變頻調(diào)速技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

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　　1　引言

　　近十幾年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻器已廣泛地用于交流電動(dòng)機(jī)的速度控制。因?yàn)槠渚哂懈咝实尿?qū)動(dòng)性能及良好的控制特性，在各行各業(yè)得到很好的應(yīng)用。在暖通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，一方面可以極大地節(jié)省水泵或風(fēng)機(jī)的電能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行；另一方面可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高精度控制，滿足對(duì)環(huán)境的舒適度和生產(chǎn)工藝過程對(duì)環(huán)境的溫、濕度精度要求，從而有效地提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量。變頻器不僅在大型的通風(fēng)、空調(diào)、供熱等系統(tǒng)中得到了有效地利用，而且也已進(jìn)入家電產(chǎn)品中，如家用空調(diào)器，電冰箱等家電設(shè)備中都用到了變頻調(diào)速技術(shù)?？梢哉f在暖通空調(diào)領(lǐng)域，凡是有需要速度控制的場合，變頻器都以其操作方便、體積小、控制性能好而獲得了廣泛應(yīng)用。

　　本文僅就變頻器用在泵與風(fēng)機(jī)中的節(jié)能運(yùn)行機(jī)理、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的一般組成，以及變頻調(diào)速技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的幾個(gè)具體應(yīng)用方向做一簡單的介紹。

　　2　泵與風(fēng)機(jī)應(yīng)用交流變頻器節(jié)能的運(yùn)行機(jī)理

　　2、1　泵與風(fēng)機(jī)的特性泵與風(fēng)機(jī)的軸功率N與其流量Q、揚(yáng)程H（壓力）之間的關(guān)系為：

　　N∝Q×H當(dāng)流量由Q1變化到Q2時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，此時(shí)Q、H、N相對(duì)于轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

　　可以看出，泵或風(fēng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，流量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比。圖1示出泵和風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程與流量的關(guān)系曲線。

　　2、2　系統(tǒng)特性

　　流體在管路系統(tǒng)中的特性可以表達(dá)成如下的關(guān)系式：

　　其中H為管路系統(tǒng)的壓差阻力；P2、P1為流體高、低壓面的壓強(qiáng)，Hz為流體高、低壓面的高差。S為管路系統(tǒng)的阻力系數(shù)，與管路系統(tǒng)的沿程阻力和局部阻力以及幾何形狀有關(guān)。

　　2、3　泵與風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)

　　根據(jù)管路系統(tǒng)特性所提出的流量及其相應(yīng)的壓頭必須由泵或風(fēng)機(jī)來滿足。將泵或風(fēng)機(jī)的性能曲線和管路系統(tǒng)的性能曲線同繪在一張坐標(biāo)圖上，如圖3所示，兩條曲線相交的點(diǎn)O就是泵或風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。其中O～O′為系統(tǒng)的流動(dòng)阻力。

　　在設(shè)計(jì)工況下，泵或風(fēng)機(jī)可以在流量為Q0的條件下向管路系統(tǒng)提供H0的揚(yáng)程。

　　2、4　當(dāng)需要的流量減少時(shí)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

　　通常泵或風(fēng)機(jī)的容量是按照系統(tǒng)需要的最大要求而設(shè)計(jì)的，然而在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間里在遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)容量下工作。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是在泵或風(fēng)機(jī)的出口處加裝閥門，用關(guān)小閥門加大系統(tǒng)局部阻力即改變管路系統(tǒng)特性曲線的方法來進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4工作點(diǎn)從0變到1.這種方法簡單有效，但嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的效率。雖然流量減少了，但消耗在閥門上的損耗增加了，實(shí)踐證明，這種調(diào)節(jié)方法在流量減少的情況下，泵或風(fēng)機(jī)的軸功率基本沒有改變。

　　2、5　變頻調(diào)速的方法

　　如果系統(tǒng)安裝有變頻調(diào)速控制裝置，當(dāng)需要的流量減少時(shí)，不總采用關(guān)小閥門出口的方法，而是利用變頻調(diào)速控制裝置改變泵或風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在減少系統(tǒng)流量的同時(shí)降低了系統(tǒng)阻力，就可以達(dá)到既減少流量，又可以極大地減少電動(dòng)機(jī)的軸功率，達(dá)到節(jié)能的效果。

　　泵或風(fēng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，而流量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比，故泵或風(fēng)機(jī)的軸功率與流量的3次方成正比。它們之間的關(guān)系如圖6所示。從圖上可以看出，當(dāng)流量減小為原流量的80％時(shí)，軸功率減少為原軸功率的51％；當(dāng)流量減少為原流量的60％時(shí)，軸功率減少為原軸功率的22％左右。如果和改變泵或風(fēng)機(jī)出口閥門開度的方法相比，變頻調(diào)速方法的節(jié)能效果是非常明顯的。

　　3　變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的組成

　　暖通空調(diào)中用到的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)一般由傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、控制器、變頻器、電動(dòng)機(jī)及被控制設(shè)備幾部分組成?！　鞲衅饔脕砀袦y被控設(shè)備中的被控參量，它可以是流量、壓力、溫度、濕度、氣體含量等，一般是利用傳感器把被控參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。變送器的作用是把傳感器得到的電信號(hào)進(jìn)行放大、整形等處理，然后統(tǒng)一調(diào)整為規(guī)則化的電壓，如0V～5V或電流信號(hào)4mA～20mA等作為調(diào)節(jié)器的輸入。調(diào)節(jié)器或控制器，它們其實(shí)就是一個(gè)由單片機(jī)組成的微型控制系統(tǒng)。本身具有計(jì)算、判斷、邏輯分析功能。它有數(shù)字和模擬輸入端、數(shù)字和模擬輸出端，可以在軟件的控制下實(shí)現(xiàn)PID或模糊控制等控制規(guī)律，還可以利用數(shù)字輸出口，指揮數(shù)臺(tái)電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻與工頻之間的切換、被控設(shè)備相關(guān)部件的開啟或關(guān)閉等多種操作。變頻器是利用電子器件的智能控制技術(shù)把電壓頻率固定的交流電變成了電壓頻率可變的交流電的一種控制設(shè)備。用變頻器輸出的頻率、電壓可變的交流電去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)就可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。變頻器一般由供電部分、輸出部分、控制部分、保護(hù)部分、顯示部分和給定部分組成。容量從幾十瓦到幾百千瓦，既有三相的也有單項(xiàng)的。十多年以來，變頻器的可靠性越來越強(qiáng)，價(jià)格越來越低，應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。電動(dòng)機(jī)和被控設(shè)備一起構(gòu)成了生產(chǎn)過程的動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用以保證生產(chǎn)或系統(tǒng)工作的正常。以上說明的控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，有時(shí)對(duì)于一些簡單的控制系統(tǒng)也采用開環(huán)式的控制系統(tǒng)，這時(shí)傳感器、變送器和調(diào)節(jié)器由人的五官和大腦來擔(dān)任。當(dāng)觀測到或感覺到系統(tǒng)的被控參數(shù)發(fā)生偏差以后，用人工的方法去調(diào)整變頻器的給定值，使電動(dòng)機(jī)的速度改變，從而達(dá)到控制被控參數(shù)的目的。

　　4　變頻調(diào)速技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

　　4、1 變風(fēng)量控制系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般都是按室內(nèi)負(fù)荷和室外溫濕度最不利的情況來設(shè)計(jì)的。但一年中這種設(shè)計(jì)工況的維持時(shí)間只有數(shù)天或數(shù)十小時(shí)，絕大多數(shù)情況下都是在非滿負(fù)荷下工作。我國目前大部分空調(diào)系統(tǒng)都是采用的定風(fēng)量系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，當(dāng)空調(diào)冷負(fù)荷變小以后，常采用機(jī)器露點(diǎn)不變，再對(duì)冷卻的空氣進(jìn)行不同程度的“再熱”的方法來解決。這種方法雖然可以滿足空調(diào)負(fù)荷變化的需要，但都增加了不必要的“再熱”能量，是一種不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。變風(fēng)量系統(tǒng)在室內(nèi)冷負(fù)荷變小的時(shí)候，不是增加“再熱”而是用減少風(fēng)量的方法來適應(yīng)負(fù)荷的變化，即去掉了“再熱”又減少了風(fēng)機(jī)的軸功率，如系統(tǒng)全年均在70％風(fēng)量下工作，風(fēng)機(jī)耗電約可減少一半，因此是一種節(jié)能的空調(diào)運(yùn)行方式。在變頻器技術(shù)不成熟以前，改變交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的工作非常困難，限制了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展。隨著變頻器技術(shù)的成熟和價(jià)格的降低，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)將得到廣泛的應(yīng)用。

　　4、2　變冷水量系統(tǒng)

　　在非設(shè)計(jì)負(fù)荷條件下，空調(diào)區(qū)域的需冷量減少，一般是采用二通閥來調(diào)節(jié)末端設(shè)備冷水的流量來適應(yīng)需冷量的變化，在一級(jí)泵系統(tǒng)中，流過末端設(shè)備的冷水和流過冷機(jī)蒸發(fā)器的冷水是串聯(lián)的。通過冷機(jī)蒸發(fā)器的水流量是不能低于所需水量額定值的，否則將導(dǎo)致結(jié)冰的危險(xiǎn)。一般冷機(jī)廠家要求通過蒸發(fā)器的水流量恒定，即定流量工作。為了解決負(fù)荷側(cè)變流與冷源側(cè)定流量之間的矛盾，一般采用在供回水管路上設(shè)旁通管，在旁通管上裝壓差調(diào)節(jié)器，控制旁通管上的二通閥，即改變旁通水量的方法來解決。這樣雖然可以解決上面的矛盾。但是這種系統(tǒng)水泵的能耗沒有因?yàn)樾枥淞康臏p少而降低，因此是不經(jīng)濟(jì)的。為了達(dá)到既變水量又節(jié)能的目的，可以采用二級(jí)泵系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中冷源側(cè)采用定流量控制的一次泵，負(fù)荷側(cè)增加了采用變流量控制的二次泵。當(dāng)系統(tǒng)的需冷量減少，二通閥關(guān)小，用戶側(cè)供回水管壓差增大時(shí)，降低二次泵的轉(zhuǎn)速以維持用戶側(cè)供回水管壓差的恒定，這樣就達(dá)到了節(jié)能的目的。實(shí)踐證明采用具有變頻調(diào)速功能的二級(jí)泵變流量冷水系統(tǒng)具有顯著的減少輸送能的節(jié)能效果。

　　4、3　鍋爐鼓引風(fēng)機(jī)的節(jié)能運(yùn)行

　　設(shè)計(jì)人員在確定鍋爐鼓引風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，由于有些系數(shù)的具體數(shù)值難以準(zhǔn)確確定，往往會(huì)造成裝機(jī)容量超過鍋爐最大負(fù)荷時(shí)所需功率的情況，同時(shí)鍋爐不可能總在滿負(fù)荷下運(yùn)行，隨著室外溫度的提高，供暖負(fù)荷會(huì)有相應(yīng)的減少，為了適應(yīng)負(fù)荷的變化就要減少燃料的供應(yīng)量，同時(shí)減少鼓引風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量。采用關(guān)小風(fēng)閥的辦法可以達(dá)到減少通風(fēng)量的目的，但會(huì)增加系統(tǒng)的阻力和噪聲，是不經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方法。采用變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)鍋爐的實(shí)際燃燒情況，通過控制器直接去調(diào)節(jié)鼓引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量又節(jié)能的要求。

　　據(jù)有關(guān)鍋爐鼓引風(fēng)機(jī)改造工程的實(shí)際數(shù)據(jù)，一臺(tái)14MW的熱水采暖鍋爐的鼓引風(fēng)機(jī)年節(jié)電可達(dá)18萬kWh.

　　4、4　采暖與空調(diào)水系統(tǒng)的恒壓點(diǎn)控制

　　采暖與空調(diào)水系統(tǒng)的定壓常采用高架開口水箱（膨脹水箱）的方法。但有時(shí)會(huì)遇到?jīng)]有適當(dāng)?shù)募茉O(shè)位置的困難，這時(shí)常采用氣壓罐定壓和補(bǔ)給水泵等方式，氣壓罐定壓占地面積比較大，在鍋爐房面積比較小的地方難以采用。補(bǔ)給水泵定壓又可分為間歇補(bǔ)水定壓和連續(xù)補(bǔ)水定壓。間歇補(bǔ)水定壓的定壓點(diǎn)在上、下限壓力之間波動(dòng)，通常波動(dòng)范圍為0.05MPa左右，波動(dòng)范圍過小，則接觸開關(guān)頻繁動(dòng)作易于損壞。連續(xù)補(bǔ)水定壓的工作原理如圖12所示。它有兩種工作方式，第一種利用自力式補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥，當(dāng)定壓點(diǎn)6的壓力過低時(shí)補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥開大，增加進(jìn)入網(wǎng)路的補(bǔ)水量，使壓力上升到要求的壓力，如壓力過高，補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥關(guān)小，減少進(jìn)入網(wǎng)路的補(bǔ)水量，使壓力下降到規(guī)定值。在這種工作方式下，水系統(tǒng)定壓點(diǎn)的壓力穩(wěn)定，但補(bǔ)給水泵始終以50Hz的頻率工作，是不經(jīng)濟(jì)的。第二種方式是把補(bǔ)給水泵改成變頻調(diào)速控制，利用遠(yuǎn)傳壓力表測量到的定壓點(diǎn)的實(shí)際壓力值與預(yù)先設(shè)定的控制壓力值在控制器中進(jìn)行比較，根據(jù)其差別的大小調(diào)整控制器的輸出，進(jìn)而改變補(bǔ)給水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的速度，達(dá)到恒定定壓點(diǎn)的要求。因?yàn)檠a(bǔ)給水泵可以根據(jù)壓力的不同情況在不同的頻率下工作，所以可以節(jié)省補(bǔ)給水泵電動(dòng)機(jī)的能耗。實(shí)際工作表明這種定壓方式，控制精度高，定壓點(diǎn)的壓力值可以精確地控制在0.01MPa的范圍內(nèi)。

　　4、5　冷卻塔風(fēng)機(jī)的變速控制

　　冷卻塔風(fēng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)空氣與在冷凝器吸收了熱量的冷卻水強(qiáng)行進(jìn)行熱濕交換，以使冷卻水降溫后再返回冷凝器進(jìn)行吸熱。為使制冷設(shè)備在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，必須使進(jìn)入冷凝器的冷卻水溫度保持穩(wěn)定。對(duì)于吸收式制冷機(jī)，冷卻水溫度過低將出現(xiàn)溶液結(jié)晶事故。對(duì)于大型封閉式離心機(jī)組，冷凝壓力過低會(huì)引起電機(jī)冷卻液流動(dòng)不暢，可能造成電機(jī)局部過熱甚至燒毀。冷卻水溫度過高則會(huì)降低制冷機(jī)效率。穩(wěn)定冷卻水溫度可以采用調(diào)節(jié)運(yùn)行臺(tái)數(shù)或調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，也可以采用利用三通閥調(diào)節(jié)通過冷卻塔的水量與通過旁通水量比例的方法。利用三通閥調(diào)節(jié)旁通水量的方法，冷卻水泵的輸送能量并沒有減少，如果把冷卻水泵改成變頻泵，因?yàn)榱鬟^冷凝器的水量一般情況下不能變化很大，所以變頻的范圍也受到了限制。較好的方法是采用變頻調(diào)速技術(shù)去調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以把冷卻水溫度控制在一個(gè)比較高的精度范圍內(nèi)，又可以節(jié)省風(fēng)機(jī)的電耗。

　　4、6　變頻空調(diào)器

　　一般的窗式空調(diào)器或分體式空調(diào)器，采用ON/OFF控制方式，這種控制方式室內(nèi)溫度和濕度會(huì)發(fā)生波動(dòng)，影響人的舒適感。壓縮機(jī)在啟動(dòng)時(shí)有很大的沖擊電流，需要配置比連續(xù)運(yùn)行時(shí)更大的電源容量，為了克服以上缺點(diǎn)，近幾年出現(xiàn)了所謂的變頻空調(diào)器，這種空調(diào)器中的控制器根據(jù)傳感器得到的被控房間的溫度值與預(yù)先給定的溫度設(shè)定值比較，根據(jù)二者的偏差去控制變頻器的頻率輸出，進(jìn)而改變制冷壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)被控房間溫度的目的。使用變頻空調(diào)可以達(dá)到以下效果：

　?。?）在輕負(fù)載時(shí)，壓縮機(jī)在較低轉(zhuǎn)速下工作，相對(duì)壓縮機(jī)容量，蒸發(fā)器和冷凝器在相對(duì)比率較高的情況下工作，整體效率有所提高，因而可以節(jié)能。

　　（2）由于使用了變頻技術(shù)，壓縮機(jī)的開停次數(shù)減少，制冷系統(tǒng)的壓力變化損耗減少。

　　（3）室內(nèi)溫度不再是一個(gè)波動(dòng)值而是在設(shè)定值上下一個(gè)極小范圍內(nèi)變化。人的舒適度得到了改善。

　　（4）減少了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，可以增加壓縮機(jī)的使用壽命。日本大金公司生產(chǎn)一種所謂的VRV的變頻控制空調(diào)系統(tǒng)，它分成室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)兩部分。室內(nèi)機(jī)中由蒸發(fā)器、風(fēng)機(jī)組成。室外機(jī)由可變頻的壓縮機(jī)、冷凝器、冷凝風(fēng)機(jī)和節(jié)流元件組成。兩邊通過制冷劑管路聯(lián)接。一臺(tái)室外機(jī)可以根據(jù)需要帶數(shù)臺(tái)至十幾臺(tái)室內(nèi)機(jī)，它強(qiáng)大的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)配置的實(shí)際情況和被控點(diǎn)的溫度情況及時(shí)地調(diào)整室外機(jī)中壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速及制冷劑的流量，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致高效地工作。該產(chǎn)品還有單冷型、熱泵型和帶熱回收型幾種型式。

　　變頻調(diào)速技術(shù)在大型制冷機(jī)特別是離心式制冷機(jī)中也得到了很好的應(yīng)用。如美國約克公司生產(chǎn)的離心式制冷機(jī)，使用了變頻調(diào)速技術(shù)大大改善了制冷機(jī)的調(diào)節(jié)特性。

　　5　結(jié)論

　　變頻調(diào)速技術(shù)是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來的一門新興的應(yīng)用技術(shù)，具有控制性能好，運(yùn)行效率高，體積小，操作方便的特點(diǎn)，特別是在泵與風(fēng)機(jī)的控制方面有很好的節(jié)能效果。暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能在整個(gè)建筑物耗能中所占的比例日益增大，其中泵與風(fēng)機(jī)的流體輸送能耗又占了很大比例，把變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)減少建筑物的整體能耗，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率有很大的意義。同時(shí)，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)還可以改進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制效果，可以提高被控環(huán)境的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝過程對(duì)溫濕度的精度要求，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。