淺析：變頻技術(shù)在空調(diào)節(jié)能工程上的應(yīng)用

    我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活所使用的電源，是固定頻率（50Hz）的交流電。變頻技術(shù)，就是通過技術(shù)手段，來改變用電設(shè)備的供電頻率，進(jìn)而達(dá)到控制設(shè)備輸出功率的目的。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代,完全成熟的技術(shù)，也使其應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。它是通過變頻調(diào)速改變軸輸出功率，達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。是感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能的重要技術(shù)手段之一。

    自1956年世界上第一個(gè)晶閘管誕生到現(xiàn)在歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻控制器從控制模塊、功率輸出和控制軟件都已完全成熟，在提高性能的同時(shí)，功能上也有較大的擴(kuò)展，很多專用變頻設(shè)備附帶簡(jiǎn)易PLC功能，再加上產(chǎn)品價(jià)格的降低，為變頻器的應(yīng)用打開了廣闊的市場(chǎng)。

    對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)通過調(diào)速達(dá)到節(jié)能目的方法很多，如：調(diào)壓調(diào)速,又稱為滑差調(diào)速；變極對(duì)數(shù)調(diào)速和品閘管串極調(diào)速等等，根據(jù)不同的負(fù)載性質(zhì)，有針對(duì)性的選擇。在各種調(diào)速節(jié)能中，利用變頻調(diào)速，是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速效果z*好、z*成熟、z*有發(fā)展前途的節(jié)能技術(shù)。

    一、常用的變頻器分為低、中、高壓變頻器。

    1、低壓變頻器是指400V工控變頻器。電子技術(shù)中將交流變成直流稱順變，也稱整流。交流變直流的變頻器通常稱整流器。將直流變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電流就稱逆變。把工頻電源（50Hz）交流變成任意頻率、任意電壓的逆變裝置稱為變頻器。從其電路的結(jié)構(gòu)上分為交―直―交和交―交變頻器。交―直―交變頻器按照交流電機(jī)電源電壓的控制方法的不同，分為電壓型和電流型兩種。

    改變變頻器的輸出電壓或輸出電流有二種不同的方法，即PAM脈沖幅值調(diào)制控制和PWM脈沖寬度調(diào)制控。

    PAM因?yàn)槭芫чl管換流時(shí)間的限制不能工作在高頻下，PWM輸出脈沖的幅值恒定，通過控制逆變器輸出電壓的導(dǎo)通脈沖頻率和寬度來同時(shí)改變輸出頻率和電壓，運(yùn)用晶體管、可關(guān)斷晶閘管具有高速開關(guān)特性和自關(guān)斷特性，來做逆變器開關(guān)元件，采用PWM方式變得更容易實(shí)現(xiàn)，為此大多數(shù)逆變器都采用PWM控制方式。

    2、中、高壓變頻器：所謂中高壓變頻器，指應(yīng)用在600V以上的至10KV運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)速設(shè)備上的變頻控制器。中壓有600V、1000V。3000V、6000V和10KV等屬于中高壓變頻器。因?yàn)槠漭斎胼敵鲭妷旱燃?jí)較高，在結(jié)構(gòu)上必需有整套高壓投入切換設(shè)備，采用功率單元串聯(lián)疊加的高壓輸出方式，借助計(jì)算機(jī)控制，經(jīng)高壓母線、斷路器移相變壓器、功率單元、控制器等組成完整的高壓變頻控制系統(tǒng)。

    交流變頻調(diào)速控制器是集電力電子、自動(dòng)控制、微電子學(xué)、電機(jī)學(xué)等各種技術(shù)于一身的高新技術(shù)，變頻的調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代IT產(chǎn)業(yè)尖端技術(shù)，涉及到光纖通訊、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)并行處理等是多種高新技術(shù)的結(jié)合，與傳統(tǒng)行業(yè)耗能大、應(yīng)用z*廣泛的電力拖動(dòng)、風(fēng)機(jī)、水泵等多種行業(yè)應(yīng)用異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)備，進(jìn)行節(jié)能改造實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合。

    二、變頻器控制對(duì)像：

    變頻器應(yīng)用，可分為兩大類：一種是用于傳動(dòng)調(diào)速，另一種是各種靜止電源（靜止電源暫且不講）。變頻傳動(dòng)調(diào)速，其應(yīng)用目的就是通過對(duì)電機(jī)調(diào)速來達(dá)到節(jié)約能源?？刂茖?duì)象就是在動(dòng)力設(shè)備上實(shí)現(xiàn)電―機(jī)轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)。這是由感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)的性能和特征決定，其次是由于所帶的負(fù)載對(duì)電機(jī)調(diào)速的負(fù)荷適應(yīng)性所決定。由電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)公式我們知道，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，主要取決于電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（n1=t*f/p）。對(duì)一個(gè)繞制好的電機(jī)，其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速完全取決供電頻率，t為時(shí)間常數(shù)，P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，n1正比電源頻率f，從電機(jī)的結(jié)構(gòu)上我們看到定、轉(zhuǎn)子之間沒有任何電的連接，基于磁場(chǎng)感應(yīng)和機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速總是不同步，差一個(gè)轉(zhuǎn)差數(shù)（一般為n1的1%――1.8%,）稱為轉(zhuǎn)差率S，由此可見電機(jī)的轉(zhuǎn)速也正比于電源的頻率。n2=t*f(1-s)/p從異步電動(dòng)機(jī)變頻時(shí)機(jī)械特性曲線中，我們不難看出轉(zhuǎn)速的變化對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩影響較小，對(duì)于傳動(dòng)機(jī)械功率要求完全可以滿足。變頻調(diào)速控制是在降低輸出頻率的同時(shí)輸出電壓也相應(yīng)降低，轉(zhuǎn)矩正比輸出電壓。轉(zhuǎn)矩也會(huì)有些減少。這種純電氣調(diào)速系統(tǒng)是人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性來獲得不同的轉(zhuǎn)速，直接與拖動(dòng)機(jī)械相連接不需原機(jī)械設(shè)備做任何調(diào)整，這對(duì)于節(jié)能改造成本，保持原有機(jī)械性能都大有好處。變頻傳動(dòng)調(diào)速的特點(diǎn)是：

    1、不用改動(dòng)原有設(shè)備包括電機(jī)本身；

    2、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，滿足傳動(dòng)機(jī)械要求；

    3、變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動(dòng)電流沖擊對(duì)電網(wǎng)的不良影響，減少電源容量的同時(shí)還可以減少機(jī)械慣動(dòng)量，減少機(jī)械損耗；

    4、不受電源頻率的影響，可以開環(huán)、閉環(huán)手動(dòng)/自動(dòng)控制；

    5、低速時(shí)，定轉(zhuǎn)矩輸出、低速過載能力較好；

    6、電機(jī)的功率因數(shù)隨轉(zhuǎn)速增高功率增大而提高。使用效果較好。

    三、風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能-----變頻控制

    機(jī)電設(shè)備配合設(shè)計(jì)原則：電機(jī)的z*大功率必須滿足負(fù)載下的機(jī)械功率和轉(zhuǎn)矩，對(duì)于不同的負(fù)載，z*大值并非時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生、負(fù)載的變化是非線性的，而電機(jī)的輸出功率卻是恒定的，這就意味著在非z*大負(fù)載時(shí)電機(jī)輸出了相當(dāng)一部分多余功率，電能也就白白浪費(fèi)掉了。風(fēng)機(jī)、水泵類就是較典型例子。

    風(fēng)機(jī)、水泵類風(fēng)量和流量的控制在過去很少采用轉(zhuǎn)速控制方式，基本上都是由鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要改變風(fēng)量或流量時(shí)，事實(shí)上都采用調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或節(jié)流閥。這種控制雖然簡(jiǎn)單易行，能滿足流量要求，但對(duì)電機(jī)來講，從節(jié)省能源的角度來看是非常不經(jīng)濟(jì)的。生產(chǎn)中很容易檢測(cè)出來。

    這類設(shè)備一般都是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，甚至很久不停機(jī)。在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，除在極短時(shí)間流量z*大值外，近90％時(shí)間運(yùn)行在中等或較低負(fù)荷狀態(tài)，總用電量至少有40％以上被浪費(fèi)掉。采用變頻調(diào)速控制，對(duì)風(fēng)機(jī)、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(duì)節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益具有非常重要意義。

    四、風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能方法

    從流量控制原理上講，風(fēng)機(jī)、水泵的結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同.

    1、具體測(cè)試某工廠爐底風(fēng)機(jī)散熱控制系統(tǒng)，冶煉爐根據(jù)不同材料、需要不同的爐底冷卻溫度，設(shè)計(jì)滿足z*大冷卻風(fēng)量設(shè)計(jì)為四臺(tái)18.5KW4極葉輪式風(fēng)機(jī)，全功率運(yùn)轉(zhuǎn)，但用z*大冷卻風(fēng)量的概率極低。冶煉常用幾種材料，四臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)開風(fēng)量過大；對(duì)開兩臺(tái)時(shí)，達(dá)不到冷卻要求；對(duì)開一對(duì)再側(cè)開一臺(tái)，冷卻不均、無法滿足工藝要求；原設(shè)

    計(jì)4臺(tái)對(duì)開風(fēng)機(jī)靠調(diào)節(jié)擋風(fēng)板可滿足冷卻要求，但對(duì)電機(jī)來講，浪費(fèi)電能。風(fēng)板全開時(shí)，運(yùn)行電流24A，全關(guān)閉時(shí)22A，輸入功率從17.0KW―18.5KW變化，節(jié)電率不足8％。針對(duì)這一特殊要求制定方案，對(duì)其中兩臺(tái)對(duì)開電機(jī)進(jìn)行開環(huán)變頻調(diào)速控制，配合兩臺(tái)全速風(fēng)機(jī)，即滿足不同材料的溫控要求，又能節(jié)約電能。按照這一方案進(jìn)行改造后，節(jié)電效果非常明顯。針對(duì)其中一種材料需固定頻率控制進(jìn)行冷卻,幾個(gè)月才換一次，設(shè)定頻率在25―35之間，完全滿足冷卻要求。工頻下運(yùn)行時(shí)一臺(tái)18.5KW風(fēng)機(jī)（經(jīng)變頻器輸出），每小時(shí)耗電為11.9度/小時(shí)，日耗電量為：285.6度/24小時(shí)。在正常運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同材料的溫度要求，設(shè)定頻率分別為：25Hz、30Hz、35Hz、40Hz和45Hz。運(yùn)行測(cè)定參數(shù)如下：

設(shè)定頻率（Hz） 運(yùn)行電流(A) 負(fù)載率 輸入功率(Pin) 24小時(shí)耗電量 (KWh) 與工頻下輸入功率比較：節(jié)電率 25 8.0 0.25 1.03 24.72 (285.6-24.72)/285.6Ⅹ100%=91.34% 30 10.6 0.30 2.13 51.12 (285.6-51.12)/285.6 Ⅹ100%=82% 35 14.2 0.37 4.0 96.00 (285.6-96)/285.6Ⅹ100%=66.4% 40 17.4 0.40 6.4 153.60 (285.6-153.6)/285.6Ⅹ100%=46.22% 45   20.0 0.45 9.0 216.00 (285.6-216)/285.6Ⅹ100%=0.244% 50 24.0 0.55 11.9 285.60 (285.6-285.6)/285.6Ⅹ100%=0

    需要指出的是：變頻器當(dāng)輸出頻率降低時(shí)，輸出電壓也相應(yīng)降低，輸入功率明顯減少，對(duì)應(yīng)頻率降低時(shí)電壓降低電機(jī)不會(huì)有溫升，若頻率不變時(shí)電壓降低至浮動(dòng)電壓下限值時(shí)，電機(jī)就會(huì)有溫升。

    2、水泵節(jié)電：同風(fēng)機(jī)原理很相近。以某酒店750TRT中央空調(diào)冷水機(jī)組水系統(tǒng)90KW冷凍泵和55KW冷卻泵為例：主機(jī)制冷是根據(jù)溫度的變化而工作，是非線性負(fù)荷，而水泵電機(jī)基本上是線性恒功率輸出。1臺(tái)55KW冷卻水泵靠調(diào)整閥門來改變流量，雖然能滿足主機(jī)運(yùn)行要求，但對(duì)于電機(jī)來講節(jié)電意義不大，閥門的全開和全閉，電流從107A―97A之間變化，平均節(jié)電不足7％。通過改造采用溫度控制為主，壓力控制為鋪進(jìn)行閉環(huán)變頻控制水泵電機(jī)，水泵電機(jī)平均節(jié)電率都在30％以上；90KW冷凍水泵電機(jī)靠調(diào)節(jié)閥門電流在163―148A之間變化，平均節(jié)電不足6％，經(jīng)閉環(huán)控制變頻調(diào)速改造后，節(jié)電率平均也在30％以上。為什么會(huì)有這么大節(jié)電空間呢，因?yàn)橹醒肟照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的z*大容量是以人流、氣溫、空間散熱三項(xiàng)極限指標(biāo)為依據(jù)計(jì)算的（即人流z*大、氣溫z*高、空間散熱z*差），平時(shí)出現(xiàn)這種情況的概率極低，從經(jīng)驗(yàn)上講不到10%，空調(diào)系統(tǒng)大部分運(yùn)行時(shí)間都在中、低負(fù)荷狀態(tài)，空調(diào)主機(jī)的負(fù)荷曲線是非線性的，而水系統(tǒng)的水泵負(fù)荷是線性恒功率的，以滿足主機(jī)的z*大負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)。這樣在主機(jī)非z*大負(fù)荷時(shí)水泵就必然存在著電能浪費(fèi)空間。通過變頻調(diào)速控制使水泵電機(jī)的負(fù)載曲線符合或接近空調(diào)主機(jī)的負(fù)載曲線。

    3、高壓變頻控制傳動(dòng)調(diào)速控制設(shè)備都是在3KV以上大容量電機(jī)，一般都在幾百KW到幾千KW，負(fù)載率大于0.5,節(jié)電效率較低壓變頻控制略低，在18―25%左右，電機(jī)容量大耗電也多，雖然節(jié)電率較低，但用電基數(shù)大，也是非常可觀，高壓變頻設(shè)備技術(shù)復(fù)雜設(shè)備體積大，成本較高，操作必須專業(yè)技術(shù)人員，但整體效益還是很可觀的。