變頻調(diào)速技術(shù)及其在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用_secret

1、變頻調(diào)速技術(shù)及其在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用摘 要：簡要介紹了變頻調(diào)速技術(shù)，對變頻調(diào)速器的用途和性能優(yōu)點做了概括總結(jié)，比較詳細地論述了變頻調(diào)速器應(yīng)用在空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能的基本原理，并對其自動控制方法做了簡單介紹.重點分析了與閥門調(diào)節(jié)相比，變頻調(diào)速器的節(jié)能效果，且給出了相應(yīng)的近似計算方法.最后以空調(diào)水系統(tǒng)中水泵為例，比較了采用閥門調(diào)節(jié)與變頻調(diào)速調(diào)節(jié)兩種方式的節(jié)能效益.實例表明，在大型商場空調(diào)水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速器的節(jié)電率可達到74.1？這說明變頻調(diào)速技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅是可行的而且是必要的. 關(guān)鍵字：變頻調(diào)速 空調(diào)系統(tǒng) 節(jié)能90年代以來，隨著大功率晶體管技術(shù)發(fā)展、大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的突飛猛進，交

2、流電機的變頻調(diào)速技術(shù)已日趨完善，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用.尤其在暖通空調(diào)領(lǐng)域，這一新技術(shù)在我國也開始推廣應(yīng)用，實踐證明節(jié)能效益顯著.1變頻調(diào)速器變頻調(diào)速器也稱變頻器，全稱為變頻變壓調(diào)速器VVVFI(variable voltage & variable frequency inverter).它采用大功率晶體管GTR作為功率元件，以單片機為核心進行控制，采用SPWM正弦脈寬調(diào)制方式，是電力電子與計算機控制相結(jié)合的機電一體化產(chǎn)品.它將隨著功率元件和計算機技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)上做到體積小，重量輕；性能上優(yōu)于以往的變極調(diào)速、串阻調(diào)速、串極調(diào)速、滑差電機調(diào)速等交流電機調(diào)速方式,并且將會逐步以這種嶄新的調(diào)

3、速技術(shù)取代直流電機調(diào)速.用交流異步電機取代直流電機，將使調(diào)速系統(tǒng)更加簡單.11用途與功能 變頻調(diào)速器已形成了與電機相配合的不同功率、不同用途的系列化產(chǎn)品，目前產(chǎn)品已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油、石化、鋼鐵、冶金、礦山、機械、紡織、建筑、造紙等行業(yè)，適用于水泵、風機、壓縮機、機床等產(chǎn)品的電機調(diào)速.因為暖通空調(diào)行業(yè)中水泵、風機為必需的設(shè)備，而且耗電量巨大，在全年使用空調(diào)的現(xiàn)代化賓館及辦公大樓中，風機、水泵的用電量占整個建筑用電量的30%40%，約占整個動力用電的40%55%1.自90年代以來變頻調(diào)速器在暖通空調(diào)行業(yè)逐漸被大家所認識并采用.它具有多種速度切換、加減速時間的外部設(shè)定、V/F曲線設(shè)定、轉(zhuǎn)距升高調(diào)整

4、、輸出頻率上、下限幅、頻率跳躍等功能；具有各種接口，能與計算機、可編程序控制器及自動化儀表聯(lián)機，并具有遠程控制的功能.12性能與優(yōu)點 采用SPWM控制方法，使電機的旋轉(zhuǎn)磁場為理想的圓形磁場，轉(zhuǎn)矩脈動小，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，特別是克服了電壓型逆變器控制中電機低速運行時轉(zhuǎn)距脈動大的缺點.變頻調(diào)速器優(yōu)點很多，比如操作簡便、精確可調(diào)、數(shù)字顯示、在線無級調(diào)速等，但其主要的優(yōu)點在于節(jié)能.變頻調(diào)速器+普通鼠籠式異步電機=新的高性能調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能裝置.2變頻調(diào)速節(jié)能原理在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，風機、水泵類機械的風量、流量控制，過去很少有采用轉(zhuǎn)速控制方式的，多是由鼠籠式異步電機拖動，進行恒速運轉(zhuǎn)，當需要調(diào)節(jié)風量、流量時，實際

5、采用的辦法是調(diào)節(jié)擋板或節(jié)流閥，這種控制雖然簡單，但從節(jié)省能源的觀點來看，是很不經(jīng)濟的.采用變頻器對風機、水泵類機械進行轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)風量、流量的方法，對節(jié)約能 收稿日期19990713源、提高經(jīng)濟效益具有重要意義.變頻調(diào)速器用于水泵、風機、壓縮機等的調(diào)速，比如近年出現(xiàn)的變頻調(diào)速的VRV（變冷劑）系統(tǒng)，它們的節(jié)能原理都是相同的.21變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理 以水泵為例，水泵調(diào)速運行節(jié)電的理論之一是水泵學比例律.由水泵學比例律可知，對于同一臺水泵，當以不同轉(zhuǎn)速運行時，水泵的流量Q，揚程H，軸功率P與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系Q1/Q2=n1/n2 ,(1)H1/H2=(n1/n2)2 ，(2)P1/P2=(n

6、1/n2)3 .(3)流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.由此可見，當降低轉(zhuǎn)速時，功率的減少量遠比流量的減少量大得多.風機也遵循這個規(guī)律，即風量與轉(zhuǎn)速成正比，風壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.因此，降低水泵或風機的轉(zhuǎn)速，就有可能使單位供水量或風量的電耗減少.由電工學可知，電機的轉(zhuǎn)速與輸入頻率有如下關(guān)系n=60f(1-s)/p ,(4)式中：f為電源頻率;s為滑差率；p為極對數(shù)；n為電機的轉(zhuǎn)速. 變頻器通過改變電機頻率而達到無級調(diào)速的目的 .對于水泵來說，變頻調(diào)速供水，就是通過壓力變送器檢測管網(wǎng)水壓，并將水壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號，反饋給變頻器內(nèi)單片機

7、，單片機根據(jù)水壓情況調(diào)整水泵電機輸入頻率，從而使水泵轉(zhuǎn)速改變.例如，在非高峰供水時，水泵減速運行，從而使水泵輸入功率減少，達到節(jié)能的目的.這就是變頻調(diào)速供水節(jié)能的基本原理. 2.2變頻調(diào)速器的自動控制 變頻調(diào)速器可以手動控制也可以自動控制.自動控制信號采用420mA電流信號或05V電壓信號；采用閉環(huán)控制的方法可以更好地滿足自動控制的要求(如圖1).流量儀表的氣動信號經(jīng)氣電轉(zhuǎn)換器變換為420mA的電流信號,由變頻調(diào)速器的控制端進而來控制電動機的轉(zhuǎn)速以改變流量.如果采用的是電動儀表，變頻調(diào)速器試用又證明是可靠的，那么圖中的氣電轉(zhuǎn)換器、三通氣開關(guān)以及氣動調(diào)節(jié)閥都可省去，從而控制系統(tǒng)大為簡化.而且流量

8、控制的精度比已往的氣動調(diào)節(jié)閥控制高.根據(jù)要求，變頻調(diào)速器也可采用溫度控制、壓力控制或各種信號的綜合控制.圖1變頻調(diào)速器自動控制示意圖Fig.1Scheme of VVVFI control2.3與閥門調(diào)節(jié)相比變頻調(diào)速的節(jié)能分析 采用變頻調(diào)速器后，將泵和管線的閥門全開，用改變電機電源頻率的方法來改變電機轉(zhuǎn)速，進而改變流量.圖2為水泵以閥門控制或調(diào)速控制時流量Q與揚程H的關(guān)系曲線（假設(shè)管路末端壓頭為零）.圖2變頻調(diào)速器的節(jié)能原理圖Fig.2The principle diagram of VVVFI for the save of energy圖2中：曲線1為泵在轉(zhuǎn)速為n1時的Q-H性能曲線；曲線

9、2為管路阻力特性曲線;曲線3為關(guān)小閥門，流量為Q2時的管路阻力特性曲線;曲線4為泵在轉(zhuǎn)速為n2時的Q-H性能曲線;A，B，C為水泵的工況點. 泵消耗的軸功率為P=QH/ ,(5)式中：為流體容重；為泵的效率. 由式（5）可知，軸功率與Q，H的乘積成正比.因此在工況點A，軸功率與Q1，H1的乘積面積AH1OQ1成正比.根據(jù)工藝要求，當流量從Q1減少到Q2時，如采用閥門調(diào)節(jié)方法相當于增加管路阻力，使管路阻力特性變到曲線3，系統(tǒng)由原來的工況點A變到新的工況點B運行從圖2中可以看出，壓頭反而增加為H2，軸功率與面積BH2OQ2成正比，顯然減少不多.如果采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速由n1降到n2.泵在轉(zhuǎn)速為n2時

10、的Q-H性能曲線如曲線4所示，可見在同樣流量Q2時，壓頭H3大幅度降低，功率（與面積CH3OQ2成正比）明顯減少，節(jié)省的功率與面積BH2H3C成正比,很顯然節(jié)能效益顯著.即便考慮到因轉(zhuǎn)速的降低而引起效率的降低及附加控制裝置的效率的影響等，但節(jié)電效果仍十分明顯.此外，電機消耗的功率不僅決定于泵，還和調(diào)速的方法有關(guān).如果電動機的滑差損耗很大，節(jié)電效果就大打折扣了.變頻調(diào)速器是一種高效調(diào)速裝置，它與滑差調(diào)速、液力偶合器調(diào)速不同，沒有滑差損耗，本身的固有損失僅為1%2%，因此變頻器的輸入功率在任何速度下都近似等于泵的軸功率.對泵、風機等流體機械，流量或風量是與轉(zhuǎn)速成正比的，而軸功率是與轉(zhuǎn)速的立方成正比

11、的，因此P=(n/ne)3Pe=(Q/Qe)3Pe ，(6)式中：ne，Qe，Pe分別為泵的額定轉(zhuǎn)速、額定流量和額定軸功率. 由式（3）可知，采用變頻調(diào)速時，變頻器消耗功率為P變頻 =P=(Q/Qe)3Pe .(7)如果采用閥門調(diào)節(jié)，電動機消耗功率近似為P電 =（0.4+0.6Q/Qe）Pe.(8)從式（7）和式（8）可見，當流量Q變?yōu)轭~定流量的50%時，采用變頻調(diào)速時消耗功率為0.125Pe.采用閥門調(diào)節(jié)流量時，電動機消耗功率0.7Pe，節(jié)電率為82.1%，節(jié)電效果是很可觀的.2.4在空調(diào)水系統(tǒng)中采用變頻器的節(jié)電效果 在一大型商場的空調(diào)水系統(tǒng)中，采用一臺37kW的水泵及一臺變頻器，經(jīng)測試后，

12、變頻調(diào)速消耗功率為9.42kW(f=28Hz),閥門調(diào)節(jié)控制消耗功率為36.42kW,節(jié)電率為74.1%，年節(jié)電量為21.6萬kW.h,電價按0.5元/(kW.h)計，則年節(jié)約資金為10.8萬元；若選用價格為3.85萬元的VFA-050-3型變頻器，則靜態(tài)投資回收期為4.3個月.3結(jié)論理論和實踐證明，在空調(diào)水系統(tǒng)中采用變頻器具有顯著的節(jié)能效果.在空調(diào)風系統(tǒng)中變頻器控制空調(diào)風機的運行節(jié)電率可以達到39%2,3.除此以外，變頻器還可用于鍋爐補水系統(tǒng)、供熱外網(wǎng)以及制冷系統(tǒng)中，同樣都可以起到比較顯著的節(jié)能效果.事實上，變頻器除了可以節(jié)電以外，還有許多優(yōu)點.由于變頻器采用微機控制，具有16種電壓-頻率特征曲線可供選擇，因而拖動各種不同性質(zhì)的負荷均能進入最佳運行狀態(tài).電機的加速和減速時間能根據(jù)負荷的要求來調(diào)整，在啟動運行過程中做到了軟起動，避免了泵的抽空現(xiàn)象.變頻調(diào)速又屬于無級調(diào)速方式，在運行穩(wěn)態(tài)過程和運行調(diào)節(jié)過程中能起到顯著的節(jié)能效果.此外還可降低起動電流，提高功率因數(shù)，對電機有多種保護功能.但變頻器也有缺點，比如變頻器對智能控制的電信號有干擾、價格較高等.目前，變頻器的可靠性在不斷提高，價格也有所降低，而且對于三相異步電動機加裝變頻器無需改變電路結(jié)構(gòu)，所以它在暖通