基于PLC控制的变频调速技术在中央空调系统中的应用论文 - 图文

理工类大学本科毕业设计论文1

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：基于PLC控制的变频调速

技术在中央空调系统中的应用

学 校： 专业班级： 机械设计及其自动化 学生姓名： 指导教师：

2012年 9 月 1 日

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目 录

摘要 ................................................................... 1

第一章 引言

1.1 课题的来源选题的目的及意义 ...................................... 2 1.2 本课题在国内外的现状及发展趋势 .................................. 3

第二章 中央空调的工作原理 .......................................... 4

2.1 基本结构 ........................................................ 5 2.2 水泵的变频节能原理 ............................. 错误！未定义书签。 2.3 水泵的变频节能方案 ............................. 错误！未定义书签。

第三章 变频器在空调中的应用 ........................................ 6

3.1 变频技术介绍 .................................................... 6 3.2 交流变频和直流变频的区别 ........................................ 7 3.3 直流变频 ........................................................ 8

5. 总结 ............................................................... 9

6参考文献 ........................................................... 10

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摘 要

本论文在分析和比较了国内外中央空调自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结合变频调速在中央空调系统中的工作原理与我国城市中央空调的需求现状，设计了一套以变频调速技术为基础的中央空调冷冻泵自动控制系统。该系统综合运用软启动器、变频调速技术以及自动控制技术，通过调节水泵电机的供电频率，控制电机转速以调节流量实现了中央空调恒温参数的自动控制，保证了中央空调系统随时维持在最佳运行状况。

基于变频器为主体构成的中央空调冷冻泵系统不仅能够最大程度满足需要，也提高了整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的中央空调控制系统。随着变频器的飞速发展，高度智能化，系列标准化是未来中央空调设备适应恒温调度和整体规划要求的必然趋势。

关键词：变频冰箱,压缩机,无刷直流电动机

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第一章 引言

1.1论文研究背景及意义

随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，各种大型建筑在我们国家越来越普遍，其中一般都安有中央空调系统，用于保持整栋大厦温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出的要求就是舒适和节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让居住者感觉最舒适。新建的中央空调系统在按照舒适节能的目标设计，而越来越多的使用多年的中央空调控制系统在进行改造来实现节能、舒适的目的。

据统计，中央空调的用电量占各类大型建筑总用电量的60%以上，其中，仅水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的20%～40%，存在巨大的能源浪费，而世界正在提倡节能减排，因此采用新技术降低系统能耗和减轻空调系统向外界所释放的能量就成为当务之急。

在传统的设计中，中央空调的制冷/制热机组、冷冻水/冷温水泵、冷却水泵、冷却塔风机的容量基本是按照建筑物最大制冷/制热负荷的需求来选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的特性，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，因此如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多的中央空调系统经营管理者所关注的题。

因此采用变频调速技术节约低负荷时主机系统和水泵、风机系统的电能消耗，还对空调系统所释放的能量进行回收利用，具有极其重要的经济和社会意义，寻找一种节能效果明显，性能稳定可靠的控制系统成为当务之急，因而中央空调的节能改造便成必然。

本论文对中央空调实施改造，达到能耗最低，节能减排的目的，使整个中央空调系统处于最佳运行状态，中央空调进行节能技术改造后，系统具有综合节能率在30%以上的显著的节能效果外，其加权减排量也达30%以上，由于节能系统采用一台变频器分别控制多台水泵的运行方案，每台水泵都是可以实现软启动：每台水泵可任意切换，既可以在工频状态下运行，也可以在变频状态下运行。系统根据冷却水流量需求，自动进行泵起/停切换。采用软启动，还大大降低对空调设备和电网的冲击，延长了中央空调系统的使用寿命。引入软启动，不会影响启动时的制冷效果，因为软启动时间仅为数秒即可完成，避免了启动瞬间的电流（该电流为４～７倍工作电流）对电机和电网带来的冲击，另外由于空调冷水系统的闭环控制和自动调节，还可大大改善空调的舒适性。系统采用温差闭环控制，使空调系统更具舒适性。

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节能系统具有短路、过流、接地等保护功能，提高系统的安全可靠。

综上所述，本课题的研究意义在于：

1.通过对中央空调系统的节能措施的研究，可以避免不合理的低效用能，降低了空调系统的能耗，提高了能源的利用率，对于解决当前电力供需矛盾，提高电网的负荷率和发电设备及输电设施利用率，保证电力系统安全运行。减小国家的电力投资等也具有重要的意义。

2.对中央空调系统中的冷却水实施回收利用，将其输入到集中供应的卫生热水系统中，利用有源热泵机组提升水温，增设动态管理的储热循环装置，降低了中央空调系统向外界释放的热量，整个系统既可以节能，也减少了对环境的污染。

3、《变频调速技术在空调系统中的应用》针对社会发展中出现的热点和难点问题选题研

究，现如今的社会，讲究环保、节能、可持续发展，如何在给人类提供方便舒适的生活环境下而尽量的节约能源成为了社会的热点话题，空调是现代化楼宇中不可缺少的一部分，随着我国经济的不断发展和城市化进程的不断推进，中央空调的应用会越来越广泛。但是中央空调的能耗非常大，约占整个建筑总用电量的60%-70%。对中央空调系统的节能研究、节能改造显得尤为重要。

由于设计时，中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10-20设计余量，然而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，存在较大的富余，所以节能的潜力就较大。[1]其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节，存在很大的浪费。水泵系统的流量与压差是靠阀门和旁通调节来完成，因此，不可避免地存在较大截流损失和大流量、高压力、低温差的现象，不仅大量浪费电能，而且还造成中央空调最末端达不到合理效果的情况。

再因水泵采用的是Y-△起动方式，电机的起动电流均为其额定电流的3～4倍，一台90KW的电动机其起动电流将达到500A，在如此大的电流冲击下，接触器、电机的使用寿命大大下降，同时，起动时的机械冲击和停泵时水垂现象，容易对机械散件、轴承、阀门、管道等造成破坏，从而增加维修工作量和备品、备件费用。

综上，为了节约能源和费用，需对水泵系统进行改造，经市场调查与了解采用成熟的变频器来实现，以便达到节能和延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。这是因为变频器能根据冷冻水泵和冷却水泵负载变化随之调整水泵电机的转速，在满足中央空调系统正常工作的情况下使冷冻水泵和冷却水泵作出相应调节，以达到节能目的。

1.2. 国内外的现状及发展趋势

1.2.1在国内外的现状

中央空调在正常运行时，需要根据室内外的工作环境温度、使用空调的空间大小和设定的温度、冷却水温度的变化量等变量的变化，不断调整自身的运行状况，从而实现既能保证空调的舒适性又能尽量降低能耗的双重目标。故此，中央

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空调的控制系统对于一个空调的性能起了至关重要的作用。

大部分中央空调的冷水机组基本都是由人工设定的钟控装置控制，系统定时启动和定时关闭，每天长时间全开或者全关，轮流运行，这样对电网频繁的冲击，不仅恒温效果不佳，让人感到不舒适，同时也浪费了大量的电能，工程设计人员进行空调系统节能控制方面的研究，在目前应用的系统中往往偏重于设备的运行控制管理办法，具体的控制方法上，基本采用PID控制，具有一定的鲁棒性，因为得到了广泛的应用[2]。 1.2.2国内外的发展趋势

变频节能空调近几年来成为我国空调市场上的新宠，拥有变频调速系统的中央空调能够通过温度反馈改变电机的转速使制冷量和环境达到一个平衡，具有更节能、更舒适、更环保的特点。

变频空调在日本的市场占有率已超过90%以上，在欧美等发达国家的市场占有率也超过50%。2009冷年以来，变频空调在我国国内市场的发展更是日新月异，销售增速达56.24％,销量已占空调总销量的17.33％。据有关专家预测,2010冷冻年度变频空调市场份额有望达25％。

据统计，我国电动机装机总容量约4亿多KW，其用电量占当年全国发电量的60%～70%，而风机、水泵设备装机总功率达1.6亿KW，年耗电量3200KW·h，约占当年全国电力消耗总量的1/3。而应用变频器节电率一般在20%～60%，投资回收期1～3年，经济效益相当可观。所以大力推广应用变频调速技术不仅是当前推进企业节能降耗、提高产品质量重要手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。

第二章 中央空调工作原理

中央空调系统的组成

框图如图2-1所示。由图2-1可以看出，中央空调的冷水机组主要有两个水循环系统构成，即冷却水循环系统和冷冻水循环系统，压缩机（图1-2）不断地从蒸发器中抽取制冷剂蒸汽，低压制冷剂蒸汽在压缩机内部被压缩为高压蒸汽后进入冷凝器中，制冷剂和冷却水在冷凝器中进行热交换，制冷剂放热后变为高压液体，通过热力膨胀阀后，液态制冷剂压力急剧下降，变为低压液态制冷剂后进入蒸发器，在蒸发器中，低压液态制冷剂通过与冷冻水的热交换吸收冷冻水的热量，冷冻水通过盘管吹出冷风以达到降温的目的，温度升高了的循环水回到冷冻主机又成为了冷冻水，而变为低压蒸汽的制冷剂，在通过回气管重新吸入压缩机，开始新的一轮制冷循环。而冷却水在与制冷剂完成热交换之后，由冷却水泵加压，通过

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