При установке вентилятора совместно с электродвигателем в воздушном потоке кондиционера температура воздуха повышается на величину:
— мощность на валу электродвигателя вентилятора;
Нв — напор вентилятора;
Nв — мощность вентилятора;
Gв — массовый расход воздуха;
в — к.п.д. вентилятора;
д — к.п.д. электродвигателя;
дв — к.п.д. привода вентилятора;
ср — изобарная теплоемкость воздуха.
Если двигатель не находится в воздушном потоке, то второе слагаемое в (1) отсутствует. Ориентировочно можно считать, что воздух в вентиляторе подогревается на 1 °С на каждые 1000 Па его полного давления, или у низкоскоростных систем на Тв = 1...3 °С, среднескоростных на Тв = 2...5 °С и высокоскоростных на Тв = 4...6 °С. Обычно для решения проблемы вредного подогрева воздуха в вентиляторе идут часто не по пути совершенствования системы управления (СУ) вентиляторного агрегата, а применяют вентиляторы среднего давления для высокоскоростных СККВ. Потому при создании СУ вентиляторным агрегатом необходимо учитывать подогрев воздуха в нем.
В судовых СККВ утвердилось направление [4] на применение средне- или высокоскоростных систем, т. к. они обладают преимуществами перед низкоскоростными: значительно меньшие масса и габариты оборудования воздуховодов; упрощенный монтаж воздуховодов в виду небольшого сечения; лучшее воздухораспределение в помещениях благодаря использованию эффекта эжекции. Существенным недостатком средне- и высокоскоростных СККВ с нерегулируемым расходом воздуха является повышенное потребление электроэнергии, тепла (холода) в условиях изменяющейся тепло-влажностной нагрузки. Кроме того, при использовании нерегулируемого вентиляторного агрегата увеличивается вредный подогрев воздуха в нем и, следовательно, требуется повышенная холодо-производительность холодильной установки в «летних» режимах функционирования СККВ.
Система управления СККВ должна проектироваться как совокупность двух взаимозависимых подсистем. Первая — для управления расходом воздуха, а вторая — для управления температурой и влагосодержанием воздуха в помещении. Исходя из того, что в многочисленных публикациях теория оптимального управления системами с CAV достаточно развита, рассмотрим СУ системой с VAV.
Известны следующие способы регулирования производительности вентиляторных агрегатов: с постоянной частотой вращения вала вентилятора; с изменяемой частотой вращения вала вентилятора; с постоянной частотой вращения вала приводного электродвигателя; с переменной частотой вращения вала приводного электродвигателя. Наиболее экономичным является метод регулирования, при котором изменяется характеристика вентилятора в результате изменения частоты вращения его рабочего колеса. Для этого применяются: многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (с переключением числа пар полюсов); асинхронные электродвигатели с фазным ротором (с изменением сетевого питания напряжения); асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором с преобразователем частоты (ПЧ). Применение частотно регулируемого электропривода позволяет достичь преимуществ по сравнению с традиционными методами: уменьшение энергопотребления до 35-50 %; поддержание заданного расхода воздуха; устранение пусковых токов и перегрузок двигателя на период пуска; отсутствие дополнительных потерь при регулировании; уменьшение механического износа и увеличение срока службы оборудования и снижение затрат на его обслуживание и ремонт; расширение возможностей автоматизации работы вентиляторного агрегата, использование её решений при разработке автоматизированной системы управления (АСУ) СККВ. Особенно перспективна система ПЧ — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором при больших диапазонах регулирования и высоких требованиях к жесткости механических характеристик.
В
таблице приведены результаты, характеризующие относительное потребление электроэнергии вентиляторным агрегатом при различных способах регулирования скорости вращения вала вентилятора. Как следует из таблицы, применение частотно регулируемого привода сокращает потребление электроэнергии.
В регулируемом электроприводе вентилятора СККВ рекомендуются для использования ПЧ, реализующие скалярное управление [5], которое обычно выполняется посредством регулирования отношения напряжение/частота (U/f) сети. Обычно за независимое воздействие принимают частоту. Значение напряжения при данной частоте определяет вид механической характеристики, значения пускового и критических моментов. Максимальный диапазон регулирования скорости вращения ротора при неизменном моменте сопротивления для приводов со скалярным управлением достигает 1:10. На
рис. 1 приведена функциональная схема системы скалярного управления вентиляторным агрегатом СККВ. При скалярном управлении обеспечивается постоянство перегрузочной способности привода независимо от частоты напряжения, однако имеет место снижение развиваемого двигателем момента при низких частотах (при f = 0,1 fН).
Характеристики механизмов центробежного типа создают благоприятные условия работы регулируемого электропривода как в отношении статических нагрузок, так и требуемого диапазона регулирования скорости. То есть в соответствии с механическими характеристиками, при уменьшении скорости, по крайней мере, квадратично снижается и момент сопротивления на валу двигателя. Это обеспечивает тепловой режим двигателя при работе на пониженной скорости. При использовании регулируемого электропривода изменяется угловая скорость механизма. При этом одновременно с уменьшением подачи снижается напор.
Для осуществления системы с VAV в СККВ необходимо учитывать ограничения к снижению расхода подаваемого в помещение воздуха: гигиеническое ограничение, связанное с нормируемыми параметрами воздуха в помещении по подвижности (часовая кратность циркуляции воздуха в помещениях 3…14), относительной влажности и температуре; ограничение системы воздухо-распределения; ограничение по изменению класса тепловлажностных нагрузок.
В целях реализации скалярного управления двигателем вентилятора СККВ на основе его модели разработан преобразователь частоты, функциональная схема которого приведена на рис. 2. ПЧ описывается нелинейными уравнениями системы трехфазного симметричного напряжения. Канал управления частотой принимается безынерционным. Структура ПЧ построена по двухпроцессорной схеме и представляет собой совокупность силового, управляющего блоков и интерфейса. Основными элементами системы управления ПЧ являются цифровые сигнальные процессоры (DSP). Построение системы управления на базе DSP обусловлено необходимостью проведения большого объема вычислений в режиме реального времени [6]. DSP1 выполняет основные функции ПЧ (реализацию алгоритмов управления инвертором ПЧ, опрос датчиков и т.д.). DSP2 — обеспечивает работу пульта управления, связь с системой верхнего уровня и другие сервисные функции. Достоинства двухпроцессорной системы управления по сравнению с однопроцессорной: нежесткие требования к DSP1 и DSP2 по встроенной периферии, быстродействию и объему памяти; возможность управления ПЧ через последовательные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485 или от внешнего программируемого контроллера с использованием специального протокола. Для наладки ПЧ с помощью персонального компьютера (ПК) используется специальное программное обеспечение, позволяющее просматривать и сохранять параметры ПЧ. Управление ПЧ от ПК осуществляется через последовательный интерфейс RS-485. Использование ПЧ для управления вентиляторным агрегатом следует рассматривать не в качестве элемента системы управления агрегатом, а как составляющее комплексного системного решения с подключением широкого набора средств автоматизации технологического процесса СККВ. Такое решение позволяет получить дополнительный эффект, заведомо больший простой экономии электрической энергии. Поэтому система управления функционирует как автономное устройство и как узел распределенной АСУ СККВ [7]. Обмен информацией и командами между многопроцессорной системой управления и периферийным устройством ведется при помощи ЧП. СУ автоматически изменяет в по команде от датчика расхода воздуха, обеспечивая в помещении оптимальную кратность воздухообмена. Для измерения угловой скорости вращения ротора двигателя вентилятора (в) рекомендуется использовать фотоимпульсный датчик скорости (Encoder), а для измерения массового расхода воздуха можно использовать расходомер воздуха ST50 компании FCI с аналоговым выходом. ПЧ строится с использованием транзисторов с изолированным затвором (JGBT). В ПЧ входное напряжение 220/380В, с частотой 50 Гц преобразуется в выходное импульсное напряжение посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которое формирует в обмотках двигателя синусоидальный ток частотой от 0 до 400 Гц. Увеличением частоты и амплитуды напряжения, подаваемого на обмотки асинхронного двигателя, обеспечивается плавное регулирование скорости вращения вала электродвигателя. Для обеспечения высокой жесткости механической характеристики двигателя и достаточной перегрузочной способности необходимо одновременно с частотой тока регулировать напряжение с тем, чтобы магнитный поток оставался постоянным. Отсутствие необходимости в электрическом торможении и реверса привода упрощает структуру ПЧ и позволяет выполнить его на базе автономного инвертора напряжения. При изменении частоты вращения вала двигателя вентилятора новая рабочая точка располагается в зоне устойчивой работы вентилятора и при этом к.п.д. не превышает 0,9 максимального его значения. При изменении частоты напряжение изменяется так, чтобы отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на его валу было постоянным. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициенты мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются. При регулировании в области малых частот максимальный момент также уменьшается, но для вентиляторного типа нагрузки это не критично. Энергия, потребляемая электроприводом, пропорциональна частоте вращения в третьей степени, отсюда следует, что если в процессе управления производительность при питании приводного двигателя от ПЧ снижена частота напряжения от 50 до 40 Гц, то потребление энергии уменьшается почти в 2 раза.
Для организации экономичного управления вентиляторным агрегатом используется полученная зависимость массового расхода воздуха от параметров вентилятора, асинхронного двигателя и термодинамического состояния влажного воздуха. Это формула
где
в — скорость вращения ротора двигателя вентилятора;
вн — номинальная скорость вращения ротора двигателя;
U1 — напряжение на зажимах фазных обмоток статора;
f — частота сети;
Р — число пар полюсов двигателя;
S — скольжение двигателя;
R1 — активное сопротивление статора;
Х1 — реактивное сопротивление статора;
R21—приведенное активное сопротивление ротора;
Х21— приведенное реактивное сопротивление ротора;
р — полное давление вентилятора;
q — ускорение свободного падения;
R — газовая постоянная влажного газа;
Т — температура воздуха.
Из (2) следует, что СУ расходом воздуха является нелинейной с нестационарными параметрами. При управлении расходом воздуха необходимо учитывать изменения тепловой и влажностной нагрузок на кондиционируемые помещения. Производительность Qв должна определяться с учетом зависимости температуры приточного воздуха от характера процесса пом в помещении для наименьшей из возможной рабочей разности температур при характеристике процесса в помещении max [1]. Наибольшая температура приточного воздуха соответствует max и определяется максимальной тепловой и влажностной нагрузками.
Согласование регулируемых параметров с управляющими воздействиями при наличии двух переменных видов нагрузки и условия максимального снижения теплоты, холода и электроэнергии в СККВ проводят в последовательности: определение минимальной относительной величины тепловой и влажностной нагрузок и минимального относительного расхода воздуха; сравнение этих трех величин в зависимости от их сочетания. После этого выбирается регулируемый параметр, для стабилизации которого целесообраз но использовать управляющее воздействие — изменение производительности вентилятора.
В разработанной СУ при определении заданного значения расхода воздуха (Евз) учитывалось обязательное обеспечение минимума эксергетических потерь вентиляторного агрегата. Потоки эксергии, определяемые с учетом взаимозависимости подсистем управления системой с CAV + VAV и подводимые к вентиляторному агрегату в «летний» (Ев.л) и «зимний» (Ев.з) периоды работы СККВ, определяются с учетом [8]:
где Ев.н — поток подводимой эксергии к воздухонагревателю кондиционера;
То.с — температура окружающей среды;
Tв — изменение температуры воздуха в вентиляторе;
Qохл — холодопроизводительность воздухоохладителя.
Работа СУ вентиляторным агрегатом совместно с ПЧ осуществляется в соответствии с обобщенным прикладным алгоритмом управления, приведенным в [9]. В алгоритме заложен учет эксергетических потерь при управлении расходом воздуха, направленный на их минимизацию.
На рис. 3 приведены результаты исследований вентилятора среднего давления РСС 63/25 с двигателем АИР132М2 центрального неавтономного кондиционера типа КВ 63/25 (ООО «Завод Экватор» г. Николаев). Мощность двигателя Nд = 11 кВт, частота вращения n = 3000 об/мин, к.п.д. вентилятора в = 0,68; мощность вентилятора Nв = 6,2...8,3 кВт; полное давление (напор) р = 2200...3000 Па; производительность Qв = (3,3...7)⋅103 м3/ч.
При использовании в СККВ количественного регулирования совместно с качественным годовое сокращение расхода электроэнергии, потребляемого вентиляторным агрегатом, в соответствии с рекомендациями [1] может быть определено по формуле:
где индексы 1 — при постоянном расходе; 2 — при перемен ном расходе; Ррасч — расчетное давление вентилятора; Nрасч — расчетная производительность вентилятора.
Использование ПЧ для управления двигателем вентиляторного агрегата СККВ позволяет регулировать производительность и уменьшить расход электроэнергии системы с VAV + CAV по сравнению с системой только с CAV. При этом уменьшается расчетная тепло- и холодо-производительность СККВ, сокращаются типоразмер и количество единиц устанавливаемого холодильного и теплотехнического оборудования СККВ, капитальные затраты на оборудование и монтаж, производственные площади, занимаемые оборудованием, и соответствующие сопряженные затраты, обеспечивается большая гибкость эксплуатационных режимов работы СККВ.
Внедрение ПЧ на основе двухпроцессорной системы управления вентиляторным агрегатом с учетом его динамических характеристик, минимизации потерь эксергии при транспортировке воздуха,
учете влияния температуры воздуха на его состояние позволяет уменьшить энергопотребление СККВ до 50 %. При этом система управления обеспечивает поддержание комфортных условий воздушной среды в обслуживаемых СККВ помещениях.
Литература1. Сотников А.Г. Системы кондиционирования воздуха и вентиляции с переменным расходом воздуха. — Л.: Стройиздат, 1984.2. Вычужанин В.В. Исследование характеристик судового центрального кондиционера // Холодильная техника. — 1984. № 3.3. Сандлер А.С., Сирбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронным двигателем. — М.: Энергия, 1974.4. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. — СПб: Судостроение, 1994.5. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. — М.: Энергия, 1980.6. Вычужанин В.В. Система управления асинхронным электроприводом на основе сигнального процессора // Вестник ОНМУ. — 2003. — № 11.7. Вычужанин В.В. Управление комплексом СККВ — холодильная установка на основе многопроцессорной системы // Холодильная техника. — 2004. — № 12.8. Вычужанин В.В. Эксергетический метод анализа эффективности комплекса система комфортного кондиционирования воздуха — холодильная установка // Сантехника. Отопление. Кондиционирование.—2005. — №3.9. Вычужанин В.В. Холодильная установка для систем кондиционирования воздуха с регулируемой производительностью // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. — 2005. — № 4.
