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牟致桦 陈玮钰 刘文卓
北华航天工业学院电子与控制工程学院 河北廊坊 065000
【文章摘要】
随着变频器的普及，在节能、自动化控制、降低生产成本、增加设备使用寿命和提高企业竞争力等方面发挥着重要的作用。变频器多应用于化工厂、传送带、数控车床、造纸厂等多方面领域，文中以MM440 西门子变频器为例，对中央空调变频调控系统中的系统和组成部分，以及PID 控制原理进行理论分析。
【关键词】
变频器；中央空调；控制系统
1 变频器和变频调速原理
变频器是将固定频率的交流电转变为频率连续可调的交流电的装置。主电路由整流器、逆变器、中间直流环节构成，控制电路由运算电路、驱动电路、检测电路、控制信号的输入（输出）电路构成。
异步电动机的同步转速公式： n1=60ƒ/p
异步电动机的轴转速公式：n=60(1-s) ƒ1/p=n1(1-s)
其中n1 为同步转速（r/min）；ƒ1 为定子电流频率（Hz）；s 为异步电动机转差率s=（n1-n）/n1 ；p 为栅极对数。改变异步电动机的供电频率，无级地调节异步电动机转速，实现变频调速。
2 中央空调系统
中央空调应用广泛，其中央空调系统往往按照最大负载加上充足余量来设计。这便导致了中央空调的电能消耗占据整个建筑物的50%--70% 的比例，而实际中的大部分时间，系统处在固定工频的满负载下运行，冷却水泵、冷冻水泵均不能自动调节负载，造成了能源的极大浪费。
中央空调系统主要由冷冻（冷热）水循环系统、冷却水循环系统、盘管风机系统及主机构成，图1 为常见中央空调系统构成工作示意图。当改变三相异步电动机的供电频率（风机为三相380V），转数降为80%（由50Hz 变为40Hz），可得此时功率变化之比P 改/P=0.512，即功率下降为51.2%，节电效果显著。
3 西门子MM440 变频器及PLC 连接
西门子MM440 变频器内部分为控制通道（面板、外界控制端子、通信接口）、主控电路部分、控制电源部分、采样及检测电路部分、驱动电路部分、主电路部分。内部电路中滤波电容Cd 起到滤波和储能的作用。
而实际中变频器作为检测与执行器件，还需要有PLC 作为控制器的主控制器配合完成任务。由PLC 控制特定的运行方式和给定频率，使变频器能按照相应的速度控制曲线输出，西门子S7-200 PLC 串行通信方式最为丰富，支持对点接口协议（PPI）、ProfiBus 协议、多点接口协议（MPI） 和自由通信协议等多种通信协议，可以于变频器建立通信并实现启动、停止、给定频率、监控等功能控制。图2 为西门子S7-200 系列小型PLC 与西门子MM440 变频器接线图。
4 变频器内置PID 控制原理
PID 控制简单实用，是过程控制中常用的方式，物理意义清楚，参数少且调整方针明确。PID 根据两者的差值，利用比例P、积分I、微分D 对被控制物理量进行调整，直到达到预定的控制目标。
变频风机静压控制采用在第一个空地末端装置（75%--100%）设置静压传感器，改变风机入口的导叶或风机转速（静压设定值250—375Pa），当给定值大于静压值，风机转速增加，加大送风量；反之通风板开启数减少，静压值上升，控制风机转速下降，减少送风量，形成一个PID 静压控制循环，节电效果显著。
变频器内置的PID 算法可以根据测量值与给定值的偏差进行比例P、积分I、微分D 运算，反馈信号给变频器进行恒温控制，通常使用热电阻或温度传感器检测冷却水和冷冻水的温度变化。积分运算的目的是消除静差，只要偏差存在，积分作用将控制其向消除的方向移动。
5 中央变频调速控制方式
5.1 冷冻水循环系统控制
冷冻机组冷冻出水，冷冻水的温度相对稳定，回水温度高低反映了室内温度的高低。因此通过对回水温度的检测，进行冷冻水泵的变频调节，进而实现回水的恒温控制。回水温度高，反映室内温度高，则提高冷冻水泵转速，加快冷冻水循环；回水温度低，反映室内温度低，则降低冷冻水泵转速，减缓冷冻水循环。
5.2 冷却水循环系统控制
冷却水的进水温度就是冷却水塔的水温，但由于外界因素影响，单靠进水温度不能作为反映冷冻机组内热量的产生量。只有依靠进水和回水作为控制冷却水泵的依据。进水和回水的恒温差大，说明冷冻机组内产生的热量大，需提高冷却水泵的转速，增大冷却水的循环速度；反之，说明冷冻机机组内产生的热量小，需减缓冷却水的循环速度。
5.3 中央空调变频调速控制方案
（1）一台变频方案：一台变频器控制全部冷冻水泵，一台独立的变频器控制其他所有变频器。1 号水泵启动，进行恒温控制，当工作频率达到上限切换至工频电源，同时变频器给定频率迅速降到0Hz。随后2 号与水泵变频器相连启动，进行恒温控制。类似进行3 号水泵和2 号水泵的交替，最终3 号水泵达到变频调速状态。该方案投资低，节能效果差。
（2）全变频方案：1 号水泵启动，进行恒温控制，当工作频率达到上限时2 号水泵启动，两水泵同时进行恒温控制。类似当2 号水泵工作频率达到上限时3 号水泵启动，三台水泵同时进行恒温控制。当工作频率下降至设定的下限切换频率时，相应关闭3 号和2 号水泵，达到双水泵运行或单水泵运行状态。该方案投资高，节能效果好。
综上所述，中央空调变频调控系统通过变频器内部PID 控制、外部PLC 和变频器共同控制的方式，有效节约了能源。随着变频技术的发展，变频器正朝着专业化、网络化、小型化和高水平控制的方向发展，成为未来电力电子产品重要的一部分，具有广阔的发展前景和空间。
【参考文献】
[1] 王建、杨秀双、刘来员. 变频器实用技术：西门子. 北京：机械工业出版社，2012.6
[2] 李方园. 变频器控制技术. 北京： 电子工业出版社，2010.4
[3] 邓其贵、周炳 . 变频器操作与工程项目应用. 北京：北京理工大学出版社，2009.8
[4] 李燕、廖义奎、王永. 图解变频器应用. 北京：中国电力出版社， 2009
【作者简介】
牟致桦，男，（1994--），吉林白山人，学历；本科，专业；测控技术与仪器，研究方向：电气信息类。036
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