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图2.4 流量、扬程、功率三者间的关系曲线图
2.4水泵的变频节能原理
中央空调进行热交换的大小由冷冻水的流量控制，通常采用的流量控制方
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法有阀门控制和调述控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量，如果采用调速控制，冷冻水的流量由冷冻泵电机的转速决定，电机的耗电量决定于电机的输出功率，输出功率与电机转速的立方成正比，而电机转速与供电频率成正比，所以电机转速稍有下降，即稍微降低供电频率，输出功率将大幅度下降，若电机转速能根据实际所需的热交换量来调整，电机的功率将大大减少，从而显著节约电能。
2.5水泵的变频节能改造方案
2.5.1节能改造方案选择
风扇房间冷却水进水冷冻水回水盘管风机SP1SP2主机主机SP1SP2冷却水出水冷冻水出水冷却泵（a）冷冻泵(b)
（a）冷却水系统 （b）冷冻水系统
图2.5 循环水系统
冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成了冷却水循环系统。冷冻主机在进行热交换、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
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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。回水的温度将高于进水的温度，形成温差，所以对于冷却泵，通过检测进水和回水的温度差来实现恒温差控制是可行的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，可以提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度；温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以实现节能的目的。
从冷冻主机流出的冷冻水流经所有的房间后回到冷冻主机。无疑，回水的温度将高于出水的温度，形成温差。出水管和回水管上装有检测温度的变送器。与PLC和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差来控制泵的转速也是可行的，回水温度高，说明房间温度高，应该提高冷冻泵的转速，加快冷冻水的循环速度。反之，回水温度低，说明房间温度低，可降低冷冻泵的转速，减缓冷冻水的循环速度，达到节约能源的目的。
变频控制原理图如图2.6所示
温差反馈设定值温差比较PLC变频器水泵机组
图2.6 中央空调变频控制原理图
2.5.2 主电路控制方案
一台变频器控制一台水泵，首先“1号泵”启动，进行变频控制，当“1号泵”变频器的输出已经上升到50HZ，而温差仍高于设定值时，“2号泵”启动并升速，使“1号泵”和“2号泵”同时进行变频控制。
而“1号泵”变频器的输出频率下降到下限频率30HZ时，“2号泵”减速并停止运行，系统又进入到由“1号泵”单独进行变频控制[7]。
为了平衡两台水泵的工作情况，可以进行切换，使两台水泵轮流担任主泵。2.7变频节能系统组成框图：
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三菱PLC 变频器温度摸/数转换冷却进水温度冷却出水温度冷冻进水温度冷冻出水温度D/A转换模块冷冻泵变频部分冷却泵变频部分37kw变频器37kw变频器37kw变频器37kw变频器M1M3M4M6
图2.7 变频节能系统组成框图
2.5.3 空调系统水泵变频中注意问题
在某些中央空调系统中,没有考虑冷冻水、冷却水系统各自的特点而都选择了采用供、回水压差或压力作为变频控制的信号源,结果在运行中发现冷却水泵的频率基本上总是维持在50Hz,从而使冷却水泵的变频形同虚设。我们知道,在冷冻水系统中,随着空调负荷的减少,由于管路上一些阀门的开度自动发生变化,使冷水机组供、回水管路上的压力(差)也随之变化,且随动关系较为紧密;而在冷却水管路中,由于没有设置与空调负荷密切相关又能自动调节压力的装置,使得管路中的压力与空调负荷之间不存在直接的自动依变关系,因此,尽管空调负荷变化了,冷却水管路中的压力也不会跟着变化。可见,在现有的冷却水系统中,要实现冷却泵的变频控制,压力发信方式是不起作用的,最好是采用冷却水温度或温差发信方式。
(1)节能效果的好坏完全取决于操作人员的技术水平、经验和素质。由技术水平高、经验丰富的操作人员进行调整,其效果往往较好;反之,则效果就较差。同时,操作人员的责任心也对节能效果有很大的影响:有高度责任感的操作人员可随时根据需要调整水泵转速,从而取得较好的节能效果无责任感的则可能不采取任何措施,或者始终让水泵运行在低于额定值的某一个转速,其节能效果自然较差。因此,在部分负荷时,手动控制也能取得一定处。
(2)控制不及时,且始终受操作人员操作时间间隔长短的影响。由于操作人员不可能时时刻刻对系统的工作状况进行监测并及时采取相应的措施,使得系统所需要的水流量与实际所提供的水流量之间仍然存在差异,势必影响系统的节能效果,严重时还导致系统不能正常工作。对负荷变化比较大的中央空调系统,可能在某个时刻负荷较小,水泵运行在较低的转速下面;当负荷升高时,如果操作人员没能及时监测到这一状况而没采取提速措施,就会引起冷水机组的工况恶化而可能造成保护性停机(如冷却水不足导致冷凝压力过高停机等)。据笔者了解,目前各单位中央空调运行管理操作人员均为每1小时或2小时填写一次记录表,而且操作人员往往只在填表的时候才会观察系统的工作状况,其它时间内一般不会去巡视,因此这一问题应引起特别关注。
(3)控制参数与控制依据不明确很显然,根据何种运行参数来控制水泵的转速在这种控制方式中得不到具体体现,其控制依据仅仅是操作人员自己的经验。而对于不同的人,判断空调负荷的方法也可能各不相同(如有的按温度或温
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差判断,有的则按压差或压力判断,还有的按冷水机组显示的负荷百分比或电流值判断等等),由此必然引起判断结果的差异,进而造成控制依据的不统一和混乱,必然会影响其效果。笔者认为,既然已经为水泵配置了变频调速装置,其控制最好是采用自动的闭环控制方式,这样成本增加并不多、实现起来也不困难,而且能增加控制的稳定性、提高节能效果而缩短投资回收期。
多泵并联系统中变频器与泵运行控制决策不当在多数中央空调系统中,往往是多台冷冻水泵并联工作,冷却水泵亦然。在这种并联泵系统中如何配置变频器,如何确定部分负荷时水泵的运行控制方案应该引起注意,因为既可采用一台变频器对多台水泵进行切换控制,也可采用多台变频器对多台泵进行控制,虽然这两种方案都能实现全流量范围内的节能,但在实际中千万不能草率,一定要根据身空调系统的特点来决定采用哪种配置,尤其是要正确选择与之相关的运行控制方案,否则会的节能效果,但显然没有充分利用变频节能的好带来深刻的教训。
2.6 变频控制系统的硬件构成
图2.8系统网络结构图
由于本控制系统是在原系统基础上的变频节能改造，考虑到原控制系统的具体情况和工程成本等因素，将控制系统设计为通过PROFIBUS 总线协议通讯的主从式控制结构。系统中各设备由现场控制器实行本地直接自动控制。系统的控制参数的显示及修改通过触摸屏操作。预留以太网通讯接口，便于以后的升级，与监控计算机互连，实现远程集中监控。温度压力信号的采集由传感器采集出的模拟量信号通过远程I/O 站转换并通过PROFIBUS 发送到PLC。选用西门子的PLC 及变频器系统。控制系统由主控制柜和从控制柜组成，网络结构如图2.8所示。
主控制柜中采用西门子紧凑型P L C313C-2 DP 作为主PLC，该PLC 上集成了PROFIBUS DP 通讯口，并且集成了16DI/16DO。主控制柜上配置
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MP277 触摸屏，通过PROFIBUS 与PLC 相连，可以用来显示现场状态和报警信息等。
6台驱动柜对应驱动6台水泵，编为一二三号冷冻驱动柜和冷却驱动柜。驱动柜中安装西门子专用于驱动风机泵类的变频器MM430[6]及ET200M 远程I/O 站。每台变频器进线端子连到原单机柜的启动按钮控制的继电器下端，出线接回原柜。变频器配置有PROFIBUS 通讯选件，可以与PLC进行PROFIBUS 通信。
为了增加通讯线路的抗干扰性同时保证通讯质量，采用西门子标准
PROFIBUS通讯电缆。通过设定PROFIBUS 网络两端的终端电阻，可以减少由于不匹配而引起的反射，并能吸收噪声，有效地抑制噪声干扰。根据现场实际情况，PROFIBUS通讯速率设定为500kbps。3对变频器的控制
变频器的输入输出连接见图2.8从原控制柜星三角启动接触器引出的380V电源被送入驱动柜，连到空气开关，从空气开关下端输出，一端连到变频器的电源输入端，一端连到接触器K2。变频器的输出端连到接触器K1。接触器K1和K2的输出连到共同的输出端子送到水泵电源输入端。
图2.9变频器连接图
在合上空气开关时，通过接触器K 1和K2的选择接通就可实现工频与变频的转换。
工频输出有两种情况：一种是手动工频输出。通过触摸屏选择手动模式，再在驱动柜的工频与变频的切换开关选择工频输出。另一种情况是故障工频输出。当变频器出现故障，将故障信号通过PROFIBUS输出给主P L C ，P L C 判断确为变频器故障，非水泵故障，则通过PROFIBUS 控制ET200M 远程I/O 站，输出信号释放接触器K 1 ，吸合接触器K 2 ，工频输出；如判断确为水泵故障，通过PROFIBUS 停止变频器输出，开启备用泵。
PLC 对变频器的控制
传统的对变频器的输出频率控制是通过向变频器的模拟量端子输入4～20mA 电流信号，实现输出频率0 ～50Hz 之间调节。这种方法实现简单，设备投资较少。但控制精度相对较差，无法将自身运行状态向主控系统反馈。在设计的系统中PLC对变频器的控制是通过PROFIBUS 网络进行。通过PROFIBUS 通讯（最大速率可达12Mbps），变频器中众多的参数变量都可经由网络被PLC 调用和修改。
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