建筑设备工程中变频技术的应用

1 建筑设备系统的运行特点
　　zui近，为了实现建筑节能，许多工程纷纷采用了变频器来控制拖动设备的电动机。那么，为什么采用变频技术能够节能呢?这是因为在建筑设备工程的设计与建设时，为了能满足zui不利条件下的负荷要求，往往对设备预留了足够的容量。例如，空调系统设计时，要考虑到在极端的气候条件下（如夏季38℃高温时）提供满员时的舒适环境（26℃），为此，冷量、水量及风量都必须保证这一目标的实现。然而，在大多数情况下，设备系统并不需要在高限下运行，而高限状态运行不仅过多地消耗能量，而且还降低了运行质量，使得末端设备与管道的承压增高，寿命降低，噪声增加。因此，根据负荷的动态变化，自动调节设备运行状态达到合理与zui优是一项有意义的工作。
　　建筑设备中，风机与水泵居多（如冷却塔风机、空调箱的送风机、排风机、新风机、排烟风机、冷却水泵、冷冻水泵、生活水泵、排水泵、补水泵、消防泵、喷淋泵等），驱动风机与水泵的多为异步电动机。风机与水泵的运行特性
　　如果拖动设备的电动机未采用调速，在输送管道未端流体排出量发生变化（阀门开度调节）时，设备的运行状态只能沿L线移动。当流体输送量减少，管道特性曲线R1上翘，变为R2，与设备特性曲线交于H2与Q2。流量是减少了，但出口压力升高，这不仅对于管道与未端设备是不利的，而且无谓消耗了动力能量，这是我们所不希望的。此时如果把风机或水泵的转速降下来后，设备的运行特性变为L1。此时的管道特性R2与L1可交于H1与Q3，显然，新的设备运行状态点的出口压力H1不变，输送的流量Q则因需求而减少了。
　　由于流量Q，压力H、转速n、转矩M与轴功率P之间的关系是：
　　Q∝n
　　H∝M∝n2
　　P∝Mn∝n3 ⑴
　　⑴式揭示了风机与泵类设备调速节能的原理，即流量与转速成正比，压力与转速的2次方成正比，而轴功率与转速的3次方成正比。
　　风机的轴功率P=（kW） ⑵
　　Q—风量（m3/s），H—压力（Pa），η0—风机效率，η1—传功装置效率（直接传动时为1）。
　　水泵的轴功率P=（kW） ⑶
　　Q—流量（m3/s），H—扬程（m），η0—泵效率，η1—传功装置效率（直接传动时为1），ρ—液体密度（kg/m3）。
　　风机和泵属减转矩负荷，随着转速降低，负载转矩按转速的平方成比例地减少，因此在做节能调速运行时，变频器应选用如图2的专用U/f曲线模式，以提高电动机的总效率。
　　因此，在理想状态下分析，减转矩负载调速节能的效果是相当可观的。因为设备容量大于实际需求10%是工程中极为普遍的情况，在实际运行中的流量需减少10%更是频率很高的事实，所以我们假定拖动空调机组风机的电动机为22kW，每天运行10小时，其中4小时的实际风量需求为90%，6小时实际风量需求为80%，那么理论上可以节省的电耗：
　　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的电费计算，则仅一台空调机组的电机就可节省电费91.432×300×0.8=21943.68（元/年）。
　　2 变频器原理
　　在30年前，需要调速的场合大多采用调速性能良好的直流电动机，但是由于直流电动机带有机械式换向器，其可靠性与维护成本一直存在较大的问题。而交流电动机的调速受到电力变流技术与器件的制约，也无法实现工业的实用化。随着电子技术与微电子技术的发展，交流主开关器件的自关断技术的突破与PWM数字控制的实现，大容量变频器的性能与功能有了突飞猛进的发展，其生产成本在规模化的生产下得以降低，因而交流调速的变频器应用从数百瓦的家用电器到数万千瓦的大型生产设备可以说是无所不包。
　　2.1 变频器的基本原理
　　变频器分有交-交变频和交-直-交变频器两种形式。交-交变频能把工频交流电直接变换为可控制电压与频率的交流电，亦称直接式变频。交-直-交变频则先把工频交流电整流为直流电，再逆变为可控制电压与频率的交流电，亦称间接式变频。在目前建筑设备调速场合，主要应用间接式变频器。下面的介绍以间接式变频器（均简称为变频器）为对象。
　　变频器的基本结构如图3所示，由整流器、直流环节、逆变器和控制电路组成。
　　整流器——接入电网的三相交流电，整流输出为脉动直流。
　　直流环节——由储能元件（由电容器与电抗器）构成，缓冲异步电动机的无功功率交换。
　　逆变器——通过有规律地控制三相桥式逆变电路中晶体主开关器件的通断，向负荷输出任意频率与电压的交流输出。
　　控制电路——控制电路由主回路状态检测电路、运算电路、控制信号输入电路、控制驱动输出电路等组成。运算电路接受控制信号输入与主回路状态检测信号进行运算，产生准确的输出信号完成对整流器的电压控制、对逆变器的开关控制和各项保护功能。目前新颖的变频器大多采用高性能的微处理器来完成控制功能。
　　2.2 U/f-VVVF方式
　　U/f控制是对变频器输出交流的电压与频率同时进行控制，又称为U/f-VVVF（Variable Voltage Variable Freqency）控制方式。其原理如图4所示。
　　主电路的逆变器采用双极电力晶体管BJT（Bipolar Junction Transistor）以脉冲宽度调制方式PWM（Pulse Width Modulation）进行控制。逆变器控制脉冲发生器接受频率指令f*和电压指令U，f与U之间的关系则由U/f模式建立。因此在PWM控制下，变频器输出的电压U与频率f可按控制指令调节，从而使异步电动机的转速改变。图5所示为PWM变频器及其在调节过程中的波形示意图。利用参考电压信号波与载频三角波互相比较来决定主开关BJT的导通时间实现调压，以改变脉冲密度，合成幅值不同的正弦基波电压。由于参考信号为正弦波，亦有称之为正弦PWM（SPWM，Sinusoidal Pulse Width Modulation）方式。
　　U/f控制是转速开环控制、无速度传感器，其电路简单，通用性强，经济性好，但在输出频率f一定的情况下，电动机转子转速会受负载转矩影响而变化，因此常用于调速精度要求不高，负载变动较小的设备驱动场合。
　　3 通用变频器的功能及其主要参数
　　3.1 通用变频器的类型
　　通用变频器的技术发展很快，目前在工程上应用的产品大体分为三类：
　　（1）普通功能型U/f控制。
　　（2）高功能型U/f控制。
　　（3）高动态性能矢量控制。
　　其中第（2）类已具有转矩控制功能，第（3）类采用矢量控制方式，可以实现高精度的调整。对于建筑设备中应用变频器调整的场合，基本上没有严格的精度与动态要求，因而可以合理地选择功能以达到较高的性价比。
　　3.2 通用变频器的功能
　　通用变频器以微处理器为控制核心，适用于各种不同的交流调速设备，因此设有数以百计的功能来满足用户的需求。主要使用的工作模式有5种。
　　（1）运行模式，其中有可供用户选择的状态监视、故障记录、故障历史查询等功能。
　　（2）初始化设定模式，其中有用户设定的初始化内容，输入密码，用户参数设定，控制方式选择，显示屏语种设定等。
　　（3）编程模式，通用变频器的大多数功能都在该模式下设定与读取。如控制指令的来源、控制率参数设定，加减速的设定与补偿，频率设定、电动机参数输入，控制回路端设定，保护参数设定，操作键功能设定等。
　　（4）自学习模式，在采用矢量控制方式时可以采用自学习模式获得电动机参数。
　　（5）修正参数模式，变频器厂商在提供产品时对变频器进行出厂参数设定，一般并不完全满足各类用户的具体情况，可在该模式下进行局部修改。
　　3.3 通用变频器的主要参数
　　选择通用变频器时，除了根据设备控制要求确定控制模式外，主要考虑以下三项内容：
　　（1）变频器的容量
　　与变频器容量相关的参数有以下几项：
　　额定输出电流（A）。由于晶体管开关器件不允许连续过电流，因而连续输出的电流不得超过此值。
　　可驱动电动机的功率（kW）。通用变频器一般是与指定的标准4极电动机相配的。
　　额定容量（KVA）。这是一个参考的参量，由于电源电压等级的差异，厂商的产品往往并不一致。
　　例如，富士电机的变频器FRN30G9S额定容量为46KVA，适配电动机30kW。施耐德的变频器ATV71HD30MAX额定容量为40KVA适配电动机30kW。
　　（2）变频器输出电压。变频器的zui大输出电压一般与电动机的额定电压相当。
　　（3）过载能力。变频器由于采用晶体管电力器件，因此过载能力较小，允许过载时间也较短，瞬时过载电流一般为1.5倍额定电流（1min）或1.2倍额定电流（1min）。
　　风机、泵类设备的电机一般没有瞬时过载问题，在低速时虽有散热性能变差的情况，但由于调速的深度有限，影响不大。但是对于非变频器厂商规定的电动机，不能直接套用厂商提供的变频器容量所对应的电动机容量。
　　3.4 通用变频器的铬牌
　　变频器的铬牌数据提供了zui实用的信息。
　　（1）型号：可由型号查对手册找到其技术参数与适配的电动机容量。
　　（2）电源：一般有200V、400V的系列。
　　（3）相数：3相。
　　（4）输入电压范围：200～230V（200V系列）、380～420V（400V系列）。
　　（5）输入电压频率：50Hz，60Hz。
　　（6）额定容量：KVA。
　　（7）额定电流：A。
　　（8）输出频率：0.2～400Hz。
　　（9）制造编号。