系统采用进出水管道并联形式工频运行，由于冷却塔位于15m楼面平台，冷却塔与冷却水泵垂直落差为15m+4m=19m，所以冷却循环水系统静压约为:H静0.20MPa，考虑到冷却循环水系统管网阻尼和冷却塔逆流冷却所需要的喷射压头，实际冷却循环水泵需要输出扬程应小于0.25MPa，即冷却循环水泵需要净输出扬程为:H动0.l0MPa，仅为其额定扬

56、程的30%，显然，单从扬程需求上看其可节约功率约为:Ph=83%。再从冷却循环水系统实际需要流量的角度来分析，当前冷却循环水系统进出水温度为:28/31，其对应温差T13，与冷却循环水标准进出水温度参考值:30/35，其标准允许温差T=5相比，实际温差约为标准允许温差的60%,同样，但从流量需求角度，具有约为PQ=78%节约空间。综合扬程与流量的可节约空间，该冷却循环水系统在该工况点下最大可获得的节约率为(与其额定值相比)：Pmax=Umin(Ph,PQ)=Umin(83%,78%)=78%在此工况下工频运行实际消耗功率约为:P工实=70A/83APe=0.8418.5KW15.5（KW）即工

57、频状态下消耗功率仅约为其额定功率的84%。那么，在该工况点下，实施变频节能改造后可节约率约为(与工频状态相比)P节=1-0.22/0.8474%。假定冷却循环水负荷时间变化服从均匀分布，对此负荷分布线性函数求积分，那么，冷却循环水系统改造后平均节约功率约可达46%。5.2.2 控制系统软件功能与实现整个集成的控制系统软件由两个部分组成，即PLC软件和上位机软件，在PLC软件中分别对各个部分做了详尽的控制编程设计，按不同控制对象和作用将各部分软件的主要功能描述如下：图5-2 控制系统方案结构图1. 冷冻循环水部分冷冻循环水系统的运行主要依据蒸发器的进出水温度差来决定流量的增加。在夏季供冷期间，当

58、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，即时降低水泵的运行速度减少流量，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，应考虑能够保证冷冻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(变频器输出频率低限)，在此速度下变频器的输出频率将不再降低;相反，当实际温差大于标准温差时，应增加变频器的输出频率，即提升泵的转速增加水流量;当变频器输出频率达到48Hz后(此时功率约为0.95Pe)，若实际温差仍偏大时，就需要再投入另一台泵变频并行运行，此时两台泵并行运行的频率初始给定值定为（50Hz/2）1.128Hz，此2台泵运行时输出的流量已大于单台泵的流量，但此时

59、2台泵的累计消耗功率仅约为0.35Pe,从这一点看，2台同时变频运行要比1台工频加1台变频方式更能节约电能，因此，在设计系统时全部采用了“一控一”的方式，而没有采用“一控多”的方式。在2台泵根据温差值以相同频率同时升速或同时降速运行时，若温差仍偏大，则以相同的方式再投入第三台变频运行。当2台或3台泵同时变频运行且实际温差比标准温差小时，应降低变频器输出频率以减小泵的输出流量，当频率减小到输出频率下限时（本系统设定为20Hz），若仍存在温差偏大现象时，控制系统将自动停止最早投入运行的1台水泵（即按先入先出的调度策略实施增减泵的动作），而不是继续降低输出转速，剩下的泵再根据温差偏差自动调节流量运行

60、。2. 冷却循环水部分冷却循环水系统的运行原理与冷冻循环水系统运行原理基本一致，两者本质的差异在于:当冷凝器进出水温差大于标准允许温差时应增加流量，正好与冷冻循环水的调节方向相反。具体的流量调节过程略。以基准压力需求为下限，以温差值作反馈的闭环控制原理如图5-所示。（a）闭环控制原理过程图 （b）闭环控制过程调节原理图5-3 闭环调节控制原理图在图5-3（a）中，以基准压力需求作为双闭环的内环来限定流量输出调节的下限依据，以实际进出水温度差与标准允许温差的偏差值作为外环来决定每次流量调节幅度的大小和单位时间内流量调节频度的依据。图5-3(b)中，曲线AB表示单台泵冷却循环水流量变化与进出水温度