1　引言
　　電機系統節能是國家發改委啟動的十大重點節能工程之一。國家發展規劃要求，當前應推廣變頻調速節能技術，即風機、水泵、壓縮機等通用機械系統采用變頻調速節能措施，工業機械采用交流電動機變頻工藝調速技術。在“十一五”期間，我國將實現電機系統運行效率提高2個百分點,形成年節電能力達200億kw·h的目標。
　　業內專家介紹，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平均比國外低3～5個百分點，風機和泵的效率要比發達國家低2%～3%,整體在用的電機驅動系統運行效率比國外低近20%。如果按電動機總容量的10%進行調速改造，按年平均運行4000h、節電率20%～25%計算，年節電潛力為320億～400億kw·h。加上為改善工藝流程而進行調速改造的電動機可帶來的節電潛力，總節電潛力約為500億kw·h，相當于10000mw裝機容量的火力發電廠的年發電量。由此可見，電機系統節能是目前中國節能市場上比較具商業潛力的領域。
　　變頻調速正在逐步地成為電氣傳動的中樞。它取代著變極調速、滑差調速、換向器電動機調速、液力耦合器調速、串級調速及直流調速。除了節電外，更重要的是，產生增產、降耗、優質的效果，深受設計、工程、操作人員的歡迎。

2　變頻節能技術在通信行業水冷空調系統應用案例
　　常規水冷空調系統是按照比較大冷熱負荷進行選型設計。而全年比較熱及比較冷的天氣只有幾十天，因而水冷空調大多數時間是在低于機組額定負荷即部分負荷狀態下運行，造成了電能極大的浪費，隨著科技的發展，變頻器已廣泛應用于各行各業，其價格便宜，技術成熟，特別是對風機、水泵的節能改造目前已在工業領域中廣泛推廣，其平均節電率在30%以上。
2.1　廣州天河太陽廣場樞紐樓水冷空調控制方式存在的缺點
　　太陽廣場水冷空調系統共有3臺22kw的冷卻水泵(2用1備)，原采用機械式的壓差開關及傳統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。該調節方式缺點集中表現為如下幾點:
(1)設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，沖擊大廈電網及影響設備使用壽命;
(4)溫控效果不佳，當環境或冷熱負荷發生變化時，只能通過增減水泵的數量來調節總管壓差，總管壓力及室內溫度波動大，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
　　水冷空調的冷卻水泵的功率是根據空調滿負荷工作設計的，當機房需要的冷量或熱量沒有達到空調的滿負荷，這時就可以通過變頻調速器來調節冷卻水泵的轉速，降低冷卻水泵的循環速度，使冷量和熱量得到充分利用，從而達到節能目的。針對冷卻水泵2臺工作1臺備用，采用變頻器進行調節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)用一臺變頻調速器的節電效果
　　這是應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，進行調節控制．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，將會出現供水系統來回切換的狀態。為了避免這種現象的發生，可將供水壓力設定一個范圍，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臺變頻調速器的節電效果
　　用2臺變頻器分別控制2臺電動機，一次設備投資費用較高，但運行時的節能效果如何？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
　　由以上數據可以看出,采用2臺變頻器方案比采用1臺變頻方案還節約6.12kw（25.61kw～19.49kw），比較后決定采用2臺變頻器的調速方案。
2.3　電氣設計
　　本方案在不改變原工頻系統控制模式的基礎上進行改造。變頻控制模式與原控制模式可以通過切換開關的轉換，獨立地對冷卻水泵進行控制。這樣既保留了原工頻系統的控制模式，又為改造后的變頻控制系統提供一個獨立的備用系統。同時這樣做對原系統改造少，施工方便，改造過程不影響原系統的正常運行。圖1所示為變頻系統與原工頻系統切換示意圖，為了確保系統工作安全，采用機械互鎖與ddc互鎖的雙重保護模式。
　　改造后的系統采用2臺變頻器分別閉環控制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，保證系統的運行不受影響。如果緊急需要亦可以切換到原工頻系統繼續運行，如圖2所示。

圖1　冷卻泵原工頻系統與變頻系統切換示意圖

圖2　主頻控制系統圖

2.4　系統功能及控制方式
(1)系統功能
　　系統控制器軟件設計采用模塊化結構，每一個模塊作為一個子程序。根據系統功能劃分，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、調試和維護比較方便。
(2)變頻節能的控制方式
　　冷卻水泵變頻控制系統具有控制管網總管壓差穩定、變流量循環供水的功能，系統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、流量非電量信號轉換為電信號，輸入至可編程控制器的輸入模塊，信號經cpu運算處理后與設定的信號進行比較運算，得出比較佳的運行工況參數，由系統的輸出模塊輸出邏輯控制指令和變頻器的頻率設定值，控制投運水泵的臺數、轉速及監視系統的運行工況，并實現對每臺水泵根據cpu指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統可根據用戶負荷的變化，自動確定水泵的循環運行，以提高系統的穩定性及保證室內溫度的舒適感。
(3)兩變頻泵的投入、切出控制
　　兩泵并聯變頻恒壓(系統設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，由一臺變頻泵調速恒壓變流量運行;當用水流量增大，變頻泵的轉速自動上升;當變頻泵的轉速上升到工頻轉速，用水流量進一步增大，由系統控制器控制，自動啟動另一臺變頻泵投入，兩臺變頻泵并聯運行。在兩泵并聯變頻恒壓變流量的運行情況下，當用水流量下降，變頻調速泵的轉速下降;當流量下降到系統設置的切換點的時候，系統控制器發出指令，自動關閉一臺變頻泵，使之切出并聯運行。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，變頻泵的轉速應自動上升，然后慢慢下降以滿足冷卻水供水壓差恒壓要求，同時根據調試結果，在兩泵切換流量的臨界點，設定一定范圍的回滯區(一般為±10%)，以避免兩泵頻繁切換。上述頻率自動上升、下降由系統控制器控制，根據預置程式自動完成。根據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置
　　下限頻率的設置，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。設計和調試時是需要計算所需變頻器的下限頻率和水泵的轉速的，目的是好給pid一個初值，此后它會自整定。由于冷卻水循環系統不能停機，因此在保持比較低頻率運行時，系統壓力可能過高，此時可以通過原系統壓差旁通閥進行調節壓力。根據計算結論及調試驗證，確定變頻器的實際下限頻率比較低設定為35hz。
(5)泵防空轉控制
　　對水泵采用流量作為防空轉控制。正常運行時壓差反饋信號經ddc處理后直接控制冷卻水泵變頻器的輸出頻率，改變水泵轉速，從而實現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的狀態;當系統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，調節旁通閥的開度可以達到恒壓的目的和防空轉的目的;當系統負荷增大至使旁通閥處于全關的位置時，若此后負荷繼續增大，冷卻水總管壓差將下降，此時可通過ddc控制器根據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　水冷空調采用變頻器后的優點
　　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的沖擊。并可避免電機因過載而引起的故障。由于電機經常處于低負荷運行，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、末端設備也起到了保護作用。另一方面，設備噪音、震動均減小，保護了環境。
(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) 調節水泵風機流量、壓力可直接通過更改變頻器的運行頻率來完成 ;
(3) 若采用溫度閉環控制方式，系統可通過檢測環境溫度，隨天氣、熱負荷的變化自動調節，溫度變化小，調節迅速。

3　結束語
　　通過使用變頻器的實例，多數水泵節電率在20%以上，經濟效率十分顯著。同樣可以廣泛地應用在通信行業使用數量眾多的空調壓縮機上。