2013年暖通工程师专业辅导19

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　　变频调速技术在暖通空调中的应用

　　1　引言

　　近十几年来，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器已广泛地用于交流电动机的速度控制。因为其具有高效率的驱动性能及良好的控制特性，在各行各业得到很好的应用。在暖通空调领域应用变频调速技术，一方面可以极大地节省水泵或风机的电能，实现系统的节能运行;另一方面可以提高系统的运行品质，实现高精度控制，满足对环境的舒适度和生产工艺过程对环境的温、湿度精度要求，从而有效地提高经济效益和产品质量。变频器不仅在大型的通风、空调、供热等系统中得到了有效地利用，而且也已进入家电产品中，如家用空调器，电冰箱等家电设备中都用到了变频调速技术。可以说在暖通空调领域，凡是有需要速度控制的场合，变频器都以其操作方便、体积小、控制性能好而获得了广泛应用。

　　本文仅就变频器用在泵与风机中的节能运行机理、变频调速控制系统的一般组成，以及变频调速技术在暖通空调领域中的几个具体应用方向做一简单的介绍。

　　2　泵与风机应用交流变频器节能的运行机理

　　2、1　泵与风机的特性泵与风机的轴功率N与其流量Q、扬程H(压力)之间的关系为：

　　N∝Q×H当流量由Q1变化到Q2时，电动机的转速由n1变为n2，此时Q、H、N相对于转速的关系如下：

　　可以看出，泵或风机的轴功率与转速的3次方成正比。扬程与转速的2次方成正比，流量与转速的1次方成正比。图1示出泵和风机的扬程与流量的关系曲线。

　　2、2　系统特性

　　流体在管路系统中的特性可以表达成如下的关系式：

　　其中H为管路系统的压差阻力;P2、P1为流体高、低压面的压强，Hz为流体高、低压面的高差。S为管路系统的阻力系数，与管路系统的沿程阻力和局部阻力以及几何形状有关。

　　2、3　泵与风机的工作点

　　根据管路系统特性所提出的流量及其相应的压头必须由泵或风机来满足。将泵或风机的性能曲线和管路系统的性能曲线同绘在一张坐标图上，如图3所示，两条曲线相交的点O就是泵或风机的工作点。其中O～O′为系统的流动阻力。

　　在设计工况下，泵或风机可以在流量为Q0的条件下向管路系统提供H0的扬程。

　　2、4　当需要的流量减少时传统的调节方法

　　通常泵或风机的容量是按照系统需要的最大要求而设计的，然而在实际应用中，系统大多数时间里在远小于设计容量下工作。传统的调节方法是在泵或风机的出口处加装阀门，用关小阀门加大系统局部阻力即改变管路系统特性曲线的方法来进行调节。如图4工作点从0变到1.这种方法简单有效，但严重影响了系统的效率。虽然流量减少了，但消耗在阀门上的损耗增加了，实践证明，这种调节方法在流量减少的情况下，泵或风机的轴功率基本没有改变。

　　2、5　变频调速的方法

　　如果系统安装有变频调速控制装置，当需要的流量减少时，不总采用关小阀门出口的方法，而是利用变频调速控制装置改变泵或风机电动机的转速。在减少系统流量的同时降低了系统阻力，就可以达到既减少流量，又可以极大地减少电动机的轴功率，达到节能的效果。

　　泵或风机的轴功率与转速的3次方成正比，而流量与转速的1次方成正比，故泵或风机的轴功率与流量的3次方成正比。它们之间的关系如图6所示。从图上可以看出，当流量减小为原流量的80%时，轴功率减少为原轴功率的51%;当流量减少为原流量的60%时，轴功率减少为原轴功率的22%左右。如果和改变泵或风机出口阀门开度的方法相比，变频调速方法的节能效果是非常明显的。

　　3　变频调速控制系统的组成

　　暖通空调中用到的变频调速控制系统一般由传感器、变送器、调节器、控制器、变频器、电动机及被控制设备几部分组成。　　传感器用来感测被控设备中的被控参量，它可以是流量、压力、温度、湿度、气体含量等，一般是利用传感器把被控参数转换成电信号。变送器的作用是把传感器得到的电信号进行放大、整形等处理，然后统一调整为规则化的电压，如0V～5V或电流信号4mA～20mA等作为调节器的输入。调节器或控制器，它们其实就是一个由单片机组成的微型控制系统。本身具有计算、判断、逻辑分析功能。它有数字和模拟输入端、数字和模拟输出端，可以在软件的控制下实现PID或模糊控制等控制规律，还可以利用数字输出口，指挥数台电动机的调频与工频之间的切换、被控设备相关部件的开启或关闭等多种操作。变频器是利用电子器件的智能控制技术把电压频率固定的交流电变成了电压频率可变的交流电的一种控制设备。用变频器输出的频率、电压可变的交流电去驱动电动机就可以达到电动机的调速。变频器一般由供电部分、输出部分、控制部分、保护部分、显示部分和给定部分组成。容量从几十瓦到几百千瓦，既有三相的也有单项的。十多年以来，变频器的可靠性越来越强，价格越来越低，应用的领域越来越广泛。电动机和被控设备一起构成了生产过程的动力源和执行机构，用以保证生产或系统工作的正常。以上说明的控制系统是一种闭环控制系统，有时对于一些简单的控制系统也采用开环式的控制系统，这时传感器、变送器和调节器由人的五官和大脑来担任。当观测到或感觉到系统的被控参数发生偏差以后，用人工的方法去调整变频器的给定值，使电动机的速度改变，从而达到控制被控参数的目的。