變頻技術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，送風量大，風機全壓高，電機功率大。送風部分的電能耗在整個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及自動控制，有效降低能耗的情況。
1.引言
中央空調系統運行過程中的能耗分為三個部分：冷源設備能耗；循環水系統能耗；送風系統能耗。潔凈空調系統由于換氣次數高，送風量大，是普通空調的3倍以上；送風管路的阻力大，是普通空調的4倍以上。因此，潔凈空調系統的風機功率大，耗能高。在整個系統能耗中占很大的比重。選擇一個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.潔凈空調送風系統分析
為了確保潔凈廠房的潔凈度，不僅需要大量的循環空氣，而且，在空氣的循環路徑中設有初效過濾器，中效過濾器，高效過濾器。這些大風量高阻力環節，導致潔凈空調系統中的風機的功率大，是普通空調的幾倍甚至十幾倍，某潔凈廠房空調風管路采用典型的單風機形式，如圖1。
風機所耗的電功率，與空氣循環風量，循環回路阻力，的關系：
（1）
在（1）式中，為風機全壓效率，為電動機效率。
設計選擇風機及配套電機時，首先考慮是根據潔凈工藝要求，計算所需循環風量，然后在經濟合理的流速范圍內，計算送風管道及設備的阻力來選擇風機的壓頭。一般在工程設計中，將風量和阻力附加10%-15%做為余量；而在選擇風機時，由于規格有限，選出的風機都會高于設計的風量和壓頭。
在傳統的定速控制系統當中，通常用風量調節閥來改變阻力特性，使風量達到設計值。即浪費電能又影響設備的穩定運行。
在潔凈空調循環風管路中有三組過濾器，初效過濾器、中效過濾器、和高效過濾器。在設計管路阻力時是按照三組過濾器的終阻力來計算的。而在實際運行中，三組過濾器的阻力是不斷變化的，在過濾器剛清洗過或更換，其初阻力比終阻力小很多，這就導致風量嚴重超過設計值，按照采用調節風閥，增加阻力，來控制風量，就會浪費大量的電能。如果采用變頻調速控制，不僅可以節約大量的電能耗，同時可以提高設備運行穩定性。
3.變速控制系統節能分析
電動機的轉速與輸入電源的頻率成正比，即：
公式中，n、f、s、p分別表示電動機的轉速、電源的頻率、電動機的轉差率和電動機的極數，采用變頻器調節輸入電源的頻率以達到改變電動機速度的目的。根據流體力學原理，風機的風量Q，轉速n，壓力H，軸功率之間的關系如下：
Q∝n H∝n2， P∝n3
即：風量與轉速成正比；壓力與轉速的平方正比；功率與轉速的立方成正比。當電動機的轉速由n1變化為n2時，風機的風量，壓力、及軸功率的變化為：
這就是平方轉矩類負載調速節能的基本原理。風機負載及工況變化的的特性曲線如圖2。
根據工藝技術要求，設計風量Q0，計算風路阻力H0（過濾器終阻力狀態），此時對應的理想工作點A。在采用定速控制，使電動機在額定轉速下運行，工作點移至D點，對應的風量Q1，當過濾器在初阻力時，工作點甚至移到E點，對應的風量Q2，Q1，Q2的風量和阻力都遠遠超過設計值，浪費大量的電能；如果采用調節閥來控制風量，工作點就移到C點，雖然風量在額定值，卻額外增加了風路阻力△H。也是浪費大量電能。總之，在定速系統中，控制風量是以增加風路阻力為代價，必然會浪費大量的能耗。
如果采用變頻調速的方法來控制，設計要求的風量，風機運行曲線為n1曲線，所對應的工作點A，這是在終阻力狀態下的工作點，當三組過濾器更新或剛清洗過，風路阻力小，通過檢測信號，自動降低電機轉速，使風機運行曲線變為n2曲線，所對應的工作點為B點，可以看到，隨著過濾器的清洗或更新，阻力減小了，通過自動控制，使風量維持在設計風量Q0不變，電能耗隨阻力減小而下降。
因此，設計一個變速自動控制系統，使電動機的轉速隨三組過濾器的阻力變化而變化，讓送風系統工作在A點和B點之間，是潔凈空調送風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控制系統
根據上面分析，要到達送風系統節能運行，就必須是一個閉環的控制系統，圖3是簡單的送風系統閉環自動控制方框圖。
運行過程是這樣的：根據工藝所要求的風量Q0，設一個給定值，經過控制器和變頻器使風機達到某個轉速，系統就在設計的風量運行。經過一段時間的使用，三組過濾器越來越來臟，阻力也隨之變大，經過壓力傳感器轉化為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，提高風機的速度，使系統維持在設計的風量上運行；當三組過濾器清洗過或更換新過濾器，阻力小了，同樣經過壓力傳感器轉化為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，風機轉速也下降了，系統依然維持在設計風量運行。避免了在初阻力狀態，風量遠超設計值，而造成電能的浪費。帶變頻器自動調速控制電路圖如圖4。
5.結束語
傳統的潔凈空調循環風系統采用定速運行方式，依靠調節風閥來調節風量，不僅浪費大量的電能，同時也系統運行穩定性能差，噪音大，設備故障率高。改造后采用閉環變頻自動調速控制，具有以下幾個優點：
（1）電機啟動、升速、降速、停機平穩。減小了對電網的沖擊；降低設備振動噪音和磨損，減少了設備維修，延長設備的使用壽命。
（2）因變頻器對電機具有欠電壓、過電壓、過電流及短路等的保護功能，是系統運行比原來更加安全可靠。
（3）在滿足潔凈度要求的情況下，電動機大多數時間運行在工頻以下，節約電能的效果非常顯著，經過改造前后對比，風機運行一年節約電能在35%左右。值得大力推廣。
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