1 引言
深圳某公司生產(chǎn)廠房共有四臺(tái)冷凍機(jī)組，每臺(tái)冷凍機(jī)組由一臺(tái)冷凍水泵、一臺(tái)冷卻水泵和一臺(tái)冷卻塔組成，其中冷卻塔風(fēng)機(jī)容量為18.5kw，冷卻機(jī)組是為我生產(chǎn)廠房空調(diào)工藝設(shè)備提供冷凍水最主要的設(shè)備，它的運(yùn)行好壞，將直接關(guān)系到生產(chǎn)車間溫度的穩(wěn)定和工藝設(shè)備的正常生產(chǎn)，而冷卻水質(zhì)量的好壞將直接影響到冷凍機(jī)組的制冷效果。根據(jù)工藝要求冷卻水的溫度最好控制在28~32℃之間,如果冷卻水溫度低于28℃,對(duì)于冷凍機(jī)組運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的，若高于33℃將影響產(chǎn)品質(zhì)量，為了滿足生產(chǎn)要求，節(jié)約能量，對(duì)冷卻塔風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造。
2 變頻器的工作原理和節(jié)能分析
2.1 風(fēng)機(jī)的特性
風(fēng)機(jī)是傳送氣體的機(jī)械設(shè)備，是把電動(dòng)機(jī)的軸功率轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的一種機(jī)械。風(fēng)機(jī)電機(jī)輸出的軸功率為:
由上式可以看出，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)機(jī)的軸功率等于風(fēng)量與風(fēng)壓的乘積，即風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比。
2.2 風(fēng)機(jī)的節(jié)能效果
圖1中風(fēng)機(jī)的壓力與風(fēng)量的關(guān)系曲線及扭矩與電機(jī)速度的關(guān)系曲線，充分說(shuō)明了調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)風(fēng)量法與變頻器控制的調(diào)節(jié)風(fēng)量法的本質(zhì)區(qū)別與節(jié)能效果。
(1) 電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，由調(diào)節(jié)閥控制風(fēng)量
圖1 風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線
如圖1所示，調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)啟度，r會(huì)變化。關(guān)緊閥門，管道阻力就增大。
管道阻力由r1變到r2，風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)由a點(diǎn)移到b點(diǎn)。
在風(fēng)量從q1減少到q4的同時(shí)，風(fēng)壓卻從h1上升到h5，此時(shí)電機(jī)軸的功率從p1變化到p2。
(2) 變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的速度來(lái)控制風(fēng)量
當(dāng)風(fēng)量由q1變化到q4時(shí)，便出現(xiàn)圖上虛線所示的特性。達(dá)到q4、h4所需的電機(jī)軸功率為p3，顯然p2大于p3，其差值p2-p3就是電機(jī)調(diào)速控制所節(jié)約的功率。
3 冷卻塔系統(tǒng)變頻改造過(guò)程
3.1 冷凍機(jī)組冷卻循環(huán)水系統(tǒng)介紹:
冷凍機(jī)組的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)如圖2所示。冷凍機(jī)組的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)主要由冷凍機(jī)組、冷卻水泵、冷卻塔組成。冷卻水經(jīng)冷卻水泵加壓后，送入冷凍機(jī)組的冷凝器，屆時(shí)，由冷卻水吸收制冷劑蒸氣的熱量，使制冷劑冷卻、冷凝。冷卻水帶走制冷劑熱量后，被送入冷卻塔，經(jīng)布水器，通過(guò)冷卻塔風(fēng)機(jī)降溫，降溫后的冷卻水通過(guò)出水管，流入冷卻水泵，經(jīng)加壓后再送入冷凍機(jī)組的冷凝器。
圖2 冷凍機(jī)組冷卻循環(huán)水系統(tǒng)圖
3.2 冷卻塔變頻節(jié)能改造原理
冷卻塔是冷凍機(jī)組的冷卻水最主要的熱交換設(shè)備之一，它主要靠冷卻塔風(fēng)機(jī)對(duì)冷卻水降溫，風(fēng)機(jī)過(guò)去是靠交流接觸器直接啟動(dòng)控制，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定的，不能調(diào)速，因此，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量也是恒定的，不能調(diào)節(jié)。為了使冷凍機(jī)組進(jìn)口冷卻水溫度保持在28~32℃之間，我們?cè)诶鋮s水泵的出口，即冷凍機(jī)組的冷卻水進(jìn)口管道上安裝一個(gè)溫度傳感器，采集冷卻水溫度，通過(guò)給出一路模擬信號(hào)給變頻器，經(jīng)變頻器自身的pid進(jìn)行調(diào)節(jié)如圖3所示，變頻器給出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率給冷卻塔電機(jī)調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率，這樣形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，維持冷卻水溫度，從而降低冷卻水溫度，冷卻水溫度降低時(shí)，減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，放慢熱交換的速度，從而減慢冷卻水溫度的降低。
4 冷卻塔風(fēng)機(jī)改造主電路介紹及元器件選擇
圖3 冷卻塔變頻改造示意圖
圖4 冷卻塔風(fēng)機(jī)主回路圖
冷卻塔風(fēng)機(jī)改造主電路圖如圖4所示。
原冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù):
電機(jī)型號(hào):y180m-4 額定電壓:380v 頻率:50hz
功率:18.5kw 額定電流:35.9a 轉(zhuǎn)速:1470r/min
防護(hù)等級(jí):ip44 工作制:s1 絕緣等級(jí):b級(jí)
接法:δ cosф=0.82
(1) 變頻器
根據(jù)工藝要求，我們選用的是abb acs 400系列變頻器，該變頻器用于鼠籠式電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制，模塊化設(shè)計(jì)，具有體積小、安裝簡(jiǎn)便、節(jié)能能源、控制準(zhǔn)確、安全可靠等特點(diǎn)。
主要技術(shù)數(shù)據(jù):
功率范圍:2.2~37kw;
電源范圍:三相,ac200~480v±10%;
電源頻率:48~63hz;
控制連接:2個(gè)可編程的模擬輸入(ai);
1個(gè)可編程的模擬輸出(ao);
5個(gè)可編程的數(shù)字輸入(di);
2個(gè)可編程的繼電器輸出(ro);
保護(hù)特性:過(guò)流保護(hù)、i2t、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)、接地保護(hù)、欠壓緩沖、電機(jī)欠/過(guò)載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、串行通迅故障保護(hù)、ai信號(hào)的丟失保護(hù)等。
豐富的菜單功能:內(nèi)置pid、pfc、預(yù)磁通等八種應(yīng)用宏，只需選擇需要的應(yīng)用宏，相應(yīng)的所有參數(shù)都自動(dòng)設(shè)置，輸入輸出端子也將自動(dòng)配置，這些預(yù)設(shè)的應(yīng)用宏配置大大節(jié)約了調(diào)試時(shí)間，減少出錯(cuò)。
由于風(fēng)機(jī)類設(shè)備屬于平方轉(zhuǎn)矩，故選定的abb變頻器型號(hào)為:acs401002032型，適應(yīng)電機(jī)功率pn=18.5kw。
(2) 快速熔斷器
在變頻器進(jìn)線處安裝一組熔斷器，作短路保護(hù)，選擇abb 公司的開(kāi)關(guān)型熔斷器，規(guī)格為siba nh00gl/gg50a。
(3) 負(fù)荷開(kāi)關(guān)
由于每次在對(duì)電機(jī)檢修保養(yǎng)后，對(duì)電機(jī)的絕緣進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都要把電機(jī)與變頻器之間電纜斷開(kāi)，防止對(duì)變頻器的損壞，所以在變頻器的出線側(cè)加裝1個(gè)負(fù)荷開(kāi)關(guān)，型號(hào)為:lts-100 100a。
(4) 溫度傳感器
用于對(duì)冷卻水溫度監(jiān)測(cè)用的溫度傳感器為:pt100、測(cè)量范圍0~50℃±0.2°，輸出信號(hào)為4~20ma
(5) 為了更好的為變頻器散熱，我們?cè)谧冾l器啟動(dòng)柜頂上加裝了一臺(tái)排風(fēng)扇。
5 冷卻塔風(fēng)機(jī)節(jié)能改造的控制電路介紹及操作說(shuō)明
圖5 冷卻塔風(fēng)機(jī)控制回路原理圖
冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能改造控制原理詳見(jiàn)圖5。
每臺(tái)冷卻塔有兩種控制狀態(tài)，分為手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài);
(1) 手動(dòng)狀態(tài)
在此狀態(tài)下變頻器將開(kāi)環(huán)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速用手動(dòng)通過(guò)調(diào)節(jié)給定電位器的方式調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整冷卻水的溫度。
(2) 自動(dòng)狀態(tài)
在此狀態(tài)下變頻器將根據(jù)溫度傳感器給入的模擬信號(hào)(4~20ma)通過(guò)自身的pid控制調(diào)節(jié)，此時(shí)這頻器將閉環(huán)運(yùn)行。
(3) 表1為溫度與反饋信號(hào)的實(shí)際對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。
表1 溫度與反饋信號(hào)數(shù)據(jù)
6 系統(tǒng)接線及調(diào)試步驟
6.1 變頻器通電前檢查
(1) 檢查變頻器外觀良好;
(2) 主電路、控制回路接線正確，良好;
(3) 主電路地線和控制電路地線、公共端、零線的接法符合要求;
(4) 電源電壓符合要求，正常。
6.2 變頻器空載通電檢驗(yàn)
(1) 將變頻器與電機(jī)間負(fù)荷開(kāi)關(guān)qs2斷開(kāi);
(2) 合上電源開(kāi)關(guān)熔斷器組qs1變頻器通電;
(3) 經(jīng)檢查變頻器通電顯示正常;變頻器內(nèi)部冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常;變頻啟動(dòng)柜排風(fēng)扇運(yùn)行正常。
(4) 按《冷卻塔風(fēng)機(jī)節(jié)能改造變頻器基本參數(shù)設(shè)置表》設(shè)置參數(shù);
(5) 將變頻器模擬輸入配置跳線設(shè)置為: ai1斷開(kāi)， ai2接通;如圖6所示。
圖6 變頻器模擬輸入跳線配置示意圖
(6) 連接變頻器端子與柜內(nèi)接線端子的連線，
(7) 手動(dòng)啟動(dòng)變頻器，通過(guò)頻率設(shè)定電位器給予某一個(gè)運(yùn)行頻率，變頻器運(yùn)行正常，電源、運(yùn)行指示正常。
(8) 接好變頻器柜外部的連線，準(zhǔn)備帶載試運(yùn)行。
6.3 變頻器帶載試運(yùn)行
(1) 斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)qs1后，合上負(fù)荷開(kāi)關(guān)qs2后，再合上電源開(kāi)關(guān)qs1;
(2) 將限幅最小頻率(參數(shù)2007)整定值為20hz;
(3) 手動(dòng)啟動(dòng)變頻器，通過(guò)頻率給定電位器給定頻率，變頻器運(yùn)行正常，電機(jī)運(yùn)行方向、電流、溫升正常，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，升降速平滑，電源、運(yùn)行指示正常;但在調(diào)整過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)運(yùn)行在25hz左右時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)葉擺動(dòng)較大，這是由于如在風(fēng)機(jī)的喘拒點(diǎn)范圍，因此避開(kāi)該拒點(diǎn)就解決了。故將限幅最小頻率(參數(shù)2007)整定值改回30hz，風(fēng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn);
(4) 停止變頻器手動(dòng)運(yùn)行后，合上手動(dòng)/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)sa，將變頻器改為自動(dòng)控制，變頻器、電機(jī)運(yùn)行正常，電機(jī)旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，升降速平滑。
7 冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能效果分析
這次節(jié)能改造的效果是非常顯著的，從運(yùn)行觀察中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度如果22℃以下時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在30hz(2.4kw)左右，冷卻水溫度在28℃左右，環(huán)境溫度在22~35℃之間時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在30~45hz(2.4~15.7kw)之間，冷卻水溫度在28~32℃之間時(shí)，白天特別炎熱(36℃以上)時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在48hz，冷卻水溫度在33℃左右。
節(jié)能效果比較:如表3所示。
8 總結(jié)
冷卻塔風(fēng)機(jī)變頻改造具有以下優(yōu)點(diǎn):
· 操作方便，安裝簡(jiǎn)單;
· 能進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍寬，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)。
· 節(jié)能效果非常明顯;
· 由于采用了變頻控制，隨著轉(zhuǎn)速的下降，風(fēng)壓、風(fēng)量也隨之下降，使得冷卻水的散失也下降，節(jié)約了水量。
· 由于用水量下降，水的硬度指標(biāo)上升減慢，使得水處理的用藥量減少;
· 由于轉(zhuǎn)速下降，減少了減速箱的磨損，延長(zhǎng)了減速箱的壽命;
總之，冷卻塔變頻器控制系統(tǒng)的使用，使得廠房調(diào)溫系統(tǒng)可靠性提高，安全性好，具有明顯的節(jié)電效果。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
宋峰青(1958-) 電工高級(jí)技師/工程師 在企業(yè)從事電氣設(shè)計(jì)及設(shè)備改造18年，96年從事職業(yè)教育任實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師，98年開(kāi)始從事電工技師教學(xué)工作，長(zhǎng)期以來(lái)協(xié)助企業(yè)的技師進(jìn)行設(shè)備的變頻節(jié)能改造，著有《電工技能考核指導(dǎo)》、《變頻器原理及應(yīng)用》專著。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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