變頻調速技術的暖通空調應用

近十幾年來,隨著電力電子技術、微電子技術及現代控制理論的發展,變頻器已廣泛地用于交流電動機的速度控制。因為其具有高效率的驅動性能及良好的控制特性,在各行各業得到很好的應用。在暖通空調領域應用變頻調速技術,一方面可以極大地節省水泵或風機的電能,實現系統的節能運行;另一方面可以提高系統的運行品質,實現高精度控制,滿足對環境的舒適度和生產工藝過程對環境的溫、濕度精度要求,從而有效地提高經濟效益和產品質量。變頻器不僅在大型的通風、空調、供熱等系統中得到了有效地利用,而且也已進入家電產品中,如家用空調器,電冰箱等家電設備中都用到了變頻調速技術?梢哉f在暖通空調領域,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用。

本文僅就變頻器用在泵與風機中的節能運行機理、變頻調速控制系統的一般組成,以及變頻調速技術在暖通空調領域中的幾個具體應用方向做一簡單的介紹。

2 泵與風機應用交流變頻器節能的運行機理

2、1 泵與風機的特性

泵與風機的軸功率N與其流量Q、揚程H(壓力)之間的關系為:

N∝Q×H

當流量由Q1變化絈2時,電動機的轉速由n1變為n2,此時Q、H、N相對于轉速的關系如下:

可以看出,泵或風機的軸功率與轉速的3次方成正比。揚程與轉速的2次方成正比,流量與轉速的1次方成正比。圖1示出泵和風機的揚程與流量的關系曲線。

2、2 系統特性

流體在管路系統中的特性可以表達成如下的關系式:

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

2、3 泵與風機的工作點

根據管路系統特性所提出的流量及其相應的壓頭必須由泵或風機來滿足。將泵或風機的性能曲線和管路系統的性能曲線同繪在一張坐標圖上,如圖3所示,兩條曲線相交的點O就是泵或風機的工作點。其中O~O′為系統的流動阻力。

在設計工況下,泵或風機可以在流量為Q0的條件下向管路系統提供H0的揚程。

2、4 當需要的流量減少時傳統的調節方法

通常泵或風機的容量是按照系統需要的最大要求而設計的,然而在實際應用中,系統大多數時間里在遠小于設計容量下工作。傳統的調節方法是在泵或風機的出口處加裝閥門,用關小閥門加大系統局部阻力即改變管路系統特性曲線的方法來進行調節。如圖4工作點從0變到1。這種方法簡單有效,但嚴重影響了系統的效率。雖然流量減少了,但消耗在閥門上的損耗增加了,實踐證明,這種調節方法在流量減少的情況下,泵或風機的軸功率基本沒有改變。

2、5 變頻調速的方法

如果系統安裝有變頻調速控制裝置,當需要的流量減少時,不總采用關小閥門出口的方法,而是利用變頻調速控制裝置改變泵或風機電動機的轉速。在減少系統流量的同時降低了系統阻力,就可以達到既減少流量,又可以極大地減少電動機的軸功率,達到節能的效果。

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

3 變頻調速控制系統的組成

暖通空調中用到的變頻調速控制系統一般由傳感器、變送器、調節器、控制器、變頻器、電動機及被控制設備幾部分組成。傳感器用來感測被控設備中的被控參量,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轉換成電信號。變送器的作用是把傳感器得到的電信號進行放大、整形等處理,然后統一調整為規則化的電壓,如0V~5V或電流信號4mA~20mA等作為調節器的輸入。調節器或控制器,它們其實就是一個由單片機組成的微型控制系統。本身具有計算、判斷、邏輯分析功能。它有數字和模擬輸入端、數字和模擬輸出端,可以在軟件的控制下實現PID或模糊控制等控制規律,還可以利用數字輸出口,指揮數臺電動機的調頻與工頻之間的切換、被控設備相關部件的開啟或關閉等多種操作。變頻器是利用電子器件的智能控制技術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備。用變頻器輸出的頻率、電壓可變的交流電去驅動電動機就可以達到電動機的調速。變頻器一般由供電部分、輸出部分、控制部分、保護部分、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的。十多年以來,變頻器的可靠性越來越強,價格越來越低,應用的領域越來越廣泛。電動機和被控設備一起構成了生產過程的動力源和執行機構,用以保證生產或系統工作的正常。以上說明的控制系統是一種閉環控制系統,有時對于一些簡單的控制系統也采用開環式的控制系統,這時傳感器、變送器和調節器由人的五官和大腦來擔任。當觀測到或感覺到系統的被控參數發生偏差以后,用人工的方法去調整變頻器的給定值,使電動機的速度改變,從而達到控制被控參數的目的。

4 變頻調速技術在暖通空調中的應用

4、1 變風量控制系統

空調系統的設計一般都是按室內負荷和室外溫濕度最不利的情況來設計的。但一年中這種設計工況的維持時間只有數天或數十小時,絕大多數情況下都是在非滿負荷下工作。我國目前大部分空調系統都是采用的定風量系統,在這種系統中,當空調冷負荷變小以后,常采用機器露點不變,再對冷卻的空氣進行不同程度的“再熱”的方法來解決。這種方法雖然可以滿足空調負荷變化的需要,但都增加了不必要的“再熱”能量,是一種不經濟的運行方式。變風量系統在室內冷負荷變小的時候,不是增加“再熱”而是用減少風量的方法來適應負荷的變化,即去掉了“再熱”又減少了風機的軸功率,如系統全年均在70%風量下工作,風機耗電約可減少一半,因此是一種節能的空調運行方式。在變頻器技術不成熟以前,改變交流電動機轉速的工作非常困難,限制了變風量空調系統的發展。隨著變頻器技術的成熟和價格的降低,變風量空調系統將得到廣泛的應用。
4、2 變冷水量系統

在非設計負荷條件下,空調區域的需冷量減少,一般是采用二通閥來調節末端設備冷水的流量來適應需冷量的變化,在一級泵系統中,流過末端設備的冷水和流過冷機蒸發器的冷水是串聯的。通過冷機蒸發器的水流量是不能低于所需水量額定值的,否則將導致結冰的危險。一般冷機廠家要求通過蒸發器的水流量恒定,即定流量工作。為了解決負荷側變流與冷源側定流量之間的矛盾,一般采用在供回水管路上設旁通管,在旁通管上裝壓差調節器,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。但是這種系統水泵的能耗沒有因為需冷量的減少而降低,因此是不經濟的。為了達到既變水量又節能的目的,可以采用二級泵系統,在這種系統中冷源側采用定流量控制的一次泵,負荷側增加了采用變流量控制的二次泵。當系統的需冷量減少,二通閥關小,用戶側供回水管壓差增大時,降低二次泵的轉速以維持用戶側供回水管壓差的恒定,這樣就達到了節能的目的。實踐證明采用具有變頻調速功能的二級泵變流量冷水系統具有顯著的減少輸送能的節能效果。

4、3 鍋爐鼓引風機的節能運行

設計人員在確定鍋爐鼓引風機的電動機功率時,由于有些系數的具體數值難以準確確定,往往會造成裝機容量超過鍋爐最大負荷時所需功率的情況,同時鍋爐不可能總在滿負荷下運行,隨著室外溫度的提高,供暖負荷會有相應的減少,為了適應負荷的變化就要減少燃料的供應量,同時減少鼓引風機的通風量。采用關小風閥的辦法可以達到減少通風量的目的,但會增加系統的阻力和噪聲,是不經濟的調節方法。采用變頻調速技術,根據鍋爐的實際燃燒情況,通過控制器直接去調節鼓引風機的轉速就可以達到調節風量又節能的要求。

據有關鍋爐鼓引風機改造工程的實際數據,一臺14MW的熱水采暖鍋爐的鼓引風機年節電可達18萬kWh。

4、4 采暖與空調水系統的恒壓點控制

采暖與空調水系統的定壓常采用高架開口水箱(膨脹水箱)的方法。但有時會遇到沒有適當的架設位置的困難,這時常采用氣壓罐定壓和補給水泵等方式,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。補給水泵定壓又可分為間歇補水定壓和連續補水定壓。間歇補水定壓的定壓點在上、下限壓力之間波動,通常波動范圍為0.05MPa左右,波動范圍過小,則接觸開關頻繁動作易于損壞。連續補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水調節閥,當定壓點6的壓力過低時補水調節閥開大,增加進入網路的補水量,使壓力上升到要求的壓力,如壓力過高,補水調節閥關小,減少進入網路的補水量,使壓力下降到規定值。在這種工作方式下,水系統定壓點的壓力穩定,但補給水泵始終以50Hz的頻率工作,是不經濟的。第二種方式是把補給水泵改成變頻調速控制,利用遠傳壓力表測量到的定壓點的實際壓力值與預先設定的控制壓力值在控制器中進行比較,根據其差別的大小調整控制器的輸出,進而改變補給水泵運轉的速度,達到恒定定壓點的要求。因為補給水泵可以根據壓力的不同情況在不同的頻率下工作,所以可以節省補給水泵電動機的能耗。實際工作表明這種定壓方式,控制精度高,定壓點的壓力值可以精確地控制在0.01MPa的范圍內。

4、5 冷卻塔風機的變速控制

冷卻塔風機的作用是驅動空氣與在冷凝器吸收了熱量的冷卻水強行進行熱濕交換,以使冷卻水降溫后再返回冷凝器進行吸熱。為使制冷設備在一定的負荷范圍內穩定運行,必須使進入冷凝器的冷卻水溫度保持穩定。對于吸收式制冷機,冷卻水溫度過低將出現溶液結晶事故。對于大型封閉式離心機組,冷凝壓力過低會引起電機冷卻液流動不暢,可能造成電機局部過熱甚至燒毀。冷卻水溫度過高則會降低制冷機效率。穩定冷卻水溫度可以采用調節運行臺數或調節風機轉速的方法,也可以采用利用三通閥調節通過冷卻塔的水量與通過旁通水量比例的方法。利用三通閥調節旁通水量的方法,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,因為流過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速技術去調節冷卻塔風機轉速,可以把冷卻水溫度控制在一個比較高的精度范圍內,又可以節省風機的電耗。

4、6 變頻空調器

一般的窗式空調器或分體式空調器,采用ON/OFF控制方式,這種控制方式室內溫度和濕度會發生波動,影響人的舒適感。壓縮機在啟動時有很大的沖擊電流,需要配置比連續運行時更大的電源容量,為了克服以上缺點,近幾年出現了所謂的變頻空調器,這種空調器中的控制器根據傳感器得到的被控房間的溫度值與預先給定的溫度設定值比較,根據二者的偏差去控制變頻器的頻率輸出,進而改變制冷壓縮機的轉速,達到調節被控房間溫度的目的。使用變頻空調可以達到以下效果:

(1)在輕負載時,壓縮機在較低轉速下工作,相對壓縮機容量,蒸發器和冷凝器在相對比率較高的情況下工作,整體效率有所提高,因而可以節能。

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

(3)室內溫度不再是一個波動值而是在設定值上下一個極小范圍內變化。人的舒適度得到了改善。

(4)減少了電動機的啟動電流,可以增加壓縮機的使用壽命。日本大金公司生產一種所謂的VRV的變頻控制空調系統,它分成室內機和室外機兩部分。室內機中由蒸發器、風機組成。室外機由可變頻的壓縮機、冷凝器、冷凝風機和節流元件組成。兩邊通過制冷劑管路聯接。一臺室外機可以根據需要帶數臺至十幾臺室內機,它強大的自動控制系統可以根據系統配置的實際情況和被控點的溫度情況及時地調整室外機中壓縮機的轉速及制冷劑的流量,使整個系統協調一致高效地工作。該產品還有單冷型、熱泵型和帶熱回收型幾種型式。

變頻調速技術在大型制冷機特別是離心式制冷機中也得到了很好的應用。如美國約克公司生產的離心式制冷機,使用了變頻調速技術大大改善了制冷機的調節特性。

5 結論

變頻調速技術是隨著電力電子技術、微電子技術和計算機技術發展起來的一門新興的應用技術,具有控制性能好,運行效率高,體積小,操作方便的特點,特別是在泵與風機的控制方面有很好的節能效果。暖通空調系統耗能在整個建筑物耗能中所占的比例日益增大,其中泵與風機的流體輸送能耗又占了很大比例,把變頻調速技術應用于暖通空調系統,對減少建筑物的整體能耗,提高系統運行效率有很大的意義。同時,應用變頻調速技術還可以改進自動控制系統的控制效果,可以提高被控環境的質量和生產工藝過程對溫濕度的精度要求,從而提高產品質量,有很好的經濟效益和社會效益。

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