1　引言
　　電機系統(tǒng)節(jié)能是國家發(fā)改委啟動的十大重點節(jié)能工程之一。國家發(fā)展規(guī)劃要求，當前應(yīng)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，即風機、水泵、壓縮機等通用機械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施，工業(yè)機械采用交流電動機變頻工藝調(diào)速技術(shù)。在“十一五”期間，我國將實現(xiàn)電機系統(tǒng)運行效率提高2個百分點,形成年節(jié)電能力達200億kw·h的目標。
　　業(yè)內(nèi)專家介紹，我國電動機總裝機容量約5.8億kw，占全國總耗電量的60%～70%。其中，交流電動機占90%左右。只有不到2000萬kw的電動機是帶變頻控制的,變頻控制電機市場占有率不足4%。專家分析，目前各類電機的運行效率加權(quán)平均比國外低3～5個百分點，風機和泵的效率要比發(fā)達國家低2%～3%,整體在用的電機驅(qū)動系統(tǒng)運行效率比國外低近20%。如果按電動機總?cè)萘康?0%進行調(diào)速改造，按年平均運行4000h、節(jié)電率20%～25%計算，年節(jié)電潛力為320億～400億kw·h。加上為改善工藝流程而進行調(diào)速改造的電動機可帶來的節(jié)電潛力，總節(jié)電潛力約為500億kw·h，相當于10000mw裝機容量的火力發(fā)電廠的年發(fā)電量。由此可見，電機系統(tǒng)節(jié)能是目前中國節(jié)能市場上比較具商業(yè)潛力的領(lǐng)域。
　　變頻調(diào)速正在逐步地成為電氣傳動的中樞。它取代著變極調(diào)速、滑差調(diào)速、換向器電動機調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、串級調(diào)速及直流調(diào)速。除了節(jié)電外，更重要的是，產(chǎn)生增產(chǎn)、降耗、優(yōu)質(zhì)的效果，深受設(shè)計、工程、操作人員的歡迎。

2　變頻節(jié)能技術(shù)在通信行業(yè)水冷空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用案例
　　常規(guī)水冷空調(diào)系統(tǒng)是按照比較大冷熱負荷進行選型設(shè)計。而全年比較熱及比較冷的天氣只有幾十天，因而水冷空調(diào)大多數(shù)時間是在低于機組額定負荷即部分負荷狀態(tài)下運行，造成了電能極大的浪費，隨著科技的發(fā)展，變頻器已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其價格便宜，技術(shù)成熟，特別是對風機、水泵的節(jié)能改造目前已在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛推廣，其平均節(jié)電率在30%以上。
2.1　廣州天河太陽廣場樞紐樓水冷空調(diào)控制方式存在的缺點
　　太陽廣場水冷空調(diào)系統(tǒng)共有3臺22kw的冷卻水泵(2用1備)，原采用機械式的壓差開關(guān)及傳統(tǒng)繼電控制方式來控制2臺工作泵的投入和切出;冷卻塔采用組合式控制。該調(diào)節(jié)方式缺點集中表現(xiàn)為如下幾點:
(1)設(shè)備長時間全開或全閉，輪流運行，電能浪費驚人;
(2)電機直接工頻啟動，沖擊電流大，嚴重影響設(shè)備使用壽命;
(3)當流量處于開一臺泵與開二臺泵的流量臨界點之間時，水泵頻繁啟停，沖擊大廈電網(wǎng)及影響設(shè)備使用壽命;
(4)溫控效果不佳，當環(huán)境或冷熱負荷發(fā)生變化時，只能通過增減水泵的數(shù)量來調(diào)節(jié)總管壓差，總管壓力及室內(nèi)溫度波動大，舒適感差;
(5)涼水塔為兩臺組合式控制，冬天及深夜當小泵系統(tǒng)運行時，耗電嚴重。
2.2　解決方案及選擇
(1)冷卻水泵變頻控制方案選擇
　　水冷空調(diào)的冷卻水泵的功率是根據(jù)空調(diào)滿負荷工作設(shè)計的，當機房需要的冷量或熱量沒有達到空調(diào)的滿負荷，這時就可以通過變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)冷卻水泵的轉(zhuǎn)速，降低冷卻水泵的循環(huán)速度，使冷量和熱量得到充分利用，從而達到節(jié)能目的。針對冷卻水泵2臺工作1臺備用，采用變頻器進行調(diào)節(jié)控制時存在著一個用1臺變頻器還是用2臺變頻器的問題。
(2)用一臺變頻調(diào)速器的節(jié)電效果
　　這是應(yīng)用得較為普遍的方案，其控制過程是:用水量少時由變頻器控制1號泵，進行調(diào)節(jié)控制．當用水量逐漸增加，1號泵的工作頻率達到接近50hz時，將其電動機切換成工頻電源供電．同時將變頻器切換到2號泵上，由2號泵進行補充供水．反之，當用水量逐漸減少，即使2號泵的工作頻率已降為下限頻率，而供水壓力仍偏大時，則關(guān)掉1號泵，同時迅速升高2號泵的工作頻率．并進行恒壓控制．此方案的主要特點是只用一臺變頻器，故設(shè)備投資少，但如果用水量恰巧在1臺泵全速供水量上下變動時，將會出現(xiàn)供水系統(tǒng)來回切換的狀態(tài)。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，可將供水壓力設(shè)定一個范圍，此方法適用于控制精度要求不是很高的場合。此方案取用電功率的計算如下:
22kw的拖動電動機容量為pmn=22kw
全速時的供水量為qn
泵的空載損耗為po=0.1×22kw=2.2kw
每天的平均總供水流量為140％.qn
則1號泵為全速，其平均取用功率為：
pm2=pmn=22kw
而2號泵的平均轉(zhuǎn)速的40%，其平均取用功率為:
pm2=(2.2+0.43×22)kw=3.61kw
兩臺泵取用的總平均功率為22+3.61=25.61kw
（3）用2臺變頻調(diào)速器的節(jié)電效果
　　用2臺變頻器分別控制2臺電動機，一次設(shè)備投資費用較高，但運行時的節(jié)能效果如何？計算如下：每天的平均總供水流量還為140%qn,供水流量可由二臺水泵平均分擔，則每臺的平均供水流量為70％qn。每臺電動機的取用電功率為:
　　pm1=(2.2+0.73×22)kw=9.75kw。二臺水泵共用功率為2×9.75=19.49kw
　　由以上數(shù)據(jù)可以看出,采用2臺變頻器方案比采用1臺變頻方案還節(jié)約6.12kw（25.61kw～19.49kw），比較后決定采用2臺變頻器的調(diào)速方案。
2.3　電氣設(shè)計
　　本方案在不改變原工頻系統(tǒng)控制模式的基礎(chǔ)上進行改造。變頻控制模式與原控制模式可以通過切換開關(guān)的轉(zhuǎn)換，獨立地對冷卻水泵進行控制。這樣既保留了原工頻系統(tǒng)的控制模式，又為改造后的變頻控制系統(tǒng)提供一個獨立的備用系統(tǒng)。同時這樣做對原系統(tǒng)改造少，施工方便，改造過程不影響原系統(tǒng)的正常運行。圖1所示為變頻系統(tǒng)與原工頻系統(tǒng)切換示意圖，為了確保系統(tǒng)工作安全，采用機械互鎖與ddc互鎖的雙重保護模式。
　　改造后的系統(tǒng)采用2臺變頻器分別閉環(huán)控制1號和2號冷卻水泵，3號冷卻水泵為備用泵，可以通過程序控制，分別接入1號變頻器或2#變頻器，這樣三臺泵均可互為備用。正常運行的冷卻水泵如遇故障或檢修，可以通過程序切換，保證系統(tǒng)的運行不受影響。如果緊急需要亦可以切換到原工頻系統(tǒng)繼續(xù)運行，如圖2所示。

圖1　冷卻泵原工頻系統(tǒng)與變頻系統(tǒng)切換示意圖

圖2　主頻控制系統(tǒng)圖

2.4　系統(tǒng)功能及控制方式
(1)系統(tǒng)功能
　　系統(tǒng)控制器軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，每一個模塊作為一個子程序。根據(jù)系統(tǒng)功能劃分，程序由多個模塊組成，每個模塊的程序量都不大，所以整個程序的編制、調(diào)試和維護比較方便。
(2)變頻節(jié)能的控制方式
　　冷卻水泵變頻控制系統(tǒng)具有控制管網(wǎng)總管壓差穩(wěn)定、變流量循環(huán)供水的功能，系統(tǒng)通過安裝在出水總管上的壓差傳感器、流量傳感器，實時將壓差、流量非電量信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸入至可編程控制器的輸入模塊，信號經(jīng)cpu運算處理后與設(shè)定的信號進行比較運算，得出比較佳的運行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設(shè)定值，控制投運水泵的臺數(shù)、轉(zhuǎn)速及監(jiān)視系統(tǒng)的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)cpu指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶負荷的變化，自動確定水泵的循環(huán)運行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及保證室內(nèi)溫度的舒適感。
(3)兩變頻泵的投入、切出控制
　　兩泵并聯(lián)變頻恒壓(系統(tǒng)設(shè)計冷卻水供回水壓差要求為130kpa)變流量運行的工作模式通常是這樣的:當用水流量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量時，由一臺變頻泵調(diào)速恒壓變流量運行;當用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動上升;當變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速，用水流量進一步增大，由系統(tǒng)控制器控制，自動啟動另一臺變頻泵投入，兩臺變頻泵并聯(lián)運行。在兩泵并聯(lián)變頻恒壓變流量的運行情況下，當用水流量下降，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降;當流量下降到系統(tǒng)設(shè)置的切換點的時候，系統(tǒng)控制器發(fā)出指令，自動關(guān)閉一臺變頻泵，使之切出并聯(lián)運行。為了減少變頻泵自動投入切出時的沖擊(水力的或電流的沖擊)及避免兩泵間的頻繁切換。在投入時，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。在切出時，變頻泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)自動上升，然后慢慢下降以滿足冷卻水供水壓差恒壓要求，同時根據(jù)調(diào)試結(jié)果，在兩泵切換流量的臨界點，設(shè)定一定范圍的回滯區(qū)(一般為±10%)，以避免兩泵頻繁切換。上述頻率自動上升、下降由系統(tǒng)控制器控制，根據(jù)預置程式自動完成。根據(jù)給定管路特性曲線和水泵特性曲線進行擬合求得的兩變頻器投入、切出運行曲線。
(4)變頻器下限頻率的設(shè)置
　　下限頻率的設(shè)置，主要是考慮水泵的揚程，如果頻率太低，揚程不夠，水泵又工作，其實是耗能。設(shè)計和調(diào)試時是需要計算所需變頻器的下限頻率和水泵的轉(zhuǎn)速的，目的是好給pid一個初值，此后它會自整定。由于冷卻水循環(huán)系統(tǒng)不能停機，因此在保持比較低頻率運行時，系統(tǒng)壓力可能過高，此時可以通過原系統(tǒng)壓差旁通閥進行調(diào)節(jié)壓力。根據(jù)計算結(jié)論及調(diào)試驗證，確定變頻器的實際下限頻率比較低設(shè)定為35hz。
(5)泵防空轉(zhuǎn)控制
　　對水泵采用流量作為防空轉(zhuǎn)控制。正常運行時壓差反饋信號經(jīng)ddc處理后直接控制冷卻水泵變頻器的輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)冷卻水供水壓力的恒定，此時冷卻水總管壓差旁通閥處于全關(guān)的狀態(tài);當系統(tǒng)負荷減小至使變頻器鎖定于比較低頻率下運行時，若此后負荷繼續(xù)減小，冷卻水總管壓差將上升或流量減小為零，此時可通過ddc控制器啟動冷卻水壓差旁通子程序，調(diào)節(jié)旁通閥的開度可以達到恒壓的目的和防空轉(zhuǎn)的目的;當系統(tǒng)負荷增大至使旁通閥處于全關(guān)的位置時，若此后負荷繼續(xù)增大，冷卻水總管壓差將下降，此時可通過ddc控制器根據(jù)壓差反饋值使變頻器的輸出頻率增大，維持冷卻水總管壓力的恒定。
(6)變頻器改造的電氣設(shè)備配置
　　變頻器改造電氣配置備如附表所示。

附表　變頻器改造的電氣配置備

2.5　水冷空調(diào)采用變頻器后的優(yōu)點
　　由于變頻器的啟動、停止過程是漸強、漸弱式，能消除電機啟動對電網(wǎng)的沖擊。并可避免電機因過載而引起的故障。由于電機經(jīng)常處于低負荷運行，能大幅度延長電機及水泵、風機的壽命，同時因沒有啟動、停止的沖擊，加上流量的減少，管路承壓及所受沖擊力減小，故對管道、閥門、末端設(shè)備也起到了保護作用。另一方面，設(shè)備噪音、震動均減小，保護了環(huán)境。
(1) 變頻器可對電機軟啟動，大大減小沖擊電流，降低了電機軸承磨損，延長了軸承壽命;
(2) 調(diào)節(jié)水泵風機流量、壓力可直接通過更改變頻器的運行頻率來完成 ;
(3) 若采用溫度閉環(huán)控制方式，系統(tǒng)可通過檢測環(huán)境溫度，隨天氣、熱負荷的變化自動調(diào)節(jié)，溫度變化小，調(diào)節(jié)迅速。

3　結(jié)束語
　　通過使用變頻器的實例，多數(shù)水泵節(jié)電率在20%以上，經(jīng)濟效率十分顯著。同樣可以廣泛地應(yīng)用在通信行業(yè)使用數(shù)量眾多的空調(diào)壓縮機上。