淺談變頻器在供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、淺談變頻器在供暖系統(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(diǎn)做了概括總結(jié)，比較詳細(xì)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(diǎn)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(jì)算方法.最后以供暖水系統(tǒng)中水泵為例，實(shí)例表明變頻調(diào)速器的節(jié)電率可達(dá)到34%，這說明變頻調(diào)速技術(shù)在供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅是可行的而且是必要的. 關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 供暖系統(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(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電機(jī)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.尤其在供暖領(lǐng)域，這一新技術(shù)

2、在我國也開始推廣應(yīng)用，實(shí)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，它采用大功率晶體管GTR作為功率元件，以單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，采用SPWM正弦脈寬調(diào)制方式，是電力電子與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品.它將隨著功率元件和計(jì)算機(jī)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(jī)調(diào)速等交流電機(jī)調(diào)速方式,并且將會逐步以這種嶄新的調(diào)速技術(shù)取代直流電機(jī)調(diào)速.用交流異步電機(jī)取代直流電機(jī)，將使調(diào)速系統(tǒng)更加簡單.11、性能與優(yōu)點(diǎn) 采用SPWM控制方法，使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場為理想的圓形磁場，轉(zhuǎn)矩脈動小，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，特別是克服了電壓型逆變器控制中電機(jī)低速運(yùn)行

3、時(shí)轉(zhuǎn)距脈動大的缺點(diǎn).變頻調(diào)速器優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)在于節(jié)能.變頻調(diào)速器+普通異步電機(jī)=新的高性能調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能裝置.2、變頻調(diào)速節(jié)能原理在暖通系統(tǒng)中，水泵類機(jī)械的流量控制，過去很少有采用轉(zhuǎn)速控制方式的，多是由異步電機(jī)拖動，進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要調(diào)節(jié)流量時(shí)，實(shí)際采用的辦法是調(diào)節(jié)節(jié)流閥，這種控制雖然簡單，但從節(jié)省能源的觀點(diǎn)來看，是很不經(jīng)濟(jì)的.采用變頻器對水泵類機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)流量的方法，對節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義.變頻調(diào)速器用于水泵的調(diào)速，比如近年出現(xiàn)的變頻調(diào)速的系統(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

4、例，水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)電的理論之一是水泵學(xué)比例律.由水泵學(xué)比例律可知，對于同一臺水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水泵的流量Q，揚(yáng)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=(n1/n2)3 .(3)流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)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(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，功率的減少量遠(yuǎn)比流量的減少量大得多.因此，降低水泵的轉(zhuǎn)速，就有可能使單位供水量的電耗減少.由電工學(xué)可知，電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速. 變頻器通過改變電機(jī)頻

5、率而達(dá)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(jī)，單片機(jī)根據(jù)水壓情況調(diào)整水泵電機(jī)輸入頻率，從而使水泵轉(zhuǎn)速改變.例如，在非高峰供水時(shí)，水泵減速運(yùn)行，從而使水泵輸入功率減少，達(dá)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(jìn)而來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以改變流量.如

6、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2.3、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(jī)電源頻率的方法來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變流量.圖2為水泵以閥門控制或調(diào)速控制時(shí)流量Q與揚(yáng)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)能原理圖圖2中：曲線1為泵在轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的Q-H性能曲線；曲線2為管路阻力特性曲線;曲線3為關(guān)小

7、閥門，流量為Q2時(shí)的管路阻力特性曲線;曲線4為泵在轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的Q-H性能曲線;A，B，C為水泵的工況點(diǎn). 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(diǎn)A，軸功率與Q1，H1的乘積面積AH1OQ1成正比.根據(jù)工藝要求，當(dāng)流量從Q1減少到Q2時(shí)，如采用閥門調(diào)節(jié)方法相當(dāng)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(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)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(shí)的Q-H性能曲線如曲線4所示，可見

8、在同樣流量Q2時(shí)，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(jī)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(jī)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.對泵流體機(jī)械，流量是與轉(zhuǎn)速成正比的，而軸功率是與轉(zhuǎn)速的立方成正比的，因此P=(n/ne)3Pe=(Q/Qe)3P

9、e，(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(shí)，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(jī)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(dāng)流量Q變?yōu)轭~定流量的50%時(shí)，采用變頻調(diào)速時(shí)消耗功率為0.125Pe.采用閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)，電動機(jī)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、在供暖水系統(tǒng)中采用變頻器的節(jié)電效果 在水暖廠21#換熱站供暖水系統(tǒng)中，采用110kW循環(huán)泵及變頻器一開一備運(yùn)轉(zhuǎn)，20072008采暖期循環(huán)泵頻率f=33Hz，由式（7）可算出21#換熱站變頻調(diào)