變頻技術(shù)在潔凈空調系統中的應用與節能
四川華銳凈化 2019-04-25 22:49:10 閱讀
【摘要】潔凈空調系統中，送風(fēng)量大，風(fēng)機全壓高，電機功率大。送風(fēng)部分的電能耗在整個(gè)潔凈空調系統電能耗中占很大的比率。本文分析了潔凈空調系統中應用變頻技術(shù)及自動(dòng)控制，有效降低能耗的情況。
1.引言
中央空調系統運行過(guò)程中的能耗分為三個(gè)部分：冷源設備能耗；循環(huán)水系統能耗；送風(fēng)系統能耗。潔凈空調系統由于換氣次數高，送風(fēng)量大，是普通空調的3倍以上；送風(fēng)管路的阻力大，是普通空調的4倍以上。因此，潔凈空調系統的風(fēng)機功率大，耗能高。在整個(gè)系統能耗中占很大的比重。選擇一個(gè)合理可靠的控制方法，對降低潔凈空調系統能耗有重要意義。2.潔凈空調送風(fēng)系統分析
為了確保潔凈廠(chǎng)房的潔凈度，不僅需要大量的循環(huán)空氣，而且，在空氣的循環(huán)路徑中設有初效過(guò)濾器，中效過(guò)濾器，高效過(guò)濾器。這些大風(fēng)量高阻力環(huán)節，導致潔凈空調系統中的風(fēng)機的功率大，是普通空調的幾倍甚至十幾倍，某潔凈廠(chǎng)房空調風(fēng)管路采用典型的單風(fēng)機形式，如圖1。
風(fēng)機所耗的電功率，與空氣循環(huán)風(fēng)量，循環(huán)回路阻力，的關(guān)系：
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在（1）式中，為風(fēng)機全壓效率，為電動(dòng)機效率。
設計選擇風(fēng)機及配套電機時(shí)，首先考慮是根據潔凈工藝要求，計算所需循環(huán)風(fēng)量，然后在經(jīng)濟合理的流速范圍內，計算送風(fēng)管道及設備的阻力來(lái)選擇風(fēng)機的壓頭。一般在工程設計中，將風(fēng)量和阻力附加10%-15%做為余量；而在選擇風(fēng)機時(shí)，由于規格有限，選出的風(fēng)機都會(huì )高于設計的風(fēng)量和壓頭。
在傳統的定速控制系統當中，通常用風(fēng)量調節閥來(lái)改變阻力特性，使風(fēng)量達到設計值。即浪費電能又影響設備的穩定運行。
在潔凈空調循環(huán)風(fēng)管路中有三組過(guò)濾器，初效過(guò)濾器、中效過(guò)濾器、和高效過(guò)濾器。在設計管路阻力時(shí)是按照三組過(guò)濾器的終阻力來(lái)計算的。而在實(shí)際運行中，三組過(guò)濾器的阻力是不斷變化的，在過(guò)濾器剛清洗過(guò)或更換，其初阻力比終阻力小很多，這就導致風(fēng)量嚴重超過(guò)設計值，按照采用調節風(fēng)閥，增加阻力，來(lái)控制風(fēng)量，就會(huì )浪費大量的電能。如果采用變頻調速控制，不僅可以節約大量的電能耗，同時(shí)可以提高設備運行穩定性。
3.變速控制系統節能分析
電動(dòng)機的轉速與輸入電源的頻率成正比，即：
公式中，n、f、s、p分別表示電動(dòng)機的轉速、電源的頻率、電動(dòng)機的轉差率和電動(dòng)機的極數，采用變頻器調節輸入電源的頻率以達到改變電動(dòng)機速度的目的。根據流體力學(xué)原理，風(fēng)機的風(fēng)量Q，轉速n，壓力H，軸功率之間的關(guān)系如下：
Q∝n H∝n2， P∝n3
即：風(fēng)量與轉速成正比；壓力與轉速的平方正比；功率與轉速的立方成正比。當電動(dòng)機的轉速由n1變化為n2時(shí)，風(fēng)機的風(fēng)量，壓力、及軸功率的變化為：
這就是平方轉矩類(lèi)負載調速節能的基本原理。風(fēng)機負載及工況變化的的特性曲線(xiàn)如圖2。
根據工藝技術(shù)要求，設計風(fēng)量Q0，計算風(fēng)路阻力H0（過(guò)濾器終阻力狀態(tài)），此時(shí)對應的理想工作點(diǎn)A。在采用定速控制，使電動(dòng)機在額定轉速下運行，工作點(diǎn)移至D點(diǎn)，對應的風(fēng)量Q1，當過(guò)濾器在初阻力時(shí)，工作點(diǎn)甚至移到E點(diǎn)，對應的風(fēng)量Q2，Q1，Q2的風(fēng)量和阻力都遠遠超過(guò)設計值，浪費大量的電能；如果采用調節閥來(lái)控制風(fēng)量，工作點(diǎn)就移到C點(diǎn)，雖然風(fēng)量在額定值，卻額外增加了風(fēng)路阻力△H。也是浪費大量電能?？傊?，在定速系統中，控制風(fēng)量是以增加風(fēng)路阻力為代價(jià)，必然會(huì )浪費大量的能耗。
如果采用變頻調速的方法來(lái)控制，設計要求的風(fēng)量，風(fēng)機運行曲線(xiàn)為n1曲線(xiàn)，所對應的工作點(diǎn)A，這是在終阻力狀態(tài)下的工作點(diǎn)，當三組過(guò)濾器更新或剛清洗過(guò)，風(fēng)路阻力小，通過(guò)檢測信號，自動(dòng)降低電機轉速，使風(fēng)機運行曲線(xiàn)變?yōu)閚2曲線(xiàn)，所對應的工作點(diǎn)為B點(diǎn)，可以看到，隨著(zhù)過(guò)濾器的清洗或更新，阻力減小了，通過(guò)自動(dòng)控制，使風(fēng)量維持在設計風(fēng)量Q0不變，電能耗隨阻力減小而下降。
因此，設計一個(gè)變速自動(dòng)控制系統，使電動(dòng)機的轉速隨三組過(guò)濾器的阻力變化而變化，讓送風(fēng)系統工作在A(yíng)點(diǎn)和B點(diǎn)之間，是潔凈空調送風(fēng)系統運行即穩定又節約能耗的重要舉措。
4.帶壓力反饋的變頻調速自動(dòng)控制系統
根據上面分析，要到達送風(fēng)系統節能運行，就必須是一個(gè)閉環(huán)的控制系統，圖3是簡(jiǎn)單的送風(fēng)系統閉環(huán)自動(dòng)控制方框圖。
運行過(guò)程是這樣的：根據工藝所要求的風(fēng)量Q0，設一個(gè)給定值，經(jīng)過(guò)控制器和變頻器使風(fēng)機達到某個(gè)轉速，系統就在設計的風(fēng)量運行。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，三組過(guò)濾器越來(lái)越來(lái)臟，阻力也隨之變大，經(jīng)過(guò)壓力傳感器轉化為4-20mA的控制信號變大了，反饋到PID調節控制器，提高變頻器輸出頻率，提高風(fēng)機的速度，使系統維持在設計的風(fēng)量上運行；當三組過(guò)濾器清洗過(guò)或更換新過(guò)濾器，阻力小了，同樣經(jīng)過(guò)壓力傳感器轉化為4-20mA的控制信號變小了，反饋給控制器，使變頻器輸出頻率下降，風(fēng)機轉速也下降了，系統依然維持在設計風(fēng)量運行。避免了在初阻力狀態(tài)，風(fēng)量遠超設計值，而造成電能的浪費。帶變頻器自動(dòng)調速控制電路圖如圖4。
5.結束語(yǔ)
傳統的潔凈空調循環(huán)風(fēng)系統采用定速運行方式，依靠調節風(fēng)閥來(lái)調節風(fēng)量，不僅浪費大量的電能，同時(shí)也系統運行穩定性能差，噪音大，設備故障率高。改造后采用閉環(huán)變頻自動(dòng)調速控制，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
?。?）電機啟動(dòng)、升速、降速、停機平穩。減小了對電網(wǎng)的沖擊；降低設備振動(dòng)噪音和磨損，減少了設備維修，延長(cháng)設備的使用壽命。
?。?）因變頻器對電機具有欠電壓、過(guò)電壓、過(guò)電流及短路等的保護功能，是系統運行比原來(lái)更加安全可靠。
?。?）在滿(mǎn)足潔凈度要求的情況下，電動(dòng)機大多數時(shí)間運行在工頻以下，節約電能的效果非常顯著(zhù)，經(jīng)過(guò)改造前后對比，風(fēng)機運行一年節約電能在35%左右。值得大力推廣。
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