變頻調速技術及其在空調系統(tǒng)中的應用_secret

1、變頻調速技術及其在空調系統(tǒng)中的應用摘 要：簡要介紹了變頻調速技術，對變頻調速器的用途和性能優(yōu)點做了概括總結，比較詳細地論述了變頻調速器應用在空調系統(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節(jié)相比，變頻調速器的節(jié)能效果，且給出了相應的近似計算方法.最后以空調水系統(tǒng)中水泵為例，比較了采用閥門調節(jié)與變頻調速調節(jié)兩種方式的節(jié)能效益.實例表明，在大型商場空調水系統(tǒng)中，變頻調速器的節(jié)電率可達到74.1？這說明變頻調速技術在空調系統(tǒng)中的應用不僅是可行的而且是必要的. 關鍵字：變頻調速 空調系統(tǒng) 節(jié)能90年代以來，隨著大功率晶體管技術發(fā)展、大規(guī)模集成電路和計算機技術的突飛猛進，交

2、流電機的變頻調速技術已日趨完善，在各行各業(yè)得到了廣泛的應用.尤其在暖通空調領域，這一新技術在我國也開始推廣應用，實踐證明節(jié)能效益顯著.1變頻調速器變頻調速器也稱變頻器，全稱為變頻變壓調速器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正弦脈寬調制方式，是電力電子與計算機控制相結合的機電一體化產(chǎn)品.它將隨著功率元件和計算機技術的發(fā)展，結構上做到體積小，重量輕；性能上優(yōu)于以往的變極調速、串阻調速、串極調速、滑差電機調速等交流電機調速方式,并且將會逐步以這種嶄新的調

3、速技術取代直流電機調速.用交流異步電機取代直流電機，將使調速系統(tǒng)更加簡單.11用途與功能 變頻調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)品的電機調速.因為暖通空調行業(yè)中水泵、風機為必需的設備，而且耗電量巨大，在全年使用空調的現(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年代以來變頻調速器在暖通空調行業(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定、V/F曲線設定、轉距升高調整

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，使電機的旋轉磁場為理想的圓形磁場，轉矩脈動小，電機運轉平穩(wěn)，特別是克服了電壓型逆變器控制中電機低速運行時轉距脈動大的缺點.變頻調速器優(yōu)點很多，比如操作簡便、精確可調、數(shù)字顯示、在線無級調速等，但其主要的優(yōu)點在于節(jié)能.變頻調速器+普通鼠籠式異步電機=新的高性能調速系統(tǒng)節(jié)能裝置.2變頻調速節(jié)能原理在暖通空調系統(tǒng)中，風機、水泵類機械的風量、流量控制，過去很少有采用轉速控制方式的，多是由鼠籠式異步電機拖動，進行恒速運轉，當需要調節(jié)風量、流量時，實際

5、采用的辦法是調節(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、水泵類機械進行轉速控制來調節(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.變頻調速器用于水泵、風機、壓縮機等的調速，比如近年出現(xiàn)的變頻調速的VRV（變冷劑）系統(tǒng)，它們的節(jié)能原理都是相同的.21變頻調速節(jié)能的基本原理 以水泵為例，水泵調速運行節(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，當以不同轉速運行時，水泵的流量Q，揚程H，軸功率P與轉速n有如下關系Q1/Q2=n1/n2 ,(1)H1/H2=(n1/n2)2 ，(2)P1/P2=(n

6、1/n2)3 .(3)流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比.由此可見，當降低轉速時，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，即風量與轉速成正比，風壓與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比.因此，降低水泵或風機的轉速，就有可能使單位供水量或風量的電耗減少.由電工學可知，電機的轉速與輸入頻率有如下關系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為電機的轉速. 變頻器通過改變電機頻率而達到無級調速的目的 .對于水泵來說，變頻調速供水，就是通過壓力變送器檢測管網(wǎng)水壓，并將水壓信號轉化為電流信號，反饋給變頻器內單片機

7、，單片機根據(jù)水壓情況調整水泵電機輸入頻率，從而使水泵轉速改變.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.這就是變頻調速供水節(jié)能的基本原理. 2.2變頻調速器的自動控制 變頻調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)氣電轉換器變換為420mA的電流信號,由變頻調速器的控制端進而來控制電動機的轉速以改變流量.如果采用的是電動儀表，變頻調速器試用又證明是可靠的，那么圖中的氣電轉換器、三通氣開關以及氣動調節(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節(jié)閥控制高.根據(jù)要求，變頻調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變頻調速器自動控制示意圖Fig.1Scheme of VVVFI control2.3與閥門調節(jié)相比變頻調速的節(jié)能分析 采用變頻調速器后，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速，進而改變流量.圖2為水泵以閥門控制或調速控制時流量Q與揚程H的關系曲線（假設管路末端壓頭為零）.圖2變頻調速器的節(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為關小閥門，流量為Q2時的管路阻力特性曲線;曲線4為泵在轉速為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.如果采用轉速調節(jié)，轉速由n1降到n2.泵在轉速為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，還和調速的方法有關.如果電動機的滑差損耗很大，節(jié)電效果就大打折扣了.變頻調速器是一種高效調速裝置，它與滑差調速、液力偶合器調速不同，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，流量或風量是與轉速成正比的，而軸功率是與轉速的立方成正比

11、的，因此P=(n/ne)3Pe=(Q/Qe)3Pe ，(6)式中：ne，Qe，Pe分別為泵的額定轉速、額定流量和額定軸功率. 由式（3）可知，采用變頻調速時，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，采用變頻調速時消耗功率為0.125Pe.采用閥門調節(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、變頻調速消耗功率為9.42kW(f=28Hz),閥門調節(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結論理論和實踐證明，在空調水系統(tǒng)中采用變頻器具有顯著的節(jié)能效果.在空調風系統(tǒng)中變頻器控制空調風機的運行節(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.變頻調速又屬于無級調速方式，在運行穩(wěn)態(tài)過程和運行調節(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構，所以它在暖通