试论PLC与变频技术在中央空调水系统中的节能改造

摘　要：清远市某公司的生产车间和办公室共用一台美国1997年产的麦克维尔PE079离心式中央空调，其主机功能完善，但水系统没有用变频技术控制, 而是采用传统的控制方式, 结果发现仅该空调的用电就达到全公司用电量的30%以上，成本奇高。为降低成本和减少故障，公司2001年下决心组织相关工程技术人员对其进行改造, 2003年获得改造成功。

  关键词：离心式中央空调　PLC　变频技术　改造

  一、中央空调系统的构成及工作原理

  中央空调系统主要由制冷机、冷却水循环系统、风机盘管系统和散热水塔组成，其系统结构如图1所示：

  制冷机通过压缩机将制冷剂压缩成液态后送蒸发器中与冷冻水进行热交换，将冷冻水制冷，冷冻水泵将冷冻水送到各风机中的冷却盘管中，由风机吹送冷风达到降温的目的。经蒸发后制冷剂在冷凝器中释放出热量，与冷却循环水进行热交换，由冷却水泵将带来热量的冷却水泵到散热水塔上由水塔风扇对其进行喷淋冷却，与大气之间进行热交换，将热量散发到大气中去。

  二、该公司中央空调系统运行现状与存在的问题       

   
  该公司中央空调水系统的冷水机的功率是203.6KW，冷却水泵和冷冻水泵的电机各是18.5KW，水塔风机是7.5KW。绝大多数时间内，实际需要的冷负荷低于设计值，冷冻水泵、冷却水泵和水塔风机由工频控制，处于100%的满负荷运行状态，能源浪费非常严重。

  三、中央空调水系统改造的原理

  冷冻水泵、冷却水泵和水塔风机都是传送流体的装置，这类负载消耗的能量与流速的立方成正比，推算可得到能量消耗与转速的关系，具体的关系表达式：

即TL=TO+KTnL2； PL=TLnL/9550；PL=PO+KPnL3。
  式中TL—水泵和风机的阻转矩（N）；

TO—空载转矩（）；      

 KT—转矩比例常数；

nL—负载的转速（r/min）；    

 PL—负载功率；

PO—空载功率或损耗功率（KW）；       
  KP—比例常数。      

        
  如果忽略空载功率，当频率为50Hz时，n=k0×50转/分，功率PL1=KP(k0×50)3；当频率为45Hz时，n=k0×45转/分，功率PL2=KP(k0×45)3。

PL2/PL21=KP(k0×45)3/KP(k0×50)3×100%=72.9%，由此可见，当电源频率从50Hz降为45Hz时，就可节约电能达27.1%。

  四、中央空调水系统改造方法 

  根据上面的原理，在原中央空调水系统中增加PLC控制器、变频器、压差控制器、温差控制器、传感器等控制冷却水泵、冷冻水泵、水塔风机的运行，其系统结构如下图2所示。

  原中央空调水系统是采用传统的继电接触器控制的星-三角降压起动电路，主电路如图3所示，控制电路如图4所示。改造后主电路还保留原来的星-三角降压起动主电路，并增加了一路变频器控制电机，正常情况下是在变频器控制电机，在节能模式下运行，当变频器控制电机这一路有故障时，可以切回星-三角降压起动运行，提高了系统的安全性。整个控制功能的实现以PLC、变频器和传感信号处理器为主。

  五、改用PLC控制的I/O分配表如表1所示，I/O接线图如图5所示。

  表1、PLC I/O分配表
  六、水系统PLC控制程序设计
  1、水系统变频器或星-三角运行选择。

  2、冷冻泵手动运行控制或主机自动运行控制选择。

  3、冷冻泵星三角运行。

  4、冷冻泵变频器控制。

  5、冷却泵手动运行控制或主机自动运行控制选择。

  6、冷却泵星-三角运行

  7、冷却泵变频器控制。

  8、水塔风机手动运行控制或主机自动运行控制选择。

  9、水塔风机星-三角运行

  10、水塔风机变频器控制。

  七、变频器接线及参数设定

  1、变频器接线如图8所示。
  2、变频器参数设置：
  冷冻水泵电机变频器a参数设置：
  Pr.1上限频率：49.5Hz；

Pr.2 下限频率：35 Hz；

Pr.7 加速时间：6s；

Pr.8 减速时间：8s；

Pr.14适用负荷选择：1；

Pr.20加/减速参考频率：50Hz；

Pr.21加/减速时间单位：0；Pr。

60智能模式选择：4；

Pr.71适用电机：6；

Pr.73 0—5V/0—10V选择：0；

Pr.78逆转防止选择：1；

Pr.79 操作模式：2；

（在设置上述参数前Pr.79先设置1）；

Pr.251输出欠相保护选择：1。

  冷却水泵电机变频器b参数设置：
  Pr.1上限频率：49.5Hz；

Pr.2 下限频率：35 Hz；

Pr.7 加速时间：6s；

Pr.8 减速时间：8s；

Pr.14适用负荷选择：1；

Pr.20加/减速参考频率：50Hz；

Pr.21加/减速时间单位：0；

Pr.60智能模式选择：4；

Pr.71适用电机：6；

Pr.73 0—5V/0—10V选择：0；

Pr.78逆转防止选择：1；

Pr.79 操作模式：2；

（在设置上述参数前Pr.79先设置1）；

Pr.251输出欠相保护选择：1。

   水塔风机变频器c参数设置：
  Pr.1上限频率：49.5Hz；

Pr.2 下限频率：25 Hz；

Pr.7 加速时间：3s；

Pr.8 减速时间：8s；

Pr.14适用负荷选择：1；

Pr.20加/减速参考频率：50Hz；

Pr.21加/减速时间单位：0；

Pr.60智能模式选择：4；

Pr.71适用电机：6；

Pr73 0—5V/0—10V选择：0；Pr.

78逆转防止选择：1；

Pr.79 操作模式：2；

（在设置上述参数前Pr.79先设置1）；

Pr.251输出欠相保护选择：1。

  八、结束语

  笔者与两名同事有幸参与了该中央空调水系统的改造,收获颇丰。此次技术改造先后共投入6万余元资金，但经过与往年对比，不足一年即节约出了成本。由于采取了降速运行和软启动，不仅减少了振动、噪音和磨损，延长了设备维修周期和使用寿命，提高了设备的MTBF（平均故障维修时间）值，而且减少了对电网冲击，提高了系统的可靠性。
参考文献 李佐周 主编《制冷与空调设备原理及维修》.高等教育出版社。
2、王兆义 编着《小型可编程控制器实用技术》.机械工业出版社。
3、三菱变频器.《A540用户使用手册》。
4、三菱PLC.《FX2N编程手册》。