2013年暖通工程師專業(yè)輔導19

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　　變頻調速技術在暖通空調中的應用

　　1　引言

　　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(fā)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(yè)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(jié)省水泵或風機的電能，實現系統(tǒng)的節(jié)能運行;另一方面可以提高系統(tǒng)的運行品質，實現高精度控制，滿足對環(huán)境的舒適度和生產工藝過程對環(huán)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(tǒng)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(jié)能運行機理、變頻調速控制系統(tǒng)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(jié)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變化到Q2時，電動機的轉速由n1變?yōu)閚2，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(tǒng)特性

　　流體在管路系統(tǒng)中的特性可以表達成如下的關系式：

　　其中H為管路系統(tǒng)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(tǒng)的阻力系數，與管路系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)提供H0的揚程。

　　2、4　當需要的流量減少時傳統(tǒng)的調節(jié)方法

　　通常泵或風機的容量是按照系統(tǒng)需要的最大要求而設計的，然而在實際應用中，系統(tǒng)大多數時間里在遠小于設計容量下工作。傳統(tǒng)的調節(jié)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(tǒng)局部阻力即改變管路系統(tǒng)特性曲線的方法來進行調節(jié)。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(tǒng)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(jié)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(tǒng)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(tǒng)流量的同時降低了系統(tǒng)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(jié)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(jié)能效果是非常明顯的。

　　3　變頻調速控制系統(tǒng)的組成

　　暖通空調中用到的變頻調速控制系統(tǒng)一般由傳感器、變送器、調節(jié)器、控制器、變頻器、電動機及被控制設備幾部分組成?！　鞲衅饔脕砀袦y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(tǒng)一調整為規(guī)則化的電壓，如0V～5V或電流信號4mA～20mA等作為調節(jié)器的輸入。調節(jié)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(tǒng)。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(guī)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(zhí)行機構，用以保證生產或系統(tǒng)工作的正常。以上說明的控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，有時對于一些簡單的控制系統(tǒng)也采用開環(huán)式的控制系統(tǒng)，這時傳感器、變送器和調節(jié)器由人的五官和大腦來擔任。當觀測到或感覺到系統(tǒng)的被控參數發(fā)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。