變頻器在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

傅志寶

(廈門新區(qū)建筑設(shè)計(jì)院有限公司 福建廈門 361000)

變頻器在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

傅志寶

(廈門新區(qū)建筑設(shè)計(jì)院有限公司 福建廈門 361000)

簡要介紹變頻器在暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用的意義，介紹異步電機(jī)變頻工作時(shí)的原理及特性，指出變頻器在暖通空調(diào)應(yīng)用中有一定的合理變頻空間，且在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意設(shè)備變頻與設(shè)備臺數(shù)的合理使用，在變頻節(jié)能的同時(shí)必須以系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行為前提，分析變頻器在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的正確應(yīng)用。

變頻器；異步電動機(jī)；恒壓頻比；泵與風(fēng)機(jī)；節(jié)能；水泵變；水力曲線；安全應(yīng)用

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能耗問題成為人們越來越關(guān)注的問題之一。如何減少建筑的能耗，減少暖通空調(diào)在建筑中的能耗，是值得設(shè)計(jì)師深入研究的問題。變頻器作為在暖通空調(diào)系統(tǒng)中較為實(shí)用的一種節(jié)能設(shè)備，在越來越多的工程中得到應(yīng)用。本文將簡要介紹暖通工程中變頻器的工作原理，以及電動機(jī)在變頻后的一些工作特性，分析變頻器如何在暖通空調(diào)系統(tǒng)中更合理的應(yīng)用。

1 變頻器的定義

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)工作的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。變頻器形式較為多樣，在暖通領(lǐng)域中節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中

n—異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min ；

f—異步電動機(jī)的頻率，Hz；

s—電動機(jī)轉(zhuǎn)差率；

p—電動機(jī)極對數(shù)。

由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0Hz～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

2 變頻器在暖通中應(yīng)用的意義

變頻器在暖通專業(yè)中主要應(yīng)用于傳輸轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，例如風(fēng)機(jī)及水泵的應(yīng)用。由于轉(zhuǎn)速與功率存在以下關(guān)系，即

N/N′=(n/n′)3=(f/f′)3

(2)

式中

N—電動機(jī)的功率，W ；

N′—電動機(jī)的原有功率，W ；

f—異步電動機(jī)的頻率，Hz；

f′—異步電動機(jī)的原有頻率，Hz；

n—異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；

n′—異步電動機(jī)的原有轉(zhuǎn)速。

從以上公式中可以看出功率變化與轉(zhuǎn)速比的三次方成正比；當(dāng)頻率下降至原有的80%時(shí)，功率為原有功率的51.2%，節(jié)能率為48.8%；當(dāng)頻率下降至原有的50%時(shí)，功率為原有功率的12.5%，節(jié)能率為87.5%。從以上數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)頻率降低時(shí)，功率急劇降低，節(jié)能效果相當(dāng)明顯。變頻器在暖通空調(diào)工程中的應(yīng)用，通常是將異步電動機(jī)的頻率改變，從而獲得其顯著節(jié)能效果。故此，需將異步電動機(jī)的基本工作原理特性搞清楚，才能將變頻器的工作特性發(fā)揮得淋漓盡致。

3 異步電動機(jī)變頻的基本工作特性

(1)在暖通專業(yè)中，用在風(fēng)機(jī)及水泵等設(shè)備使用的變頻器，通常是指在基頻(f1N=50Hz)以下調(diào)速使用。常用的控制方法為恒壓頻比的控制方式，即US/f1=常值的控制方式。顧名思義，恒壓頻比是指當(dāng)頻率 f1 從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)線性降低定子電壓US，使其比值恒定保持一個常數(shù)。所以，在風(fēng)機(jī)及水泵等設(shè)備使用變頻器調(diào)速時(shí)，當(dāng)頻率降低時(shí)，正常情況下，其電壓也會線性降低。恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機(jī)械特性，如圖1所示。

圖1 恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機(jī)械特性

(2)恒壓頻比控制方式時(shí)，異步電動機(jī)的另外一個特性就是其最大轉(zhuǎn)矩T基本保持不變，其機(jī)械特性基本上是平行下移，變頻調(diào)速的機(jī)械特性如圖2所示。

圖2 恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機(jī)械特性

當(dāng)頻率降至很低時(shí)，其最大轉(zhuǎn)矩T會急劇降低，最大轉(zhuǎn)矩T過小時(shí)，會限制電機(jī)的帶載能力；當(dāng)電機(jī)無法拖動時(shí)，電機(jī)甚至?xí)霈F(xiàn)燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。如需保障一定的轉(zhuǎn)矩，通常需補(bǔ)償定子壓降，以滿足一定轉(zhuǎn)矩的需求。

4 變頻器工作特性在暖通應(yīng)用中的指導(dǎo)意義

雖然變頻器在風(fēng)機(jī)與水泵等設(shè)備變頻調(diào)節(jié)使用時(shí)，節(jié)能效果明顯，但是根據(jù)電機(jī)在變頻時(shí)工作特性可以看出來，變頻也不是從50Hz，一直可以變頻到0Hz都可以使用；反過來也不是說，變頻只能從50Hz變化到45Hz區(qū)間使用，從而將變頻器的節(jié)能空間大打折扣。所以，在工程中應(yīng)合理利用電機(jī)的變頻工作特性，將節(jié)能與電機(jī)安全使用科學(xué)結(jié)合起來。

在泵與風(fēng)機(jī)等傳輸設(shè)備的變頻器使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)變頻器工作特性，注意以下特點(diǎn)：變頻器在一定的合理區(qū)間內(nèi)變頻，其節(jié)能效果明顯，如前文提及，當(dāng)變頻至50%時(shí)，節(jié)能效果已達(dá)到87.5% 。但是變頻器并不是在0Hz～50Hz區(qū)間內(nèi)，可隨意進(jìn)行變頻調(diào)速，當(dāng)頻率較低時(shí)，其轉(zhuǎn)矩急劇降低，可能無法拖動電機(jī)，造成其它嚴(yán)重后果；如需保障一定的轉(zhuǎn)矩，需補(bǔ)償定子壓降，但工程中應(yīng)用較少。故此，在使用變頻器時(shí)，應(yīng)注意控制變頻區(qū)間，當(dāng)需要變頻至較低頻率時(shí)，應(yīng)考慮與系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行匹配，即控制設(shè)備臺數(shù)與變頻器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，最終達(dá)到系統(tǒng)更加合理穩(wěn)定的節(jié)能效果。

例如，某一工程中，空調(diào)系統(tǒng)中使用共3臺冷凍水泵(并聯(lián))，兩用一備，水泵額定功率45kW，水泵設(shè)計(jì)流量326m3/h，揚(yáng)程34.5m，效率79.2%，實(shí)際耗功率38.5kW；當(dāng)系統(tǒng)所需冷凍水流量僅為原設(shè)計(jì)的40%時(shí)，應(yīng)采取何種方式更節(jié)能呢？方案一，2臺冷凍水泵均變頻至40%，滿足系統(tǒng)水流量需求；方案二，關(guān)閉一臺冷凍水泵，運(yùn)行一臺冷凍水泵且變頻至80%。

方案一，水泵理論功率N1=38.5×2×(0.4)3=4.93kW；

方案二，水泵理論功率N2=38.5×(0.8)3=19.71kW。

從理論值計(jì)算看，方案一的能耗小于方案二；但是從交流異步電動機(jī)的工作特性分析，由于水泵變頻至較低頻率時(shí)，其揚(yáng)程會隨著頻率的降低急劇降低，這種情況下?lián)P程已滿足不了實(shí)際需求。將該水泵在不同頻率狀態(tài)、相同效率下水力曲線圖，如圖3～圖7所示，圖中兩條平行曲線分別為滿負(fù)荷水力曲線即

圖3 頻率40Hz運(yùn)行曲線圖

圖4 頻率30Hz運(yùn)行曲線

圖5 頻率25Hz運(yùn)行曲線圖

圖6 頻率20Hz運(yùn)行曲線圖

圖7 頻率15Hz運(yùn)行曲線圖

100%流量時(shí)水力曲線及部分流量時(shí)的水力曲線，其下方兩條粗、細(xì)線分別為變頻后部分流量時(shí)效率曲線及滿負(fù)荷效率曲線；通過相同效率、不同頻率下的工況點(diǎn)對比，可以得出以下數(shù)據(jù)：

當(dāng)頻率f=40Hz，即流量為原設(shè)計(jì)流量的80%時(shí)，效率79.3%，流量Q=262 m3/h，揚(yáng)程H=22.2m，耗功率N=19.9kW；

當(dāng)頻率f=30Hz，即流量為原設(shè)計(jì)流量的60%時(shí)，效率79.4%，流量Q=196m3/h，揚(yáng)程H=12.6m，耗功率N=8.44kW；

頻率f=25Hz，即流量為原設(shè)計(jì)流量的50%時(shí)，效率79.2%，流量Q=167m3/h，揚(yáng)程H=8.75m，耗功率N=5.0kW；

頻率f=20Hz，即流量為原設(shè)計(jì)流量的40%時(shí)，效率79.2%，流量Q=134m3/h，揚(yáng)程H=5.57m，耗功率N=2.55kW；

頻率f=15Hz，即流量為原設(shè)計(jì)流量的30%時(shí)，效率79.4%，流量Q=99.5m3/h，揚(yáng)程H=3.19m，耗功率N=1.08kW；

將水泵在50Hz，40Hz，30Hz，25Hz，20Hz，15Hz頻率下，運(yùn)行工況點(diǎn)匯總?cè)绫?所示。

表1 運(yùn)行工況點(diǎn)匯總表

從表1可以看出，方案一雖在耗論率計(jì)算上較為節(jié)能，但在較低頻率時(shí)，其揚(yáng)程急劇降低，方案一并不能滿足實(shí)際工況要求，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)謹(jǐn)慎使用。反之，方案二在變頻中處于相對較合理階段，但其揚(yáng)程

是否能滿足實(shí)際工況需求，應(yīng)以滿足最不利環(huán)路最大壓降設(shè)備所需的壓力為必要條件進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。方案二在系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行角度考慮時(shí)顯得會更合理，而且水泵在頻率f=40Hz，即流量為原設(shè)計(jì)流量的80%時(shí)，節(jié)能率(與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)相比)已達(dá)到48.5%。實(shí)際工程應(yīng)用中，不應(yīng)一味地追求節(jié)能率，忽視電機(jī)工作特性，其結(jié)果只能是得不償失，應(yīng)引起重視。

5 結(jié)語

通過對變頻器及電機(jī)工作特性分析，可以明確變頻器在暖通工程運(yùn)用時(shí)，存在一個合理變頻區(qū)域。只有深刻地認(rèn)知這些特性，才能更好地指導(dǎo)變頻器在暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用，從而更合理地發(fā)揮變頻器在暖通空調(diào)系統(tǒng)中節(jié)能效果。實(shí)際工程應(yīng)用中也應(yīng)注意暖通設(shè)備變頻與設(shè)備運(yùn)行臺數(shù)統(tǒng)一考慮，在整個系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)暖通系統(tǒng)達(dá)到更節(jié)能的目的。

[1] 顧繩谷.電機(jī)及拖動基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] GB50189-2015 公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[3] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

The Application analysis about the Variable-frequency Drive used in HVAC

FUZhibao

(Xiamen New District Architectural Design Institute Co.,Ltd, Xiamen 36100)

This article briefly introduce the significance of frequency converter used in hvac system, introduce the principle of induction motor variable frequency to work and the characteristic. Points out that the frequency converter in hvac applications have a certain reasonable frequency space, and in the actual engineering application should pay attention to the rational use of frequency conversion and equipment sets, and in the variable frequency energy saving must be on the premise of system is stable, safe operation at the same time，analyze the correct application of frequency converter in hvac system.

Variable-frequency Drive; The asynchronous motor; Constant voltage frequency ratio Pump and fans; The energy conservation; Pump variable frequency; Hydraulic curve Security applications

傅志寶(1980.3- )，男，高級工程師。

E-mail:13950076557@139.com

2016-07-29

TU83

A

1004-6135(2016)12-0079-05