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浅析变频技术在洁净空调系统中的应用与节能

时间:2019-05-02 14:29:12    标签:洁净室常识    来源:未知



  【摘要】洁净空调系统中,送风量大,风机全压高,电机功率大。送风部分的电能耗在整个洁净空调系统电能耗中占很大的比率。本文分析了洁净空调系统中应用变频技术及自动控制,有效降低能耗的情况。 
  【关键词】风机;风量;风压;变频调速;自动控制 

  1.引言 
  中央空调系统运行过程中的能耗分为三个部分:冷源设备能耗;循环水系统能耗;送风系统能耗。洁净空调系统由于换气次数高,送风量大,是普通空调的3倍以上;送风管路的阻力大,是普通空调的4倍以上。因此,洁净空调系统的风机功率大,耗能高。在整个系统能耗中占很大的比重。选择一个合理可靠的控制方法,对降低洁净空调系统能耗有重要意义。 
  2.洁净空调送风系统分析 
  为了确保洁净厂房的洁净度,不仅需要大量的循环空气,而且,在空气的循环路径中设有初效过滤器,中效过滤器,高效过滤器。这些大风量高阻力环节,导致洁净空调系统中的风机的功率大,是普通空调的几倍甚至十几倍,某洁净厂房空调风管路采用典型的单风机形式,如图1。 
  风机所耗的电功率,与空气循环风量,循环回路阻力,的关系: 
  (1) 
  在(1)式中,为风机全压效率,为电动机效率。 
  设计选择风机及配套电机时,首先考虑是根据洁净工艺要求,计算所需循环风量,然后在经济合理的流速范围内,计算送风管道及设备的阻力来选择风机的压头。一般在工程设计中,将风量和阻力附加10%-15%做为余量;而在选择风机时,由于规格有限,选出的风机都会高于设计的风量和压头。 
  在传统的定速控制系统当中,通常用风量调节阀来改变阻力特性,使风量达到设计值。即浪费电能又影响设备的稳定运行。 
  在洁净空调循环风管路中有三组过滤器,初效过滤器、中效过滤器、和高效过滤器。在设计管路阻力时是按照三组过滤器的终阻力来计算的。而在实际运行中,三组过滤器的阻力是不断变化的,在过滤器刚清洗过或更换,其初阻力比终阻力小很多,这就导致风量严重超过设计值,按照采用调节风阀,增加阻力,来控制风量,就会浪费大量的电能。如果采用变频调速控制,不仅可以节约大量的电能耗,同时可以提高设备运行稳定性。 
  3.变速控制系统节能分析 
  电动机的转速与输入电源的频率成正比,即: 
  公式中,n、f、s、p分别表示电动机的转速、电源的频率、电动机的转差率和电动机的极数,采用变频器调节输入电源的频率以达到改变电动机速度的目的。根据流体力学原理,风机的风量Q,转速n,压力H,轴功率之间的关系如下: 
  Q∝n H∝n2, P∝n3 
  即:风量与转速成正比;压力与转速的平方正比;功率与转速的立方成正比。当电动机的转速由n1变化为n2时,风机的风量,压力、及轴功率的变化为: 
  这就是平方转矩类负载调速节能的基本原理。风机负载及工况变化的的特性曲线如图2。 
  根据工艺技术要求,设计风量Q0,计算风路阻力H0(过滤器终阻力状态),此时对应的理想工作点A。在采用定速控制,使电动机在额定转速下运行,工作点移至D点,对应的风量Q1,当过滤器在初阻力时,工作点甚至移到E点,对应的风量Q2,Q1,Q2的风量和阻力都远远超过设计值,浪费大量的电能;如果采用调节阀来控制风量,工作点就移到C点,虽然风量在额定值,却额外增加了风路阻力△H。也是浪费大量电能。总之,在定速系统中,控制风量是以增加风路阻力为代价,必然会浪费大量的能耗。 
  如果采用变频调速的方法来控制,设计要求的风量,风机运行曲线为n1曲线,所对应的工作点A,这是在终阻力状态下的工作点,当三组过滤器更新或刚清洗过,风路阻力小,通过检测信号,自动降低电机转速,使风机运行曲线变为n2曲线,所对应的工作点为B点,可以看到,随着过滤器的清洗或更新,阻力减小了,通过自动控制,使风量维持在设计风量Q0不变,电能耗随阻力减小而下降。 
  因此,设计一个变速自动控制系统,使电动机的转速随三组过滤器的阻力变化而变化,让送风系统工作在A点和B点之间,是洁净空调送风系统运行即稳定又节约能耗的重要举措。 
  4.带压力反馈的变频调速自动控制系统 
  根据上面分析,要到达送风系统节能运行,就必须是一个闭环的控制系统,图3是简单的送风系统闭环自动控制方框图。 
  运行过程是这样的:根据工艺所要求的风量Q0,设一个给定值,经过控制器和变频器使风机达到某个转速,系统就在设计的风量运行。经过一段时间的使用,三组过滤器越来越来脏,阻力也随之变大,经过压力传感器转化为4-20mA的控制信号变大了,反馈到PID调节控制器,提高变频器输出频率,提高风机的速度,使系统维持在设计的风量上运行;当三组过滤器清洗过或更换新过滤器,阻力小了,同样经过压力传感器转化为4-20mA的控制信号变小了,反馈给控制器,使变频器输出频率下降,风机转速也下降了,系统依然维持在设计风量运行。避免了在初阻力状态,风量远超设计值,而造成电能的浪费。带变频器自动调速控制电路图如图4。 
  5.结束语 
  传统的洁净空调循环风系统采用定速运行方式,依靠调节风阀来调节风量,不仅浪费大量的电能,同时也系统运行稳定性能差,噪音大,设备故障率高。改造后采用闭环变频自动调速控制,具有以下几个优点: 
  (1)电机启动、升速、降速、停机平稳。减小了对电网的冲击;降低设备振动噪音和磨损,减少了设备维修,延长设备的使用寿命。 
  (2)因变频器对电机具有欠电压、过电压、过电流及短路等的保护功能,是系统运行比原来更加安全可靠。 
  (3)在满足洁净度要求的情况下,电动机大多数时间运行在工频以下,节约电能的效果非常显著,经过改造前后对比,风机运行一年节约电能在35%左右。值得大力推广。 
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