| 1 建筑設(shè)備系統(tǒng)的運行特點 最近，為了實現(xiàn)建筑節(jié)能，許多工程紛紛采用了變頻器來控制拖動設(shè)備的電動機。那么，為什么采用變頻技術(shù)能夠節(jié)能呢？這是因為在建筑設(shè)備工程的設(shè)計與建設(shè)時，為了能滿足最不利條件下的負荷要求，往往對設(shè)備預(yù)留了足夠的容量。例如，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時，要考慮到在極端的氣候條件下（如夏季38℃高溫時）提供滿員時的舒適環(huán)境（26℃），為此，冷量、水量及風(fēng)量都必須保證這一目標的實現(xiàn)。然而，在大多數(shù)情況下，設(shè)備系統(tǒng)并不需要在高限下運行，而高限狀態(tài)運行不僅過多地消耗能量，而且還降低了運行質(zhì)量，使得末端設(shè)備與管道的承壓增高，壽命降低，噪聲增加。因此，根據(jù)負荷的動態(tài)變化，自動調(diào)節(jié)設(shè)備運行狀態(tài)達到合理與最優(yōu)是一項有意義的工作。 建筑設(shè)備中，風(fēng)機與水泵居多（如冷卻塔風(fēng)機、空調(diào)箱的送風(fēng)機、排風(fēng)機、新風(fēng)機、排煙風(fēng)機、冷卻水泵、冷凍水泵、生活水泵、排水泵、補水泵、消防泵、噴淋泵等），驅(qū)動風(fēng)機與水泵的多為異步電動機。風(fēng)機與水泵的運行特性 如果拖動設(shè)備的電動機未采用調(diào)速，在輸送管道未端流體排出量發(fā)生變化（閥門開度調(diào)節(jié)）時，設(shè)備的運行狀態(tài)只能沿Ｌ線移動。當(dāng)流體輸送量減少，管道特性曲線R1上翹，變?yōu)镽2，與設(shè)備特性曲線交于H2與Q2。流量是減少了，但出口壓力升高，這不僅對于管道與未端設(shè)備是不利的，而且無謂消耗了動力能量，這是我們所不希望的。此時如果把風(fēng)機或水泵的轉(zhuǎn)速降下來后，設(shè)備的運行特性變?yōu)長1。此時的管道特性R2與L1可交于H1與Q3，顯然，新的設(shè)備運行狀態(tài)點的出口壓力H1不變，輸送的流量Q則因需求而減少了。 由于流量Q，壓力H、轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩M與軸功率P之間的關(guān)系是： Q∝n H∝M∝n2 P∝Mn∝n3 ⑴ ⑴式揭示了風(fēng)機與泵類設(shè)備調(diào)速節(jié)能的原理，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，而軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。 風(fēng)機的軸功率P＝（kW） ⑵ Q—風(fēng)量（m3/s），H—壓力（Pa），η0—風(fēng)機效率，η１—傳功裝置效率（直接傳動時為１）。 水泵的軸功率Ｐ＝（kW） ⑶ Q—流量（m3/s），H—揚程（m），η0—泵效率，η１—傳功裝置效率（直接傳動時為１），ρ—液體密度（kg/m3）。 風(fēng)機和泵屬減轉(zhuǎn)矩負荷，隨著轉(zhuǎn)速降低，負載轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速的平方成比例地減少，因此在做節(jié)能調(diào)速運行時，變頻器應(yīng)選用如圖2的專用U／f曲線模式，以提高電動機的總效率。 因此，在理想狀態(tài)下分析，減轉(zhuǎn)矩負載調(diào)速節(jié)能的效果是相當(dāng)可觀的。因為設(shè)備容量大于實際需求10%是工程中極為普遍的情況，在實際運行中的流量需減少10%更是頻率很高的事實，所以我們假定拖動空調(diào)機組風(fēng)機的電動機為22kW，每天運行10小時，其中4小時的實際風(fēng)量需求為90%，6小時實際風(fēng)量需求為80%，那么理論上可以節(jié)省的電耗： C=22×（1-0.93）×4＋22（1-0.83）×6 =22×0.271×4＋22×0.512×6 =23.848＋67.584=91.432（kWh/日）。 按每年300天工作，0.8元/kWh的電費計算，則僅一臺空調(diào)機組的電機就可節(jié)省電費91.432×300×0.8=21943.68（元/年）。 2 變頻器原理 在30年前，需要調(diào)速的場合大多采用調(diào)速性能良好的直流電動機，但是由于直流電動機帶有機械式換向器，其可靠性與維護成本一直存在較大的問題。而交流電動機的調(diào)速受到電力變流技術(shù)與器件的制約，也無法實現(xiàn)工業(yè)的實用化。隨著電子技術(shù)與微電子技術(shù)的發(fā)展，交流主開關(guān)器件的自關(guān)斷技術(shù)的突破與PWM數(shù)字控制的實現(xiàn)，大容量變頻器的性能與功能有了突飛猛進的發(fā)展，其生產(chǎn)成本在規(guī)?；纳a(chǎn)下得以降低，因而交流調(diào)速的變頻器應(yīng)用從數(shù)百瓦的家用電器到數(shù)萬千瓦的大型生產(chǎn)設(shè)備可以說是無所不包。 2.1 變頻器的基本原理 變頻器分有交-交變頻和交-直-交變頻器兩種形式。交-交變頻能把工頻交流電直接變換為可控制電壓與頻率的交流電，亦稱直接式變頻。交-直-交變頻則先把工頻交流電整流為直流電，再逆變?yōu)榭煽刂齐妷号c頻率的交流電，亦稱間接式變頻。在目前建筑設(shè)備調(diào)速場合，主要應(yīng)用間接式變頻器。下面的介紹以間接式變頻器（均簡稱為變頻器）為對象。 變頻器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，由整流器、直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路組成。 整流器——接入電網(wǎng)的三相交流電，整流輸出為脈動直流。 直流環(huán)節(jié)——由儲能元件（由電容器與電抗器）構(gòu)成，緩沖異步電動機的無功功率交換。 逆變器——通過有規(guī)律地控制三相橋式逆變電路中晶體主開關(guān)器件的通斷，向負荷輸出任意頻率與電壓的交流輸出。 控制電路——控制電路由主回路狀態(tài)檢測電路、運算電路、控制信號輸入電路、控制驅(qū)動輸出電路等組成。運算電路接受控制信號輸入與主回路狀態(tài)檢測信號進行運算，產(chǎn)生準確的輸出信號完成對整流器的電壓控制、對逆變器的開關(guān)控制和各項保護功能。目前新穎的變頻器大多采用高性能的微處理器來完成控制功能。 2.2 U/f-VVVF方式 U/f控制是對變頻器輸出交流的電壓與頻率同時進行控制，又稱為U/f-VVVF（Variable Voltage Variable Freqency）控制方式。其原理如圖4所示。 主電路的逆變器采用雙極電力晶體管BJT（Bipolar Junction Transistor）以脈沖寬度調(diào)制方式PWM（Pulse Width Modulation）進行控制。逆變器控制脈沖發(fā)生器接受頻率指令f*和電壓指令U，f與U之間的關(guān)系則由U／f模式建立。因此在PWM控制下，變頻器輸出的電壓U與頻率f可按控制指令調(diào)節(jié)，從而使異步電動機的轉(zhuǎn)速改變。圖5所示為PWM變頻器及其在調(diào)節(jié)過程中的波形示意圖。利用參考電壓信號波與載頻三角波互相比較來決定主開關(guān)BJT的導(dǎo)通時間實現(xiàn)調(diào)壓，以改變脈沖密度，合成幅值不同的正弦基波電壓。由于參考信號為正弦波，亦有稱之為正弦PWM（SPWM，Sinusoidal Pulse Width Modulation）方式。 U/f控制是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制、無速度傳感器，其電路簡單，通用性強，經(jīng)濟性好，但在輸出頻率f一定的情況下，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會受負載轉(zhuǎn)矩影響而變化，因此常用于調(diào)速精度要求不高，負載變動較小的設(shè)備驅(qū)動場合。 3 通用變頻器的功能及其主要參數(shù) 3.1 通用變頻器的類型 通用變頻器的技術(shù)發(fā)展很快，目前在工程上應(yīng)用的產(chǎn)品大體分為三類： （1）普通功能型U/f控制。 （2）高功能型U/f控制。 （3）高動態(tài)性能矢量控制。 其中第（2）類已具有轉(zhuǎn)矩控制功能，第（3）類采用矢量控制方式，可以實現(xiàn)高精度的調(diào)整。對于建筑設(shè)備中應(yīng)用變頻器調(diào)整的場合，基本上沒有嚴格的精度與動態(tài)要求，因而可以合理地選擇功能以達到較高的性價比。 3.2 通用變頻器的功能 通用變頻器以微處理器為控制核心，適用于各種不同的交流調(diào)速設(shè)備，因此設(shè)有數(shù)以百計的功能來滿足用戶的需求。主要使用的工作模式有5種。 （1）運行模式，其中有可供用戶選擇的狀態(tài)監(jiān)視、故障記錄、故障歷史查詢等功能。 （2）初始化設(shè)定模式，其中有用戶設(shè)定的初始化內(nèi)容，輸入密碼，用戶參數(shù)設(shè)定，控制方式選擇，顯示屏語種設(shè)定等。 （3）編程模式，通用變頻器的大多數(shù)功能都在該模式下設(shè)定與讀取。如控制指令的來源、控制率參數(shù)設(shè)定，加減速的設(shè)定與補償，頻率設(shè)定、電動機參數(shù)輸入，控制回路端設(shè)定，保護參數(shù)設(shè)定，操作鍵功能設(shè)定等。 （4）自學(xué)習(xí)模式，在采用矢量控制方式時可以采用自學(xué)習(xí)模式獲得電動機參數(shù)。 （5）修正參數(shù)模式，變頻器廠商在提供產(chǎn)品時對變頻器進行出廠參數(shù)設(shè)定，一般并不完全滿足各類用戶的具體情況，可在該模式下進行局部修改。 3.3 通用變頻器的主要參數(shù) 選擇通用變頻器時，除了根據(jù)設(shè)備控制要求確定控制模式外，主要考慮以下三項內(nèi)容： （1）變頻器的容量 與變頻器容量相關(guān)的參數(shù)有以下幾項： 額定輸出電流（A）。由于晶體管開關(guān)器件不允許連續(xù)過電流，因而連續(xù)輸出的電流不得超過此值。 可驅(qū)動電動機的功率（kW）。通用變頻器一般是與指定的標準4極電動機相配的。 額定容量（KVA）。這是一個參考的參量，由于電源電壓等級的差異，廠商的產(chǎn)品往往并不一致。 例如，富士電機的變頻器FRN30G9S額定容量為46KVA，適配電動機30kW。施耐德的變頻器ATV71HD30MAX額定容量為40KVA適配電動機30kW。 （2）變頻器輸出電壓。變頻器的最大輸出電壓一般與電動機的額定電壓相當(dāng)。 （3）過載能力。變頻器由于采用晶體管電力器件，因此過載能力較小，允許過載時間也較短，瞬時過載電流一般為1.5倍額定電流（1min）或1.2倍額定電流（1min）。 風(fēng)機、泵類設(shè)備的電機一般沒有瞬時過載問題，在低速時雖有散熱性能變差的情況，但由于調(diào)速的深度有限，影響不大。但是對于非變頻器廠商規(guī)定的電動機，不能直接套用廠商提供的變頻器容量所對應(yīng)的電動機容量。 3.4 通用變頻器的鉻牌 變頻器的鉻牌數(shù)據(jù)提供了最實用的信息。 （1）型號：可由型號查對手冊找到其技術(shù)參數(shù)與適配的電動機容量。 （2）電源：一般有200V、400V的系列。 （3）相數(shù)：3相。 （4）輸入電壓范圍：200～230V（200V系列）、380～420V（400V系列）。 （5）輸入電壓頻率：50Hz，60Hz。 （6）額定容量：KVA。 （7）額定電流：A。 （8）輸出頻率：0.2～400Hz。 （9）制造編號。 4 通用變頻器在建筑設(shè)備控制中的應(yīng)用 4.1 變頻器的主回路 變頻器在建筑設(shè)備中主要應(yīng)用于調(diào)節(jié)風(fēng)機與水泵的流量，其特點是調(diào)速范圍有限（設(shè)有轉(zhuǎn)速上限與下限）的開環(huán)控制。為能保證有效可靠地對電動機供電。 綜上所述，變頻器應(yīng)用于建筑設(shè)備工程，不僅僅是根據(jù)設(shè)備容量選擇一臺變頻器的工作，而是需要充分考慮變頻器自身的保護，電源的保護與相關(guān)控制電路的連接。 近年來，由于工業(yè)以太網(wǎng)的快速發(fā)展，許多變頻器產(chǎn)品在控制信號的輸入與運行狀態(tài)的反饋輸出上，已經(jīng)完全數(shù)字化，即可以通過工業(yè)以太網(wǎng)以TCP／IP的方式向有關(guān)的控制系統(tǒng)（如BA系統(tǒng)）或管理系統(tǒng)進行雙向通信，實現(xiàn)設(shè)備的控制與管理。 |
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