冷却塔风机变频改造实例介绍
1 引言
深圳某公司生产厂房共有四台冷冻机组，每台冷冻机组由一台冷冻水泵、一台冷却水泵和一台冷却塔组成，其中冷却塔风机容量为18.5kw，冷却机组是为我生产厂房空调工艺设备提供冷冻水最主要的设备，它的运行好坏，将直接关系到生产车间温度的稳定和工艺设备的正常生产，而冷却水质量的好坏将直接影响到冷冻机组的制冷效果。
根据工艺要求冷却水的温度最好控制在28~32℃之间,如果冷却水温度低于28℃,对于冷冻机组运行是不经济的，若高于33℃将影响产品质量，为了满足生产要求，节约能量，对冷却塔风扇电动机进行变频调速改造。
2 变频器的工作原理和节能分析
2.1 风机的特性
风机是传送气体的机械设备，是把电动机的轴功率转变为流体的一种机械。
风机电机输出的轴功率为:
由上式可以看出，风机的风量与风机的转速成正比，风压与转速的平方成正比，风机的轴功率等于风量与风压的乘积，即风机的轴功率与风机电机转速的三次方成正比。
2.2 风机的节能效果
图1中风机的压力与风量的关系曲线及扭矩与电机速度的关系曲线，充分说明了调节阀调节风量法与变频器控制的调节风量法的本质区别与节能效果。
(1) 电动机恒速运转，由调节阀控制风量
图1 风机的运行曲线
如图1所示，调节阀门的开启度，r会变化。
关紧阀门，管道阻力就增大。
管道阻力由r1变到r2，风机的工作点由a点移到b点。
在风量从q1减少到q4的同时，风压却从h1上升到h5，此时电机轴的功率从p1变化到p 2。
(2) 变频器调节电机的速度来控制风量
当风量由q1变化到q4时，便出现图上虚线所示的特性。
达到q4、h4所需的电机轴功率为p3，显然p2大于p3，其差值p2-p3就是电机调速控制所节约的功率。
3 冷却塔系统变频改造过程
3.1 冷冻机组冷却循环水系统介绍:
冷冻机组的冷却循环水系统如图2所示。
冷冻机组的冷却循环水系统主要由冷冻机组、冷却水泵、冷却塔组成。
冷却水经冷却水泵加压后，送入冷冻机组的冷凝器，届时，由冷却水吸收制冷剂蒸气的热量，使制冷剂冷却、冷凝。
冷却水带走制冷剂热量后，被送入冷却塔，经布水器，通过冷却塔风机降温，降温后的冷却水通过出水管，流入冷却水泵，经加压后再送入冷冻机组的冷凝器。
图2 冷冻机组冷却循环水系统图
3.2 冷却塔变频节能改造原理
冷却塔是冷冻机组的冷却水最主要的热交换设备之一，它主要靠冷却塔风机对冷却水降温，风机过去是靠交流接触器直接启动控制，风机的转速是恒定的，不能调速，因此，风机的风量也是恒定的，不能调节。
为了使冷冻机组进口冷却水温度保持在28~32℃之间，我们在冷却水泵的出口，即冷冻机组的冷却水进口管道上安装一个温度传感器，采集冷却水温度，通过给出一路模拟信号给变频器，经变频器自身的pid进行调节如图3所示，变频器给出适当的电压和频率给冷却塔电机调节冷却塔风机转速和输出功率，这样形成一个闭环反馈系统，维持冷却水温度，从而降低冷却水温度，冷却水温度降低时，减小风机转速，放慢热交换的速度，从而减慢冷却水温度的降低。
4 冷却塔风机改造主电路介绍及元器件选择
图3 冷却塔变频改造示意图
图4 冷却塔风机主回路图
冷却塔风机改造主电路图如图4所示。
原冷却塔风机电机的主要技术参数:
电机型号:y180m-4 额定电压:380v 频率:50hz
功率:18.5kw 额定电流:35.9a 转速:1470r/min
防护等级:ip44 工作制:s1 绝缘等级:b级
接法:δ cosф=0.82
(1) 变频器
根据工艺要求，我们选用的是abb acs 400系列变频器，该变频器用于鼠笼式电动机的速度和转矩控制，模块化设计，具有体积小、安装简便、节能能源、控制准确、安全可靠等特点。
主要技术数据:
功率范围:2.2~37kw;
电源范围:三相,ac200~480v±10%;
电源频率:48~63hz;
控制连接:2个可编程的模拟输入(ai);
1个可编程的模拟输出(ao);
5个可编程的数字输入(di);
2个可编程的继电器输出(ro);
保护特性:过流保护、i2t、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、堵转保护、串行通迅故障保护、ai信号的丢失保护等。
丰富的菜单功能:内置pid、pfc、预磁通等八种应用宏，只需选择需要的应用宏，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些预设的应用宏配置大大节约了调试时间，减少出错。
由于风机类设备属于平方转矩，故选定的abb变频器型号为:acs401002032型，适应电机功率pn=18.5kw。
(2) 快速熔断器
在变频器进线处安装一组熔断器，作短路保护，选择abb 公司的开关型熔断器，规格为si ba nh00gl/gg50a。
(3) 负荷开关
由于每次在对电机检修保养后，对电机的绝缘进行测量时，都要把电机与变频器之间电缆断开，防止对变频器的损坏，所以在变频器的出线侧加装1个负荷开关，型号为:lts-100 100 a。
(4) 温度传感器
用于对冷却水温度监测用的温度传感器为:pt100、测量范围0~50℃±0.2°，输出信号为4~2 0ma
(5) 为了更好的为变频器散热，我们在变频器启动柜顶上加装了一台排风扇。
5 冷却塔风机节能改造的控制电路介绍及操作说明
图5 冷却塔风机控制回路原理图
冷却塔风机变频节能改造控制原理详见图5。
每台冷却塔有两种控制状态，分为手动和自动状态;
(1) 手动状态
在此状态下变频器将开环运行，风机的转速用手动通过调节给定电位器的方式调节，通过调节风机的转速，从而调整冷却水的温度。
(2) 自动状态
在此状态下变频器将根据温度传感器给入的模拟信号(4~20ma)通过自身的pid控制调节，
此时这频器将闭环运行。
(3) 表1为温度与反馈信号的实际对应数据。
表1 温度与反馈信号数据
6 系统接线及调试步骤
6.1 变频器通电前检查
(1) 检查变频器外观良好;
(2) 主电路、控制回路接线正确，良好;
(3) 主电路地线和控制电路地线、公共端、零线的接法符合要求;
(4) 电源电压符合要求，正常。
6.2 变频器空载通电检验
(1) 将变频器与电机间负荷开关qs2断开;
(2) 合上电源开关熔断器组qs1变频器通电;
(3) 经检查变频器通电显示正常;变频器内部冷却风机运行正常;变频启动柜排风扇运行正常。
(4) 按《冷却塔风机节能改造变频器基本参数设置表》设置参数;
(5) 将变频器模拟输入配置跳线设置为: ai1断开，ai2接通;如图6所示。
图6 变频器模拟输入跳线配置示意图
(6) 连接变频器端子与柜内接线端子的连线，
(7) 手动启动变频器，通过频率设定电位器给予某一个运行频率，变频器运行正常，电源、运行指示正常。
(8) 接好变频器柜外部的连线，准备带载试运行。
6.3 变频器带载试运行
(1) 断开电源开关qs1后，合上负荷开关qs2后，再合上电源开关qs1;
(2) 将限幅最小频率(参数2007)整定值为20hz;
(3) 手动启动变频器，通过频率给定电位器给定频率，变频器运行正常，电机运行方向、电流、温升正常，旋转平稳，升降速平滑，电源、运行指示正常;但在调整过程中发现，电机运行在25hz左右时，风机风叶摆动较大，这是由于如在风机的喘拒点范围，因此避开该拒点就解决了。
故将限幅最小频率(参数2007)整定值改回30hz，风机运行平稳;
(4) 停止变频器手动运行后，合上手动/自动选择开关sa，将变频器改为自动控制，变频器、电机运行正常，电机旋转平稳，升降速平滑。
7 冷却塔风机变频改造节能效果分析
这次节能改造的效果是非常显著的，从运行观察中发现，环境温度如果22℃以下时，电机运行在30hz(2.4kw)左右，冷却水温度在28℃左右，环境温度在22~35℃之间时，电机运行在30~45hz(2.4~15.7kw)之间，冷却水温度在28~32℃之间时，白天特别炎热(36℃以上)时，电机运行在48hz，冷却水温度在33℃左右。
节能效果比较:如表3所示。
8 总结
冷却塔风机变频改造具有以下优点:
·操作方便，安装简单;
·能进行无级调速，调速范围宽，精度高，适应性强。
·节能效果非常明显;
·由于采用了变频控制，随着转速的下降，风压、风量也随之下降，使得冷却水的散失也下降，节约了水量。
·由于用水量下降，水的硬度指标上升减慢，使得水处理的用药量减少;
·由于转速下降，减少了减速箱的磨损，延长了减速箱的寿命;
总之，冷却塔变频器控制系统的使用，使得厂房调温系统可靠性提高，安全性好，具有明显的节电效果。
参考文献
[1] acs 400系列变频器用户应用手册[z]
[2] 韩安荣. 通用变频器及其应用(第2版)[m]. 北京:机械工业出版社。
[3] 张燕宾. 变频调速应用实践(第1版)[m].
[4] 吴忠智,吴加林. 变频器应用手册(第2版)[z]. 北京:机械工业出版社。
作者简介
宋峰青(1958-) 电工高级技师/工程师在企业从事电气设计及设备改造18年，96年从事职业教育任实习指导教师，98年开始从事电工技师教学工作，长期以来协助企业的技师进行设备的变频节能改造，著有《电工技能考核指导》、《变频器原理及应用》专著。