地铁车站空调通风系统变频节能控制的设计

［4］胡发运.变频器的应用与维护［J］.电气时代，2005（8）：78- 81. ［5］田亮，刘鑫屏.中央空调房间温度模糊控制器的设计［J］.电
子技术应用，2002（4）：40- 42. ［6］Schneider Electric，Quantum PLC，Schneider Electric，2005.
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。
从异步电动机的工作原理得知，电机转速
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[5]，通过 MODBUS 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
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 9~12h 的风 机的运行数据记录见表 1。
表 1 风机运行数据
时间 t/ h
9~10
10~11
11~12
温度 T/℃
29
30
32
频率 f/ Hz
15
22
40
根据式（1）可知，风机的转速与频率 f 成正
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
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节能
上常用的施耐德 PLC 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 PLC 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。
目 前 实 验 室 已 建 立 了 基 本 的 试 验 平 台 ，用 于调试 PLC 与变频器和电机的通信。通过该试 验平台可以方便地实现：PLC 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：220V 和 380V 交流电 CPS：140- CPS- 114- 20 风机：鼓风机（2.2kW 220V/380V） 变频器：ATV71HU55N4Z（5.5kW 380V/480V） PLC：140- CPU- 434- 12[6] 计算机：Windows 网络：MODBUS 总线
ne -（0.8ne）
3
=48.8%
ne
这 说 明 ，流 量 仅 降 低 20% ，节 电 率 高 达
48.8% ，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% ，因此，在环控系统中采用变频调
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第 46 页）
4 结论
利用 Unigraphics 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 AutoCAD，生成直纹曲面。再利用 Autolisp 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。
与电机转速的 3 次方成正比。假设 ne 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：
33
g=
ne
-n
3
ne
（2）
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]为 30 年后的远期，而初期运行为 3~5 年，客流量远 比远期小，节假日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[4]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。
本文针对地铁车站空调通风系统进行研 究，应用 PLC 控制器、变频器及 MODBUS 网络 总线等设备设计了一套变频控制系统，采用 MODBUS 总线作为通信方式，并且应用 PLC 控 制器的组态软件 CONCEPT 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
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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 f 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=kn（3 其中 k 为常数），即负载所消耗的能量
由公式（1）给出：
n= 60f（1- s） p
（1）
式中 n 为电动机对数。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、10
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 PID 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。
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 40%，上 海地铁二号线平均每座地下车站空调系统运行 耗电量 37 万 kW·h/ 月[1]。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。
收稿日期：2008－09－22 上海市 201804
frequency conversion；energy- saving；PLC，fuzzy control
0 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。
节能
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[2]，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。
比。因此式（2）可等效为式（3）。
33
g=
fe
-
3
f
fe
（3）
其中 fe 为风机的额定频率，等于 50。因此根
据表 1，应用式（3）可以得出此时风机的节能率为
! " 3
33
33
3
g=
fe - 15
3
+
fe
-
22
3
+
fe
-
40
3
/ 3≈79.2%
fe
fe
fe
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
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，2005.
［2］上 海 市 建 设 科 委 会 . 地 铁 一 号 线 工 程［M］. 上 海 科 技 出 版 社，1998.
［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，2003（4）：218- 222.
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 80%，则由
于风机的流量与电机转速成正比，流量降为额
定值的 80%。节电率可按式（2）计算：
3
3
g=
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