變頻技術(shù)在潔凈空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用與節(jié)能
四川華銳凈化 2019-04-25 22:49:10 閱讀
【摘要】潔凈空調(diào)系統(tǒng)中，送風(fēng)量大，風(fēng)機(jī)全壓高，電機(jī)功率大。送風(fēng)部分的電能耗在整個(gè)潔凈空調(diào)系統(tǒng)電能耗中占很大的比率。本文分析了潔凈空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)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(diào)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的能耗分為三個(gè)部分：冷源設(shè)備能耗；循環(huán)水系統(tǒng)能耗；送風(fēng)系統(tǒng)能耗。潔凈空調(diào)系統(tǒng)由于換氣次數(shù)高，送風(fēng)量大，是普通空調(diào)的3倍以上；送風(fēng)管路的阻力大，是普通空調(diào)的4倍以上。因此，潔凈空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)功率大，耗能高。在整個(gè)系統(tǒng)能耗中占很大的比重。選擇一個(gè)合理可靠的控制方法，對(duì)降低潔凈空調(diào)系統(tǒng)能耗有重要意義。2.潔凈空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)分析
為了確保潔凈廠房的潔凈度，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(shè)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(jié)，導(dǎo)致潔凈空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)的功率大，是普通空調(diào)的幾倍甚至十幾倍，某潔凈廠房空調(diào)風(fēng)管路采用典型的單風(fēng)機(jī)形式，如圖1。
風(fēng)機(jī)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：
?。?）
在（1）式中，為風(fēng)機(jī)全壓效率，為電動(dòng)機(jī)效率。
設(shè)計(jì)選擇風(fēng)機(jī)及配套電機(jī)時(shí)，首先考慮是根據(jù)潔凈工藝要求，計(jì)算所需循環(huán)風(fēng)量，然后在經(jīng)濟(jì)合理的流速范圍內(nèi)，計(jì)算送風(fēng)管道及設(shè)備的阻力來(lái)選擇風(fēng)機(jī)的壓頭。一般在工程設(shè)計(jì)中，將風(fēng)量和阻力附加10%-15%做為余量；而在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，由于規(guī)格有限，選出的風(fēng)機(jī)都會(huì)高于設(shè)計(jì)的風(fēng)量和壓頭。
在傳統(tǒng)的定速控制系統(tǒng)當(dāng)中，通常用風(fēng)量調(diào)節(jié)閥來(lái)改變阻力特性，使風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)值。即浪費(fèi)電能又影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。
在潔凈空調(diào)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(shè)計(jì)管路阻力時(shí)是按照三組過(guò)濾器的終阻力來(lái)計(jì)算的。而在實(shí)際運(yùn)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(dǎo)致風(fēng)量嚴(yán)重超過(guò)設(shè)計(jì)值，按照采用調(diào)節(jié)風(fēng)閥，增加阻力，來(lái)控制風(fēng)量，就會(huì)浪費(fèi)大量的電能。如果采用變頻調(diào)速控制，不僅可以節(jié)約大量的電能耗，同時(shí)可以提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。
3.變速控制系統(tǒng)節(jié)能分析
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速、電源的頻率、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率和電動(dòng)機(jī)的極數(shù)，采用變頻器調(diào)節(jié)輸入電源的頻率以達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)速度的目的。根據(jù)流體力學(xué)原理，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量Q，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速成正比；壓力與轉(zhuǎn)速的平方正比；功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變化為n2時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，壓力、及軸功率的變化為：
這就是平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載調(diào)速節(jié)能的基本原理。風(fēng)機(jī)負(fù)載及工況變化的的特性曲線如圖2。
根據(jù)工藝技術(shù)要求，設(shè)計(jì)風(fēng)量Q0，計(jì)算風(fēng)路阻力H0（過(guò)濾器終阻力狀態(tài)），此時(shí)對(duì)應(yīng)的理想工作點(diǎn)A。在采用定速控制，使電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，工作點(diǎn)移至D點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)量Q1，當(dāng)過(guò)濾器在初阻力時(shí)，工作點(diǎn)甚至移到E點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的風(fēng)量Q2，Q1，Q2的風(fēng)量和阻力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)值，浪費(fèi)大量的電能；如果采用調(diào)節(jié)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(fèi)大量電能。總之，在定速系統(tǒng)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(fèi)大量的能耗。
如果采用變頻調(diào)速的方法來(lái)控制，設(shè)計(jì)要求的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線為n1曲線，所對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)A，這是在終阻力狀態(tài)下的工作點(diǎn)，當(dāng)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(cè)信號(hào)，自動(dòng)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行曲線變?yōu)閚2曲線，所對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)為B點(diǎn)，可以看到，隨著過(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(shè)計(jì)風(fēng)量Q0不變，電能耗隨阻力減小而下降。
因此，設(shè)計(jì)一個(gè)變速自動(dòng)控制系統(tǒng)，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨三組過(guò)濾器的阻力變化而變化，讓送風(fēng)系統(tǒng)工作在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間，是潔凈空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行即穩(wěn)定又節(jié)約能耗的重要舉措。
4.帶壓力反饋的變頻調(diào)速自動(dòng)控制系統(tǒng)
根據(jù)上面分析，要到達(dá)送風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，就必須是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，圖3是簡(jiǎn)單的送風(fēng)系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)控制方框圖。
運(yùn)行過(guò)程是這樣的：根據(jù)工藝所要求的風(fēng)量Q0，設(shè)一個(gè)給定值，經(jīng)過(guò)控制器和變頻器使風(fēng)機(jī)達(dá)到某個(gè)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)就在設(shè)計(jì)的風(fēng)量運(yùn)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(zhuǎn)化為4-20mA的控制信號(hào)變大了，反饋到PID調(diào)節(jié)控制器，提高變頻器輸出頻率，提高風(fēng)機(jī)的速度，使系統(tǒng)維持在設(shè)計(jì)的風(fēng)量上運(yùn)行；當(dāng)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(zhuǎn)化為4-20mA的控制信號(hào)變小了，反饋給控制器，使變頻器輸出頻率下降，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也下降了，系統(tǒng)依然維持在設(shè)計(jì)風(fēng)量運(yùn)行。避免了在初阻力狀態(tài)，風(fēng)量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，而造成電能的浪費(fèi)。帶變頻器自動(dòng)調(diào)速控制電路圖如圖4。
5.結(jié)束語(yǔ)
傳統(tǒng)的潔凈空調(diào)循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)采用定速運(yùn)行方式，依靠調(diào)節(jié)風(fēng)閥來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，不僅浪費(fèi)大量的電能，同時(shí)也系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性能差，噪音大，設(shè)備故障率高。改造后采用閉環(huán)變頻自動(dòng)調(diào)速控制，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
?。?）電機(jī)啟動(dòng)、升速、降速、停機(jī)平穩(wěn)。減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊；降低設(shè)備振動(dòng)噪音和磨損，減少了設(shè)備維修，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
?。?）因變頻器對(duì)電機(jī)具有欠電壓、過(guò)電壓、過(guò)電流及短路等的保護(hù)功能，是系統(tǒng)運(yùn)行比原來(lái)更加安全可靠。
?。?）在滿足潔凈度要求的情況下，電動(dòng)機(jī)大多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在工頻以下，節(jié)約電能的效果非常顯著，經(jīng)過(guò)改造前后對(duì)比，風(fēng)機(jī)運(yùn)行一年節(jié)約電能在35%左右。值得大力推廣。
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