变频调速技术及其在空调系统中的应用

摘  要： 简要介绍了变频调速技术，对变频调速器的用途和性能优点做了概括总结，比较详细地论述了变频调速器应用在空调系统中的节能的基本原理，并对其自动控制方法做了简单介绍.重点分析了与阀门调节相比，变频调速器的节能效果，且给出了相应的近似计算方法.最后以空调水系统中水泵为例，比较了采用阀门调节与变频调速调节两种方式的节能效益.实例表明，在大型商场空调水系统中，变频调速器的节电率可达到74.1？这说明变频调速技术在空调系统中的应用不仅是可行的而且是必要的.
关键字： 变频调速 空调系统 节能

　　90年代以来，随着大功率晶体管技术发展、大规模集成电路和计算机技术的突飞猛进，交流电机的变频调速技术已日趋完善，在各行各业得到了广泛的应用.尤其在暖通空调领域，这一新技术在我国也开始推广应用，实践证明节能效益显著.

1　变频调速器
　　变频调速器也称变频器，全称为变频变压调速器VVVFI(variable voltage & variable frequency inverter).它采用大功率晶体管GTR作为功率元件，以单片机为核心进行控制，采用SPWM正弦脉宽调制方式，是电力电子与计算机控制相结合的机电一体化产品.它将随着功率元件和计算机技术的发展，结构上做到体积小，重量轻；性能上优于以往的变极调速、串阻调速、串极调速、滑差电机调速等交流电机调速方式,并且将会逐步以这种崭新的调速技术取代直流电机调速.用交流异步电机取代直流电机，将使调速系统更加简单.

1．1　用途与功能
　　 变频调速器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业，适用于水泵、风机、压缩机、机床等产品的电机调速.因为暖通空调行业中水泵、风机为必需的设备，而且耗电量巨大，在全年使用空调的现代化宾馆及办公大楼中，风机、水泵的用电量占整个建筑用电量的30%～40%，约占整个动力用电的40%～55%［1］.自90年代以来变频调速器在暖通空调行业逐渐被大家所认识并采用.它具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V/F曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳跃等功能；具有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能.

1．2　性能与优点
　　 采用SPWM控制方法，使电机的旋转磁场为理想的圆形磁场，转矩脉动小，电机运转平稳，特别是克服了电压型逆变器控制中电机低速运行时转距脉动大的缺点.变频调速器优点很多，比如操作简便、精确可调、数字显示、在线无级调速等，但其主要的优点在于节能.变频调速器+普通鼠笼式异步电机=新的高性能调速系统节能装置.

2　变频调速节能原理
　　在暖通空调系统中，风机、水泵类机械的风量、流量控制，过去很少有采用转速控制方式的，多是由鼠笼式异步电机拖动，进行恒速运转，当需要调节风量、流量时，实际采用的办法是调节挡板或节流阀，这种控制虽然简单，但从节省能源的观点来看，是很不经济的.采用变频器对风机、水泵类机械进行转速控制来调节风量、流量的方法，对节约能
　　 收稿日期　19990713

源、提高经济效益具有重要意义.变频调速器用于水泵、风机、压缩机等的调速，比如近年出现的变频调速的VRV（变冷剂）系统，它们的节能原理都是相同的.

2．1　变频调速节能的基本原理
　　 以水泵为例，水泵调速运行节电的理论之一是水泵学比例律.由水泵学比例律可知，对于同一台水泵，当以不同转速运行时，水泵的流量Q，扬程H，轴功率P与转速n有如下关系

Q₁/Q₂=n₁/n₂ ,(1)

H₁/H₂=(n₁/n₂)² ，(2)

P₁/P₂=(n₁/n₂)³ .(3)

　　流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比.由此可见，当降低转速时，功率的减少量远比流量的减少量大得多.风机也遵循这个规律，即风量与转速成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比.因此，降低水泵或风机的转速，就有可能使单位供水量或风量的电耗减少.由电工学可知，电机的转速与输入频率有如下关系

n=60f(1-s)/p ,(4)

式中：f为电源频率;s为滑差率；p为极对数；n为电机的转速.
　　 变频器通过改变电机频率而达到无级调速的目的 .对于水泵来说，变频调速供水，就是通过压力变送器检测管网水压，并将水压信号转化为电流信号，反馈给变频器内单片机，单片机根据水压情况调整水泵电机输入频率，从而使水泵转速改变.例如，在非高峰供水时，水泵减速运行，从而使水泵输入功率减少，达到节能的目的.这就是变频调速供水节能的基本原理.

2.2　变频调速器的自动控制
　　 变频调速器可以手动控制也可以自动控制.自动控制信号采用4～20　mA电流信号或0～5　V电压信号；采用闭环控制的方法可以更好地满足自动控制的要求(如图1).流量仪表的气动信号经气电转换器变换为4～20　mA的电流信号,由变频调速器的控制端进而来控制电动机的转速以改变流量.如果采用的是电动仪表，变频调速器试用又证明是可靠的，那么图中的气电转换器、三通气开关以及气动调节阀都可省去，从而控制系统大为简化.而且流量控制的精度比已往的气动调节阀控制高.根据要求，变频调速器也可采用温度控制、压力控制或各种信号的综合控制.

图1　变频调速器自动控制示意图
Fig.1　Scheme of VVVFI control

2.3　与阀门调节相比变频调速的节能分析
　　 采用变频调速器后，将泵和管线的阀门全开，用改变电机电源频率的方法来改变电机转速，进而改变流量.图2为水泵以阀门控制或调速控制时流量Q与扬程H的关系曲线（假设管路末端压头为零）.

图2　变频调速器的节能原理图
Fig.2　The principle diagram of VVVFI
for the save of energy

　　图2中：曲线1为泵在转速为n₁时的Q-H性能曲线；曲线2为管路阻力特性曲线;曲线3为关小阀门，流量为Q₂时的管路阻力特性曲线;曲线4为泵在转速为n₂时的Q-H性能曲线;A，B，C为水泵的工况点.
　　 泵消耗的轴功率为

P=γQH/η ,(5)

式中：γ为流体容重；η为泵的效率.
　　 由式（5）可知，轴功率与Q，H的乘积成正比.因此在工况点A，轴功率与Q₁，H₁的乘积面积AH₁OQ₁成正比.根据工艺要求，当流量从Q₁减少到Q₂时，如采用阀门调节方法相当于增加管路阻力，使管路阻力特性变到曲线3，系统由原来的工况点A变到新的工况点B运行．从图2中可以看出，压头反而增加为H₂，轴功率与面积BH₂OQ₂成正比，显然减少不多.如果采用转速调节，转速由n₁降到n₂.泵在转速为n₂时的Q-H性能曲线如曲线4所示，可见在同样流量Q₂时，压头H₃大幅度降低，功率（与面积CH₃OQ₂成正比）明显减少，节省的功率与面积BH₂H₃C成正比,很显然节能效益显著.即便考虑到因转速的降低而引起效率的降低及附加控制装置的效率的影响等，但节电效果仍十分明显.此外，电机消耗的功率不仅决定于泵，还和调速的方法有关.如果电动机的滑差损耗很大，节电效果就大打折扣了.变频调速器是一种高效调速装置，它与滑差调速、液力偶合器调速不同，没有滑差损耗，本身的固有损失仅为1%～2%，因此变频器的输入功率在任何速度下都近似等于泵的轴功率.对泵、风机等流体机械，流量或风量是与转速成正比的，而轴功率是与转速的立方成正比的，因此

P=(n/n_e)³P_e=(Q/Q_e)³P_e ，(6)

式中：n_e，Q_e，P_e分别为泵的额定转速、额定流量和额定轴功率.
　　 由式（3）可知，采用变频调速时，变频器消耗功率为

P_变频 =P=(Q/Q_e)³P_e 　.(7)

如果采用阀门调节，电动机消耗功率近似为