变频调速技术及其在空调系统中的应用.docx

变频调速技术及其在空调系统中的应用fenghy导语：采用SPWM正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品90年代以来，随着大功率晶体管技术开展、大规模集成电路和计算机技术的突飞猛进，沟通电机的变频调速技术已日趋完善，在各行各业得到了广泛的应用.尤其在暖通空调领域，这一新技术在我国也开场推广应用，理论证实节能效益显著1变频调速器变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器VVVFIvariablevoltage&variablefrequencyinverter.它采用大功率晶体管GTR作为功率元件，以单片机为核心进展控制，采用SPWM正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品.它将随着功率元件和计算机技术的开展，构造上做到体积小，重量轻；性能上优于以往的变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速等沟通电机调速方式,并且将会逐步以这种崭新的调速技术取代直流电机调速.用沟通异步电机取代直流电机，将使调速系统更加简单.11用处与功能变频调速器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用处的系列化产品，目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业，适用于水泵、风机、压缩机、机床等产品的电机调速.由于暖通空调行业中水泵、风机为必须的设备，而且耗电量宏大，在全年使用空调的当代化宾馆及办公大楼中，风机、水泵的用电量占整个建筑用电量的30%40%，约占整个动力用电的40%55%1.自90年代以来变频调速器在暖通空调行业逐渐被大家所认识并采用.它具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V/F曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳跃等功能；具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能.12性能与优点采用SPWM控制方法，使电机的旋转磁场为理想的圆形磁场，转矩脉动小，电机运转平稳，十分是克制了电压型逆变器控制中电机低速运行时转距脉动大的缺点.变频调速器优点很多，比方操纵简便、准确可调、数字显示、在线无级调速等，但其主要的优点在于节能.变频调速器普通鼠笼式异步电机=新的高性能调速系统节能装置.2变频调速节能原理在暖通空调系统中，风机、水泵类机械的风量、流量控制，过去很少有采用转速控制方式的，多是由鼠笼式异步电机拖动，进展恒速运转，当需要调节风量、流量时，实际采用的方法是调节挡板或者节流阀，这种控制固然简单，但从节省能源的观点来看，是很不经济的.采用变频器对风机、水泵类机械进展转速控制来调节风量、流量的方法，对节约能源、进步经济效益具有重要意义.变频调速器用于水泵、风机、压缩机等的调速，比方近年出现的变频调速的VRV变冷剂系统，它们的节能原理都是一样的.21变频调速节能的根本原理以水泵为例，水泵调速运行节电的理论之一是水泵学比例律.由水泵学比例律可知，对于同一台水泵，当以不同转速运行时，水泵的流量Q，扬程H，轴功率P与转速n有如下关系Q1/Q2=n1/n2,1H1/H2=n1/n22，2P1/P2=n1/n23.3流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比.由此可见，当降低转速时，功率的减少量远比流量的减少量大得多.风机也遵循这个规律，即风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比.因此，降低水泵或者风机的转速，就有可能使单位供水量或者风量的电耗减少.由电工学可知，电机的转速与输入频率有如下关系n=60f1-s/p,4式中：f为电源频率;s为滑差率；p为极对数；n为电机的转速.变频器通过改变电机频率而到达无级调速的目的.对于水泵来讲，变频调速供水，就是通过压力变送器检测管网水压，并将水压信号转化为电流信号，反应给变频器内单片机，单片机根据水压情况调整水泵电机输入频率，进而使水泵转速改变.例如，在非顶峰供水时，水泵减速运行，进而使水泵输入功率减少，到达节能的目的.这就是变频调速供水节能的根本原理.2.2变频调速器的自动控制变频调速器可以手动控制也可以自动控制.自动控制信号采用420mA电流信号或者05V电压信号；采用闭环控制的方法可以更好地知足自动控制的要求如图1.流量仪表的气动信号经气电转换器变换为420mA的电流信号,由变频调速器的控制端进而来控制电动机的转速以改变流量.假如采用的是电动仪表，变频调速器试用又证实是可靠的，那么图中的气电转换器、三通气开关以及气动调节阀都可省去，进而控制系统大为简化.而且流量控制的精度比已往的气动调节阀控制高.根据要求，变频调速器也可采用温度控制、压力控制或者各种信号的综合控制.图1变频调速器自动控制示意图2.3与阀门调节相比变频调速的节能分析采用变频调速器后，将泵和管线的阀门全开，用改变电机电源频率的方法来改变电机转速，进而改变流量.图2为水泵以阀门控制或者调速控制时流量Q与扬程H的关系曲线假设管路末端压头为零.图2变频调速器的节能原理图图2中：曲线1为泵在转速为n1时的Q-H性能曲线；曲线2为管路阻力特性曲线;曲线3为关小阀门，流量为Q2时的管路阻力特性曲线;曲线4为泵在转速为n2时的Q-H性能曲线;A，B，C为水泵的工况点.泵消耗的轴功率为P=QH/,5式中：为流体容重；为泵的效率.由式5可知，轴功率与Q，H的乘积成正比.因此在工况点A，轴功率与Q1，H1的乘积面积AH1OQ1成正比.根据工艺要求，当流量从Q1减少到Q2时，如采用阀门调节方法相当于增加管路阻力，使管路阻力特性变到曲线3，系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行从图2中可以看出，压头反而增加为H2，轴功率与面积BH2OQ2成正比，显然减少不多.假如采用转速调节，转速由n1降到n2.泵在转速为n2时的Q-H性能曲线如曲线4所示，可见在同样流量Q2时，压头H3大幅度降低，功率与面积CH3OQ2成正比明显减少，节省的功率与面积BH2H3C成正比,很显然节能效益显著.即便考虑到因转速的降低而引起效率的降低及附加控制装置的效率的影响等，但节电效果仍特别明显.此外，电机消耗的功率不仅决定于泵，还和调速的方法有关.假如电动机的滑差损耗很大，节电效果就大打折扣了.变频调速器是一种高效调速装置，它与滑差调速、液力偶合器调速不同，没有滑差损耗，本身的固有损失仅为1%2%，因此变频器的输入功率在任何速度下都近似即是泵的轴功率.对泵、风机等流体机械，流量或者风量是与转速成正比的，而轴功率是与转速的立方成正比的，因此P=n/ne3Pe=Q/Qe3Pe，6式中：ne，Qe，Pe分别为泵的额定转速、额定流量和额定轴功率.由式3可知，采用变频调速时，变频器消耗功率为P变频=P=Q/Qe3Pe.7假如采用阀门调节，电动机消耗功率近似为P电=0.40.6Q/QePe.8从式7和式8可见，当流量Q变为额定流量的50%时，采用变频调速时消耗功率为0.125Pe.采用阀门调节流量时，电动机消耗功率0.7Pe，节电率为82.1%，节电效果是很可观的.2.4在空调水系统中采用变频器的节电效果在一大型商场的空调水系统中，采用一台37kW的水泵及一台变频器，经测试后，变频调速消耗功率为9.42kWf=28Hz,阀门调节控制消耗功率为36.42kW,节电率为74.1%，年节电量为21.6万kW.h,电价按0.5元/kW.h计，那么年节约资金为10.8万元；假设选用价格为3.85万元的VFA-050-3型变频器，那么静态投资回收期为4.3个月.3结论理论和理论证实，在空调水系统中采用变频用具有显著的节能效果.在空调风系统中变频器控制空调风机的运行节电率可以到达39%2,3.除此以外，变频器还可用于锅炉补水系统、供热外网以及制冷系统中，同样都可以起到比拟显著的节能效果.事实上，变频器除了可以节电以外，还有很多优点.由于变频器采用微机控制，具有16种电压-频率特征曲线可供选择，因此拖动各种不同性质的负荷均能进入最正确运行状态.电机的加速和减速时间能根据负荷的要求来调整，在启动运行经过中做到了软起动，防止了泵的抽空现象.变频调速又属于无级调速方式，在运行稳态经过和运行调节经过中能起到显著的节能效果.此外还可降低起动电流，进步功率因数，对电机有多种保护功能.但变频器也有缺点，比方变频器对智能控制的电信号有干扰、价格较高等.目前，变频器的可靠性在不断进步，价格也有所降低，而且对于三相异步电动机加装变频器无需改变电路构造，所以它在暖通空调系统中必将得到广泛应用.参考文献1叶森林.变频变压技术在日本高层建筑动力节电中的应用.暖通空调，1989，3：242于洋，付丽君.变频调速器在纺织厂空调系统中的应用.节能，1998，3：333林强.化纤纺织厂中空调机组节能问题的系统分析.节能，1998，7：36