變頻器技術(shù)及應(yīng)用論文

- 2 - 

盤管風(fēng)機(jī)

冷凍主機(jī)

風(fēng)扇

冷卻塔

冷卻泵

冷卻水回水

冷凍水出水

壓縮機(jī)

冷卻水進(jìn)水

冷凍水回水

房間

冷凍泵

冷凍水管道

冷卻水管道

圖

1-1 

中央空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)組成

冷凝器

蒸發(fā)器

冷卻水

冷凍水

M

壓縮機(jī)

32

℃

37

℃

7

℃

高壓氣體

低壓氣體

低壓液體

高壓液體

熱力膨脹閥

（放熱）

（吸熱）

12

℃

圖

1-2 

制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)的原理圖

由圖

1-1

可以看出，中央空調(diào)的冷水機(jī)組主要有兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，即

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，

壓縮機(jī)

（圖

1-2

）

不斷地從蒸發(fā)器中抽取制

冷劑蒸汽，低壓制冷劑蒸汽在壓縮機(jī)內(nèi)部被壓縮為高壓蒸汽后進(jìn)入冷凝器中，

制冷劑和冷卻水在冷凝器中進(jìn)行熱交換，制冷劑放熱后變?yōu)楦邏阂后w，通過熱

力膨脹閥后，液態(tài)制冷劑壓力急劇下降，變?yōu)榈蛪阂簯B(tài)制冷劑后進(jìn)入蒸發(fā)器，

在蒸發(fā)器中，低壓液態(tài)制冷劑通過與冷凍水的熱交換吸收冷凍水的熱量，冷凍

水通過盤管吹出冷風(fēng)以達(dá)到降溫的目的，溫度升高了的循環(huán)水回到冷凍主機(jī)又

中央空調(diào)冷水機(jī)組系統(tǒng)的組成以及工作原理

- 3 - 

成為了冷凍水，而變?yōu)榈蛪赫羝闹评鋭谕ㄟ^回氣管重新吸入壓縮機(jī)，開

始新的一輪制冷循環(huán)。

而冷卻水在與制冷劑完成熱交換之后，由冷卻水泵加壓，

通過冷卻水管道到達(dá)散熱塔與外界進(jìn)行熱交換，降??后的冷卻水重新流入冷凍

主機(jī)開始下一輪的循環(huán)。

1.1

水泵的變頻節(jié)能原理

中央空調(diào)進(jìn)行熱交換的大小由冷凍水的流量控制，通常采用的流量控制方

法有閥門控制和調(diào)述控制

[4]

。

閥門控制是通過增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的

目的，因而浪費(fèi)了能量，如果采用調(diào)速控制，冷凍水的流量由冷凍泵電機(jī)的轉(zhuǎn)

速決定，電機(jī)的耗電量決定于電機(jī)的輸出功率，輸出功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的立方成

正比，而電機(jī)轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降，即稍微降低供

電頻率，輸出功率將大幅度下降，若電機(jī)轉(zhuǎn)速能根據(jù)實(shí)際所需的熱交換量來調(diào)

整，電機(jī)的功率將大大減少，從而顯著節(jié)約電能。

1.2

水泵節(jié)能改造的必要性

由于設(shè)計(jì)時(shí)，中央空調(diào)系統(tǒng)必須按天氣*熱、負(fù)荷*大時(shí)設(shè)計(jì)，并且留

10-20%

設(shè)計(jì)余量，然而實(shí)際上絕大部分時(shí)間空調(diào)是不會運(yùn)行在滿負(fù)荷狀態(tài)下，

存在較大的富余，所以節(jié)能的潛力就較大，其中，冷凍主機(jī)可以根據(jù)負(fù)載變化

隨之加載或減載，冷凍水泵和冷卻水泵卻不能隨負(fù)載變化作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，存在

很大的浪費(fèi)。

水泵系統(tǒng)的流量與壓差是靠閥門和旁通調(diào)節(jié)來完成，因此，不可避免地存

在較大截流損失和大流量、高壓力、低溫差的現(xiàn)象，不僅大量浪費(fèi)電能，而且

還造成中央空調(diào)*末端達(dá)不到合理效果的情況。為了解決這些問題需使水泵隨

著負(fù)載的變化調(diào)節(jié)水流量并關(guān)閉旁通。

再因水泵采用的是

Y-

△

起動方式，

電機(jī)的起動電流均為其額定電流的

3

～

4

倍，

一臺

90KW

的電動機(jī)其起動電流將達(dá)到

500A

，

在如此大的電流沖擊下，

接

觸器、電機(jī)的使用壽命大大下降，同時(shí)，起動時(shí)的機(jī)械沖擊和停泵時(shí)水垂現(xiàn)象，

容易對機(jī)械散件、軸承、閥門、管道等造成破壞，從而增加維修工作量和備品、

備件費(fèi)用。

綜上，為了節(jié)約能源和費(fèi)用，對水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用變頻器加以實(shí)現(xiàn)，

以便達(dá)到節(jié)能和延長電機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

這是因?yàn)樽冾l器能根據(jù)冷凍水泵和冷卻水泵負(fù)載變化隨之調(diào)整水泵電機(jī)的

變頻器技術(shù)及應(yīng)用論文

- 4 - 

轉(zhuǎn)速，在滿足中央空調(diào)系統(tǒng)正常工作的情況下使冷凍水泵和冷卻水泵作出相應(yīng)

調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能目的。水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的電能就會大大

減少。

其減少的功耗

△

P=P0

〔

1-(N1/N0)3

〕

（

1

）式

減少的流量

△

Q=Q0

〔

1-(N1/N0)

〕

（

2

）式

其中

N1

為改變后的轉(zhuǎn)速，

N0

為電機(jī)原來的轉(zhuǎn)速，

P0

為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下的

電機(jī)消耗功率，

Q0

為原電機(jī)轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的水泵流量。

由上式可以看出流量的減少與轉(zhuǎn)速減少的一次方成正比，

但功耗的減少卻

與轉(zhuǎn)速減少的三次方成正比。

如：假設(shè)原流量為

100

個(gè)單位，耗能也為

100

個(gè)單位，如果轉(zhuǎn)速降低

10

個(gè)

單位，由（

2

）式

△

Q=Q0

〔

1-(N1/N0)

〕

=100

＊〔

1-(90/100)

〕

=10

可得出流量改

變了

10

個(gè)單位，

但功耗由

（

1

）

式

△

P=P0[1-(N1/N0)3]=100

＊

〔

1-(90/100)3

〕

=27.1

可以得出，功率將減少

27.1

個(gè)單位，即比原來減少

27.1%

。

再因變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機(jī)后，電機(jī)在起動時(shí)及運(yùn)轉(zhuǎn)

過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機(jī)使用壽命*主要、*直

接的因素，同時(shí)采用變頻器控制電機(jī)后還可避免水垂現(xiàn)象，因此可大大延長電

機(jī)、接觸器及機(jī)械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。

2

水泵節(jié)能改造的方案

中央空調(diào)系統(tǒng)通常分為冷凍（媒）水和冷卻水兩個(gè)??統(tǒng)（如下圖，左半部

分為冷凍（媒）水系統(tǒng)，右半部分為冷卻水系統(tǒng)）

。

2.1

冷凍（媒）水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

〔

1

〕

、制冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

該方案在保證*末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定一個(gè)冷凍泵變頻

器工作的*小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷凍水泵的頻率調(diào)

水泵節(jié)能改造的方案

- 5 - 

節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍水回水溫度，再

經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減，控制方式是：冷凍回水

溫度大于設(shè)定溫度時(shí)頻率無極上調(diào)。

〔

2

〕

、制熱模式下冷凍水泵系統(tǒng)的閉環(huán)控制

該模式是在中中央空調(diào)中熱泵運(yùn)行

（即制熱）

時(shí)冷凍水泵系統(tǒng)的控制方案。

同制冷模式控制方案一樣，在保證*末端設(shè)備冷凍水流量供給的情況下，確定

一個(gè)冷凍泵變頻器工作的*小工作頻率，將其設(shè)定為下限頻率并鎖定，變頻冷

凍水泵的頻率調(diào)節(jié)是通過安裝在冷凍水系統(tǒng)回水主管上的溫度傳感器檢測冷凍

水回水溫度，再經(jīng)由溫度控制器設(shè)定的溫度來控制變頻器的頻率增減。不同的

是：冷凍回水溫度小于設(shè)定溫度時(shí)頻率無極上調(diào)，當(dāng)溫度傳感檢測到的冷凍水

回溫水越高，變頻器的輸出頻率越低。

2.2

冷卻水系統(tǒng)的閉環(huán)控制

目前，在冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案*為常見，節(jié)電效果也較為顯著。該

方案同樣在保證冷卻塔有一定的冷卻水流出的情況下，通過控制變頻器的輸出

頻率來調(diào)節(jié)冷卻水流量，

當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度低時(shí)，

減少冷卻水流量；

當(dāng)中中央空調(diào)冷卻水出水溫度高時(shí)，加大冷卻水流量，從而達(dá)到在保證中中央

空調(diào)機(jī)組正常工作的前提下達(dá)到節(jié)能增效的目的。

現(xiàn)有的控制方式大都先確定一個(gè)冷卻泵變頻器工作的*小工作頻率，將其

設(shè)定為

下限頻率并鎖定，變頻冷卻水泵的頻率是取冷卻管進(jìn)、出水溫度差和出水

溫度信號來調(diào)節(jié)，當(dāng)進(jìn)、出水溫差大于設(shè)定值時(shí)，頻率無極上調(diào)，當(dāng)進(jìn)、出水

溫差小于設(shè)定值時(shí)，頻率無極下調(diào)，同時(shí)當(dāng)冷卻水出水溫度高于設(shè)定值時(shí)，頻

率優(yōu)先無極上調(diào)，當(dāng)冷卻水出水溫度低于設(shè)定值時(shí)，按溫差變化來調(diào)節(jié)頻率，

進(jìn)、出水溫差越大，變頻器的輸出頻率越高；進(jìn)、出水溫差越小，變頻器的輸

出頻率越低。

經(jīng)多方實(shí)踐應(yīng)用，現(xiàn)用于冷卻水系統(tǒng)閉環(huán)控制的系列智能變頻器采用同制

冷模式下冷凍水泵系統(tǒng)閉環(huán)控制一樣的控制方式。

2.3

水泵節(jié)能改造的方案的優(yōu)點(diǎn)

1

、只需在中中央空調(diào)冷卻管出水端安裝一個(gè)溫度傳感器（如圖，安裝在冷

卻水系統(tǒng)中中央空調(diào)冷卻水出水主管上的

B

處）

，簡單可靠。

變頻器技術(shù)及應(yīng)用論文

- 6 - 

2

、

當(dāng)冷卻水出水溫度高于溫度上限設(shè)定值時(shí)，頻率直接優(yōu)先上調(diào)至上限

頻率。

3

、

當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度下限設(shè)定值時(shí)，頻率直接優(yōu)先下調(diào)至下限

頻率。而采用冷卻管進(jìn)、出水溫度差來調(diào)節(jié)很難達(dá)到這點(diǎn)。

4

、

當(dāng)冷卻水出水溫度介于溫度下限設(shè)定值與溫度上限設(shè)定值時(shí)，通過對

冷卻水出水溫度及溫度上、下限設(shè)定值進(jìn)行ＰＩＤ計(jì)算，從而達(dá)到對頻率進(jìn)行

無極調(diào)速，閉環(huán)控制迅速準(zhǔn)確。

5

、

節(jié)能效果更為明顯。當(dāng)冷卻水出水溫度低于溫度上限設(shè)定值時(shí)，采用

冷卻管進(jìn)、出水溫度差來調(diào)節(jié)方式?jīng)]有將出水溫度低這一因素加入節(jié)能考慮范

圍，而僅僅由溫度差來對頻率進(jìn)行無極調(diào)速，而采用上、下限溫度來調(diào)節(jié)方式

充分考慮這一因素，因而節(jié)能效果更為明顯，通過對多家用戶市場調(diào)查，平均

節(jié)電率要提高

5

％以上，節(jié)電率達(dá)到

20

％～

40

％。

6

、

具有**起動全速運(yùn)行功能。通過設(shè)定變頻器參數(shù)中的數(shù)值可使水系

統(tǒng)充分交換一段時(shí)間，避免由于剛起動運(yùn)行時(shí)熱交換不充分而引起的系統(tǒng)水流

量過小。