◎王永辉

(三门峡职业技术学院电气工程学院，河南三门峡472000)

交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段，应用非常广泛。变频器是这种调速方法的主控单元，其工作原理是按照一定的规律同时改变其定子的电压和频率，进而达到调速以及节能的目的。

中央空调系统广泛应用于现代物业大厦，宾馆商场，其能耗占建筑总能耗的1/3 以上，每年在中央空调上花费不菲。和传统中央空调系统相比，变频调速中央空调能监测环境的变化而调节自身的能耗，其节电效果非常明显。

1 方案设计

中国中部某市某办公大楼，其内置一大型会堂。建筑面积为1100 平方米，空调使用面积为1000 平方米。使用频率不高，若采用中央空调来整体控制，必然会造成资源浪费，因此可设计独立的空调调速系统来避免浪费现象出现。

1.1 控制方案

结合实际情况，采用温度为辅压差为主来设计控制系统，系统中反馈信号是压力差，进行恒压差控制。目标信号是回水温度，使压力差的目标值可以在一定范围内根据回水温度进行适当调整。这样不仅达到了节电目标，同时也照顾到了环境温度因素[1]。

1.2 控制电路

控制电路使用压力开关、压力传感器和排气管、吸气管、环境温度、换热器等温度传感器，采集空调系统压力和温度信号对其进行监控。通过与流量分配控制器的信号连接，获取空调系统室内单元的使用情况和室内负荷信息，调整电子膨胀阀，满足空调系统对循环水流量的要求。其结构框图如下图1 和图2 所示，对于风机和水泵的系统接线图如图3 所示。

在本设计方案中，不仅对冷却水泵进行了变频，而且对冷冻水泵也进行了变频，同时在风机拖动系统和水泵拖动系统的主电路都使用了2 台电机即一用一备2 台电机，其主电路如图4 所示[2]。

图1 冷冻水系统结构框

1.3 冷/热负荷计算

因为设计的对象是一个大会堂，根据不同使用空调场所所需单位面积的空调制冷量的数据，这里选取冷负荷为300,而热负荷要比冷负荷稍大，则取350。

由以上数据可以算出大会堂的冷负荷为：1000m2×300W/m2＝3×105w＝300kW；热负荷为：1000m2×350W/m2＝3.5×105w＝350kW。

2 硬件的选择

2.1 泵的选择与确定

溶液泵（冷冻水泵）都为循环泵，常采用高密封性的优质机械密封泵。根据设计要求其流量通过相关计算可得泵的流量G=0.0208m3/s。计算泵的扬程应考虑回路中设备及管道压降，通过相关计算可得扬程为20m；功率5.1kW。

图2 冷却水系统结构框

图3 风机系统接线

查相关资料可得：应选用IB 型离心泵，型号为125-100-250，流量为100m3/h，扬程为20m,转速为1450m3/h，轴功率为7.7kW 的水泵型号。

2.2 电动机的选择

为频调速系统选择电动机，除了要考虑电动机自身运行工况的改变和变频器的性能等因素外，还要考虑其他特殊因素[3]。

式中：ηC—传动效率，如果与电动机直接连接则ηC-1；k—裕量系数，常取1.05～1.7；H—水头（m）；△H—主管损失水头（m）；P—电动机功率（kW）；r—流体密度（kg/m3）；Q—泵的流量（m3/s）。

查阅机械设计手册可得出，应选用YCT、YCTD 系列电磁调速三相异步电动机，见表1。

2.3 变频器的选择

式中：PCN—变频器的额定容量（kVA）；ICN—变频器的额定电流（A）；ICN—电动机电流（A），工频电源时的电流；K—电流波形的修正系数（PWM 方式时取1.05～1.0）；cosφ—电动机的功率因数（通常约0.75）；UM—电动机电压（V）；

PM—负载所要求的电动机的轴输出功率；η—电动机的效率（通常约0.85）[2]。

图4 用一备变频器控制水泵主电路

图5 变频器端子接线

表1 测试样本集的拟合概率结果

对于水泵所选变频器容量为：

轴输出功率

所以查阅西门子MICROMASTER 430 系列手册可得，应选用：

额定输出功率为15.0kW，额定输入电流30.5A，额定输出电流32A，外形尺寸为C,型号为6SE6430-2UD31-5CA0。变频器的段子接线图如图5 所示[5]。

变频器的调节参数见表2。

2.4 传感器的选择

本设计方案采用SWD 45CPT2-2 系列压力传感器，西门子QAA2061 温度传感器和LWGY型涡轮流量传感器与显示仪表配套组成涡轮流量计，所选依据是这几种传感器广泛应用于中央空调节能控制，且物美价廉。

表2 变频器的参数调节

2.5 压缩机的选择

对于压缩机的变频，本设计不做设计对象，因为大多数厂商生产的压缩机本身都带有变频控制部分即是由生产厂原配的，也就是说变频器和压缩机是一个整体，根据空调系统容量的不同可有选择地使用。

3 应用效果

设计的调速空调系统运行以来，达到了节电目标，具体节电分析如下：

因为其水头H、流量Q、转矩T、轴功率P 与转速之间有以下关系：

由以上公式可以看出，流量与转速是成正比的，即转速增大，流量就变大，而功率与转速的立方成正比的，也即与流量的立方成正比，也就是说，由于调速变频器的接入，使得电动机的转速并不是以恒转速运行的，而是根据温差和压差的情况，而改变转速的，所以，在一天的时间里，大约有三分之一的时间，电动机是以较大负荷运转的，其余时间，则是减速运转的。假如规定Q1、P1分别为额定流量和额定功率，则当Q2=80%Q1或n2=80%n1时，则由计算可得：，则P2=0.512P1，若不用调速变频时，每年用电为60000kW/h，则使用后，可节约用电60000kW/h×（1-0.512）=29280kW/h。若按每度电0.55 元计算，则可节约费用0.55×29280=16104 元。其中水泵电动机两台，风机电动机一台，共可节约费用为：16104×3=48312 元[2]。可见设计变频调速系统是成功的，有显著的社会和经济价值。