地铁车站空调通风系统变频节能控制的设计.pdf

地铁 车站 空调通风 系统 变 频 节 能控 制 的设 计 余磊何斌 ／ 上海同济大学电子与信息工程学院 王晓保 ／ 上海 申通轨道交通咨询研究公司 摘要 根据变频节能的工作原理 ， 应用 P L C控制 器 、 变频器及 MO D B U S网络 总线 等设备 ， 设计 了 一 套 变 频 节 能 控 制 试 验 系 统 ， 并 应 用 C O N C E P T组态软件完成模糊控制算法 的设计 ， 实现离线编程 、在线调试和电机远程控制等功 能。 通过试验系统的变频运行 ， 分析了变频节能 控制的节能效果。 关键词 空调通风； 变频； 节能； P L C ； 模糊控制 中图分类号 T M3 4 4 ． 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 6 8 1 5 5 2 0 0 9 O 1 一 O 0 5 3 0 4 De s i g n o f E n e r g y- s a v i n g Co n t r o l i n Ai r- c o n d i t i o n i n g Ve n t i l a t i o n S y s t e m o f Su b wa y St a t i o n b y F r e qu e n c y Co n v e r s io n Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f e n e r g y -s a v i n g b y f r e qu e nc y c o n v e r s i o n。 a s e t o f t e s t i n g s y s t e m f o r e ne r g y s a v i n g c o n t r o l b y f r e q u e n c y c o n v e r s i o n h a s b e e n d e s i g n e d b y u s i n g PLC c o n t r o l l e r，t r a n s d u c e r a n d MODBUS n e t wo r k b u s ．F u r t h e r mo r e，t h e d e s i gn o f f u z z y c o n t r o l i s c o mp l e t e d b y a p p l y i n g c o n fi g u r a t i o n s o ft wa r e C ONC EP T a n d t h e f u n c t i o n s o f o l i n e p r o g r a mmi n g，o n l i ne d e b u g g i n g a n d r e mo t e c o n t r o l o f mo t o r are r e a l i z e d．Th e e ffe c t o f e n e r gy -s a v i ng c o n t r o l b ye q u e n c y c o n v e r s i o n i s a n aly z e d b a s e d o n t he o p e r a t i o n wi t h e q ue n c y c o n v e r s i o n o f t e s t i n g s y s t e m． 、 K e y wo r d s‘ a i 卜c o n d i t i o n i n g v e n t i l a t i o n； 收稿 日期 2 0 0 8 0 92 2 上海市2 0 1 8 0 4 f r e q u e n c y c o n v e r s i o n； e n e r gy -s a v i n g； PLC， f u z z y c o n t r o l O 引言 地铁系统正常运行 ，除了要有驱动列车所 必须的电力牵引系统外 ，还应有其他各种相应 的设施， 如空调通风系统、 通信控制系统。地铁 内的车站空调通风系统和隧道通风系统又称地 铁环控系统， 是地铁系统的一个重要组成部分， 其任务就是通过控制车站和区间隧道 内的温 度 、 湿度 、 气流速度 、 二氧化碳浓度 、 含尘量和噪 声 ， 为乘客创造一个舒适安全 的乘车环境 ， 同时 也为紧急工况和火灾事故下的人员安全疏散提 供必要 的措施 。 地铁环控系统需要设置制冷设备 、空调通 风设备 以及 自控装置等 ，因此需要很大的用电 负荷 。 根据资料统计 ， 地铁空调设备 的用电量一 般相 当于整个地铁运 营系统用 电量 的 4 0 ％， 上 海地铁二号线平均每座地下车站空调系统运行 耗电量 3 7 万 k W h ／ 月【 。因此， 如何降低空调 能耗 ，减少地铁运行成本是地铁环控系统亟待 解决 的问题 。 本文 针对 地铁 车站 空调 通风 系统 进行 研 究 ， 应 用 P L C控制器 、 变频器及 MO D B U S网络 总线等设备设计了一套变频控制系统 ，采用 MO D B U S 总线作为通信方式，并且应用 P L C控 制器的组态软件 C O N C E PT 完成模糊控制算法 的设计 ， 实现离线 编程 、 在线调试 、 电机远程控 一 5 3 2 0 09撵--- 簪 能 第 1期 I 日 垦 制等功能。 1 系统节能原理 车站空调通风系统包括 车站公共区空调 通风系统 1 ， 设备及管理用房空调通风系统。对 于某一车站而言，设备及管理用房空调冷负荷 受车站结构型式 、 规模限制 ， 不采用变频控制 系 统。 笔者只针对车站公共区空调通风系统。图 1 为上海地铁四号线浦 电路站公共区空调通风系 统的左端 图， 图的右侧连接车站站厅 、 站 台公共 区。 室外新风通过新风机送至“ 新回风混合室” ， 新 风与回风混合后 ， 经过 “ 组合式空调机组 ” 降 温处理后送至车站站厅 、 站 台等公共 区。回 ／ 排 风机将室内空气一部分送至“ 新回风混合室” 重 复利用 ， 另一部分排至室外 。 排 奄蚪，簪 钋 糯风 D Z - I 腓 吼 机 兼排奸 4 I t l J F 一 】 l 图 1 浦 电路车站公共 区环控 系统图 左 端 地铁车站空调通风负荷的设计标准【 3 1 为 3 0 年后 的远期 ， 而初期运行 为 3 - 5年 ， 客流量远 比远期小 ，节假 E l 和上下班高峰的客流量变化 大， 一年 四季天气的变化 ， 一天内气温和客流量 都有变化 。如果车站空调通风设备按照额定功 率运行势必造成一部分能量的浪费 ，而且导致 车站温度过低 ， 影响乘客的舒适度。因此可考虑 采用变频控制系统 ， 在空调负荷较低的时候 ， 降 低空调风机 的转速 ， 节省能量 ； 在空调负荷较高 的时候 ， 加大空调风机 的转速 ， 满足冷量需求 。 变频调速 在其他领域 的环控 系统中早 已有成 功的经验 ， 但在地铁 中的使用还在探索之中。 车 站公共区环控系统的能耗非常大并且随人员变 化及室外气象条件变化起伏很大 ，因而变频节 能的潜力大。 变频器是通过改变电动机 的供电电源频率 而对交流异步电动机进行速度调节 的装置 。 从异步电动机的 作原理得知 ，电机转速 -- 5 4 --- 由公式 1 给出 n鱼 1 1 P 式中n为电动机转速；．厂 为供电电源频率； 为电机转差率 ； p为电机磁极对数 。由公式可以 看出 ， 改变参数 f 、 S 、 P中的任 意一个 ， 都可以改 变电机的转速 。 然而 ， 常用电机在额定负载时的 转差率 s 1 ． 5 ％～6 ％， 并不能随意调节。 至于电机 的磁极对数 P ，一般有 2极 、 4极 、 6极 、 8 极 、 1 0 极 ， 当然也不是可以连续调节的物理量。于是 ， 用改变电动机供 电频率 - 厂 的方法来改变 电动机 的转速 n就成为势在必行的最佳方案。 对 于风机 ，其转矩大小和转速的平方成 比 例， 负载特性为平方降转矩负载。 带动这类负载 时 ，电动机消耗功率 P与电动机转速 n的关系 为 P k n 其 中 k为常数 ， 即负载所消耗 的能量 与电机转速的 3次方成正 比。假设 n 为电动机 额定转速 ， n为应用变 频器后 电动机 的实际转 速 ， 则变频器调速系统的节能率 g ， 可以按公式 2 计算 3 3 g 2一 g L F ／ 2变频控 制系统设计 为了研究变频控制系统及分析控制算法对 节能效果的影响 ， 设计了一套变频控制平 台， 它 能实现根据外界温度的变化，应用模糊控制算 法 b 1 ， 通过 MO D B U S网络总线远程调整变频 器 的频率， 从而改变风机 的转速 ， 达到节能 目的。 2 ． 1 试验平台的搭建 目前 实验 室已建立了基本的试验平台 ， 用 于调试 P L C与变频器和电机的通信。通过该试 验平 台可 以方便地实现 P L C对变频器和风机 的控制 ； 模糊控制算法 的实现 ； 程序数据的离线 计算和在线查询。其硬件构成见图2 ， 器件清单 如 下 电源 2 2 0 V和 3 8 0 V交流电 CP S 1 4 0一 CPS一1 1 4 2 0 风机 鼓风机 2 ． 2 k W 2 2 0 V ／ 3 8 0 V 变频器 A T V 7 l H U 5 5 N 4 Z 5 ．5 k W 3 8 0 V ／ 4 8 0 V P LC 1 4 0 一CPU一 43 4 1 2 [ 】 计算机 Wi n d o w s 网络 MO D B U S总线 图 2 试验平 台硬件连接 图 在试验中， 由2 2 0 V交流电向计算机和 P L C 上的 C P S电源模块供电 ； 由 3 8 0 V三相交流电向 A T V 7 1系列变频器供电。计算机通过 MO D B U S 总线与 P L C控制器的编程接 口连接 ，用于程序 的下载与在线修改 ； 变频器通过 MO D B U S总线 与 P L C控制器的通信接 口连接。P L C根据温度 信号控制变频器的输出频率值 ，变频器输出 3 8 0 V变频交流电向电机供 电。P L C通过 向变频 器写入不同的指令来控制电机的运行状态。 2 ． 2 系统流程图 系统主要 由 6个模块组成 系统 自检 、 中断 模块 、 采样模块 、 控 制模块 、 变频 器通 信模 块和 风机控制模块。系统流程图见图3 ， 控制模块分 为 P I D控制和模糊控制两种 ，图 3中采用的是 模糊控制模块 ， 其中模糊控制模块包含 3 个子 程序 模糊化子程序进行输入量的论域变换 ， 将 输入的精确量转化为模糊量；模糊推理子程序 根据模糊规则库查 出对应的输 出值 ；解模糊子 程序就是将模糊推理得到的控制量 模糊量 变 换为实 际可用于控制 的精确量。 上电 初始 化 置 丝 旦 尊 _ 、 、 ／一 Y 解模糊 I J I 程序循环 图 3 系统流 程图 2 - 3 系统节能效果分析 本 次 变频控 制节 能 系统 在试 验情 况下 运 行， 风机启动平缓， 运行稳定。上午 9 1 2 h的风 机 的运行数据记录见表 1 。 表 1 风机运行数据 时间 h 9 ～1 O l 0 ～1 1 1 l ～1 2 温度 ℃ 2 9 3 0 3 2 频率 H z 1 5 2 2 4 0 根据式 1 可知， 风机的转速与频率， 成正 比。因此式 2 可等效为式 3 。 3 3 g 3 { e 其中．， 为风机的额定频率， 等于 5 0 。因此根 据表 l ， 应用式 3 可以得出此时风机的节能率为 gf ＼ ／ 3 一 n／9 ．2⋯ Y o I 一 十 ～ 十 l， j ≈ ． ＼f } e f e 当然 ，试验情况下无法模拟地 铁车站 的实 际温度变化情况。车站内的温度是变化的 ， 与列 车运行数量 、乘客高峰期及室外大气环境都有 关系。假定地铁车站空调通风系统应用变频器 设备后， 根据温度的变化来调节各个风机 如空 调风机 、 回 ／ 排风机 的供电频率 ， 平均下来风 机的实际转速可降低为额定转速的 8 0 ％，则由 于风机 的流量与电机转速成正 比，流量降为额 定值的 8 0 ％ 。节电率可按式 2 计算 g 4 8 ， l 这说 明，流量仅降低 2 0 ％，节 电率高达 4 8 ． 8 ％， 由此可见 ， 使用 变频 器来控制 风机的 电 机节 电效果十分显著。当然变频器本身也消耗 一 定的能量 ，但 由于其效果很好 ，耗能 比例很 小 ， 大约在 2 o／ 0， 因此 ， 在环控系统 中采用变频调 速发挥的总体作用是节能而不是耗能。 3 结论 试验证明 应用变频调速技术 ， 可降低地铁 车站空调通风系统的能耗 ，对地铁环控的运 营 有着重要的实际价值，而且变频控制可以改变 空调系统的送风 ， 可以改善车站内空气的品质。 为 了完成控制方案的硬件平 台设计 ，采用工业 一 5 5 一 一 圭一 一 2 0 0 9 r-- i 一 节 能 第 1 期 群． 堑 上常用 的施耐德 P L C作为控制器来实现控制算 法。建立起一套试验平台， 实现离线编程 、 在线 调试 、 电机远程控制等功能。 应用 P L C组态软件 实现了模糊控制算法 的设计 。采用模糊控制技 术 ， 不需要建立 系统精确 的数学模 型 ， 且控制 算法简单 ， 可取得满意 的控制效果 。以车站 内 温度偏差及偏差变化率作为模糊控制器的输 入 ， 进行送风量的合理控制 ， 既能改善车站 内空 气的品质 ， 又能起到节能的 目的 ， 是一种切实可 行的好方法。 设置 线的分 割点数量 l ● 选取 莳盘 [I }I 线 、后盘曲线 ● l 成 直 纹 曲 面 l ● 嗣整碣部大E IIt 率丽的分割 点化 置 t 捕 获直纹阳而 r边数掘 l 一 取丰 邻州素线端 点形成 冗刚纹 t 求 元『矧纹的边 长 乏 必角 ’ 以单儿网纹的 端点 为原点 ． 止边线 为蚋i I l 正向生成新U CS t 用单 儿网 纹的连K硬炙角 绘制甲 网边形 1 t J 计 算前， 后盘 线长度，腱开翮衙斫 积 1 0 0 ．0 9 9 ． 6 9 9 ． 2 螫9 8 8 骠 9 8 ． 4 9 8 ．0 9 7 ．6 图 7 程序 流程 网 一 5 6 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 l 2 0 l 4 0 l 6 0 1 8 0 2 0 0 分割点数鲢 图 8 曲线 、 曲面精度分析 参 考 文 献 [ 1 ] 上海市政工程设计研究院． 地铁活塞风的应用[ M] ． 设计研 究 院 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 上海市建设科委会． 地铁一号线工程[ M] ． 上海科技出版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 3 ] 匡江红， 余斌． 地铁空调通风环境控制系统的节能探讨[ J ] ． 能源研究和信息， 2 0 0 3 4 2 1 8 2 2 2 ． [ 4 ] 胡发运． 变频器的应用与 维护[ J ] ． 电气时代， 2 0 0 5 8 7 8 8 1 ． [ 5 ] 田亮， 刘鑫屏． 中央空凋房问温度模糊控制器的设计[ J ] ． 电 子技 术应用 ， 2 0 0 2 4 4 】 _ 4 2 ． [ 6 ] S c h n e i d e r E l e c t r i c ， Q u it u m P L C ， S c h n e i d e r E l e c t r i c ， 2 0 0 5 ． 4 结论 利用 U n i g r a p h i c s 三维设计 软件对空心机翼 型离心通 风机 叶片进行建 模 ，并将模 型导入 A u t o C A D， 生成直纹 曲面。再利用 A u t o l i s p程序 将直纹曲面分为若干条状区域，每一条状区域 作三角剖分 ，然后把所有 的小三角形平面展开 在同一平面上 ，最后用样条 曲线逼近展开图的 外轮廓线， 就可得到叶片展开图。 该方法不仅提 高了工作效率而且展开图的曲线精度和曲面精 度均可达到叶片的加工工艺要求 。 参 考 文 献 [ 1 ] 周水洪 ， 邓先和， 何兆红， 等．旋流片强化传热的数值模 拟和场协同分析[ J ] ． 化工学报 ， 2 0 0 7 ， 5 8 1 0 2 4 3 7 2 4 4 3 ． [ 2 ] 夏宪球．离心式通风机机翼型叶片简捷展开法[ J ] ．风机 技 术 ， 1 9 9 4 3 3 4 3 6 ． [ 3 ] 唐顺钦．实用板金展开手册 下 [ M] ．北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 7 9 5 2 5 5 7 5 ． [ 4 ] 曹晖．轴流风机叶片断裂原因分析及改进措施[ J ] ．流体 机 械 ， 2 o o 7 8 3 9 4 2 ． [ 5 ] 郭兴贵， 刘峰， 李侠．2 0 2 3 t ／ h 锅炉一次风机叶片断裂的分 析与研究 [ J ] ． 华北 电力技 术 ， 2 0 0 5 8 8 - 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