1　引言
　　电机系统节能是国家发改委启动的十大重点节能工程之一。国家发展规划要求，当前应推广变频调速节能技术，即风机、水泵、压缩机等通用机械系统采用变频调速节能措施，工业机械采用交流电动机变频工艺调速技术。在“十一五”期间，我国将实现电机系统运行效率提高2个百分点,形成年节电能力达200亿kw·h的目标。
　　业内专家介绍，我国电动机总装机容量约5.8亿kw，占全国总耗电量的60%～70%。其中，交流电动机占90%左右。只有不到2000万kw的电动机是带变频控制的,变频控制电机市场占有率不足4%。专家分析，目前各类电机的运行效率加权平均比国外低3～5个百分点，风机和泵的效率要比发达国家低2%～3%,整体在用的电机驱动系统运行效率比国外低近20%。如果按电动机总容量的10%进行调速改造，按年平均运行4000h、节电率20%～25%计算，年节电潜力为320亿～400亿kw·h。加上为改善工艺流程而进行调速改造的电动机可带来的节电潜力，总节电潜力约为500亿kw·h，相当于10000mw装机容量的火力发电厂的年发电量。由此可见，电机系统节能是目前中国节能市场上比较具商业潜力的领域。
　　变频调速正在逐步地成为电气传动的中枢。它取代着变极调速、滑差调速、换向器电动机调速、液力耦合器调速、串级调速及直流调速。除了节电外，更重要的是，产生增产、降耗、优质的效果，深受设计、工程、操作人员的欢迎。

2　变频节能技术在通信行业水冷空调系统应用案例
　　常规水冷空调系统是按照比较大冷热负荷进行选型设计。而全年比较热及比较冷的天气只有几十天，因而水冷空调大多数时间是在低于机组额定负荷即部分负荷状态下运行，造成了电能极大的浪费，随着科技的发展，变频器已广泛应用于各行各业，其价格便宜，技术成熟，特别是对风机、水泵的节能改造目前已在工业领域中广泛推广，其平均节电率在30%以上。
2.1　广州天河太阳广场枢纽楼水冷空调控制方式存在的缺点
　　太阳广场水冷空调系统共有3台22kw的冷却水泵(2用1备)，原采用机械式的压差开关及传统继电控制方式来控制2台工作泵的投入和切出;冷却塔采用组合式控制。该调节方式缺点集中表现为如下几点:
(1)设备长时间全开或全闭，轮流运行，电能浪费惊人;
(2)电机直接工频启动，冲击电流大，严重影响设备使用寿命;
(3)当流量处于开一台泵与开二台泵的流量临界点之间时，水泵频繁启停，冲击大厦电网及影响设备使用寿命;
(4)温控效果不佳，当环境或冷热负荷发生变化时，只能通过增减水泵的数量来调节总管压差，总管压力及室内温度波动大，舒适感差;
(5)凉水塔为两台组合式控制，冬天及深夜当小泵系统运行时，耗电严重。
2.2　解决方案及选择
(1)冷却水泵变频控制方案选择
　　水冷空调的冷却水泵的功率是根据空调满负荷工作设计的，当机房需要的冷量或热量没有达到空调的满负荷，这时就可以通过变频调速器来调节冷却水泵的转速，降低冷却水泵的循环速度，使冷量和热量得到充分利用，从而达到节能目的。针对冷却水泵2台工作1台备用，采用变频器进行调节控制时存在着一个用1台变频器还是用2台变频器的问题。
(2)用一台变频调速器的节电效果
　　这是应用得较为普遍的方案，其控制过程是:用水量少时由变频器控制1号泵，进行调节控制．当用水量逐渐增加，1号泵的工作频率达到接近50hz时，将其电动机切换成工频电源供电．同时将变频器切换到2号泵上，由2号泵进行补充供水．反之，当用水量逐渐减少，即使2号泵的工作频率已降为下限频率，而供水压力仍偏大时，则关掉1号泵，同时迅速升高2号泵的工作频率．并进行恒压控制．此方案的主要特点是只用一台变频器，故设备投资少，但如果用水量恰巧在1台泵全速供水量上下变动时，将会出现供水系统来回切换的状态。为了避免这种现象的发生，可将供水压力设定一个范围，此方法适用于控制精度要求不是很高的场合。此方案取用电功率的计算如下:
22kw的拖动电动机容量为pmn=22kw
全速时的供水量为qn
泵的空载损耗为po=0.1×22kw=2.2kw
每天的平均总供水流量为140％.qn
则1号泵为全速，其平均取用功率为：
pm2=pmn=22kw
而2号泵的平均转速的40%，其平均取用功率为:
pm2=(2.2+0.43×22)kw=3.61kw
两台泵取用的总平均功率为22+3.61=25.61kw
（3）用2台变频调速器的节电效果
　　用2台变频器分别控制2台电动机，一次设备投资费用较高，但运行时的节能效果如何？计算如下：每天的平均总供水流量还为140%qn,供水流量可由二台水泵平均分担，则每台的平均供水流量为70％qn。每台电动机的取用电功率为:
　　pm1=(2.2+0.73×22)kw=9.75kw。二台水泵共用功率为2×9.75=19.49kw
　　由以上数据可以看出,采用2台变频器方案比采用1台变频方案还节约6.12kw（25.61kw～19.49kw），比较后决定采用2台变频器的调速方案。
2.3　电气设计
　　本方案在不改变原工频系统控制模式的基础上进行改造。变频控制模式与原控制模式可以通过切换开关的转换，独立地对冷却水泵进行控制。这样既保留了原工频系统的控制模式，又为改造后的变频控制系统提供一个独立的备用系统。同时这样做对原系统改造少，施工方便，改造过程不影响原系统的正常运行。图1所示为变频系统与原工频系统切换示意图，为了确保系统工作安全，采用机械互锁与ddc互锁的双重保护模式。
　　改造后的系统采用2台变频器分别闭环控制1号和2号冷却水泵，3号冷却水泵为备用泵，可以通过程序控制，分别接入1号变频器或2#变频器，这样三台泵均可互为备用。正常运行的冷却水泵如遇故障或检修，可以通过程序切换，保证系统的运行不受影响。如果紧急需要亦可以切换到原工频系统继续运行，如图2所示。

图1　冷却泵原工频系统与变频系统切换示意图

图2　主频控制系统图

2.4　系统功能及控制方式
(1)系统功能
　　系统控制器软件设计采用模块化结构，每一个模块作为一个子程序。根据系统功能划分，程序由多个模块组成，每个模块的程序量都不大，所以整个程序的编制、调试和维护比较方便。
(2)变频节能的控制方式
　　冷却水泵变频控制系统具有控制管网总管压差稳定、变流量循环供水的功能，系统通过安装在出水总管上的压差传感器、流量传感器，实时将压差、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器的输入模块，信号经cpu运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出比较佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制投运水泵的台数、转速及监视系统的运行工况，并实现对每台水泵根据cpu指令实施软启动、软切换及变频运行。系统可根据用户负荷的变化，自动确定水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及保证室内温度的舒适感。
(3)两变频泵的投入、切出控制
　　两泵并联变频恒压(系统设计冷却水供回水压差要求为130kpa)变流量运行的工作模式通常是这样的:当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量时，由一台变频泵调速恒压变流量运行;当用水流量增大，变频泵的转速自动上升;当变频泵的转速上升到工频转速，用水流量进一步增大，由系统控制器控制，自动启动另一台变频泵投入，两台变频泵并联运行。在两泵并联变频恒压变流量的运行情况下，当用水流量下降，变频调速泵的转速下降;当流量下降到系统设置的切换点的时候，系统控制器发出指令，自动关闭一台变频泵，使之切出并联运行。为了减少变频泵自动投入切出时的冲击(水力的或电流的冲击)及避免两泵间的频繁切换。在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在切出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足冷却水供水压差恒压要求，同时根据调试结果，在两泵切换流量的临界点，设定一定范围的回滞区(一般为±10%)，以避免两泵频繁切换。上述频率自动上升、下降由系统控制器控制，根据预置程式自动完成。根据给定管路特性曲线和水泵特性曲线进行拟合求得的两变频器投入、切出运行曲线。
(4)变频器下限频率的设置
　　下限频率的设置，主要是考虑水泵的扬程，如果频率太低，扬程不够，水泵又工作，其实是耗能。设计和调试时是需要计算所需变频器的下限频率和水泵的转速的，目的是好给pid一个初值，此后它会自整定。由于冷却水循环系统不能停机，因此在保持比较低频率运行时，系统压力可能过高，此时可以通过原系统压差旁通阀进行调节压力。根据计算结论及调试验证，确定变频器的实际下限频率比较低设定为35hz。
(5)泵防空转控制
　　对水泵采用流量作为防空转控制。正常运行时压差反馈信号经ddc处理后直接控制冷却水泵变频器的输出频率，改变水泵转速，从而实现冷却水供水压力的恒定，此时冷却水总管压差旁通阀处于全关的状态;当系统负荷减小至使变频器锁定于比较低频率下运行时，若此后负荷继续减小，冷却水总管压差将上升或流量减小为零，此时可通过ddc控制器启动冷却水压差旁通子程序，调节旁通阀的开度可以达到恒压的目的和防空转的目的;当系统负荷增大至使旁通阀处于全关的位置时，若此后负荷继续增大，冷却水总管压差将下降，此时可通过ddc控制器根据压差反馈值使变频器的输出频率增大，维持冷却水总管压力的恒定。
(6)变频器改造的电气设备配置
　　变频器改造电气配置备如附表所示。

附表　变频器改造的电气配置备

2.5　水冷空调采用变频器后的优点
　　由于变频器的启动、停止过程是渐强、渐弱式，能消除电机启动对电网的冲击。并可避免电机因过载而引起的故障。由于电机经常处于低负荷运行，能大幅度延长电机及水泵、风机的寿命，同时因没有启动、停止的冲击，加上流量的减少，管路承压及所受冲击力减小，故对管道、阀门、末端设备也起到了保护作用。另一方面，设备噪音、震动均减小，保护了环境。
(1) 变频器可对电机软启动，大大减小冲击电流，降低了电机轴承磨损，延长了轴承寿命;
(2) 调节水泵风机流量、压力可直接通过更改变频器的运行频率来完成 ;
(3) 若采用温度闭环控制方式，系统可通过检测环境温度，随天气、热负荷的变化自动调节，温度变化小，调节迅速。

3　结束语
　　通过使用变频器的实例，多数水泵节电率在20%以上，经济效率十分显著。同样可以广泛地应用在通信行业使用数量众多的空调压缩机上。