1　引言

　　近十幾年來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及現代控制理論的發(fā)展，變頻器已廣泛地用于交流電動(dòng)機的速度控制。因為其具有高效率的驅動(dòng)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(lǐng)域應用變頻調速技術(shù)，一方面可以極大地節省水泵或風(fēng)機的電能，實(shí)現系統的節能運行；另一方面可以提高系統的運行品質(zhì)，實(shí)現高精度控制，滿(mǎn)足對環(huán)境的舒適度和生產(chǎn)工藝過(guò)程對環(huán)境的溫、濕度精度要求，從而有效地提高經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量。變頻器不僅在大型的通風(fēng)、空調、供熱等系統中得到了有效地利用，而且也已進(jìn)入家電產(chǎn)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(shù)�？梢哉f(shuō)在暖通空調領(lǐng)域，凡是有需要速度控制的場(chǎng)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(fēng)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(shù)在暖通空調領(lǐng)域中的幾個(gè)具體應用方向做一簡(jiǎn)單的介紹。

　　2　泵與風(fēng)機應用交流變頻器節能的運行機理

　　2、1　泵與風(fēng)機的特性泵與風(fēng)機的軸功率N與其流量Q、揚程H（壓力）之間的關(guān)系為：

　　N∝Q×H當流量由Q1變化到Q2時(shí)，電動(dòng)機的轉速由n1變?yōu)閚2，此時(shí)Q、H、N相對于轉速的關(guān)系如下：

　　可以看出，泵或風(fēng)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(fēng)機的揚程與流量的關(guān)系曲線(xiàn)。

　　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(guān)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(guān)。

　　2、3　泵與風(fēng)機的工作點(diǎn)

　　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(fēng)機來(lái)滿(mǎn)足。將泵或風(fēng)機的性能曲線(xiàn)和管路系統的性能曲線(xiàn)同繪在一張坐標圖上，如圖3所示，兩條曲線(xiàn)相交的點(diǎn)O就是泵或風(fēng)機的工作點(diǎn)。其中O～O′為系統的流動(dòng)阻力。

　　在設計工況下，泵或風(fēng)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(shí)傳統的調節方法

　　通常泵或風(fēng)機的容量是按照系統需要的最大要求而設計的，然而在實(shí)際應用中，系統大多數時(shí)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(fēng)機的出口處加裝閥門(mén)，用關(guān)小閥門(mén)加大系統局部阻力即改變管路系統特性曲線(xiàn)的方法來(lái)進(jìn)行調節。如圖4工作點(diǎn)從0變到1.這種方法簡(jiǎn)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(mén)上的損耗增加了，實(shí)踐證明，這種調節方法在流量減少的情況下，泵或風(fēng)機的軸功率基本沒(méi)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(shí)，不總采用關(guān)小閥門(mén)出口的方法，而是利用變頻調速控制裝置改變泵或風(fēng)機電動(dòng)機的轉速。在減少系統流量的同時(shí)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(dòng)機的軸功率，達到節能的效果。

　　泵或風(fēng)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(fēng)機的軸功率與流量的3次方成正比。它們之間的關(guān)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(shí)，軸功率減少為原軸功率的51％；當流量減少為原流量的60％時(shí)，軸功率減少為原軸功率的22％左右。如果和改變泵或風(fēng)機出口閥門(mén)開(kāi)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(dòng)機及被控制設備幾部分組成�！　�傳感器用來(lái)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(jìn)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(shí)就是一個(gè)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(shí)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(dòng)機的調頻與工頻之間的切換、被控設備相關(guān)部件的開(kāi)啟或關(guān)閉等多種操作。變頻器是利用電子器件的智能控制技術(shù)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(dòng)電動(dòng)機就可以達到電動(dòng)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(lái)，變頻器的可靠性越來(lái)越強，價(jià)格越來(lái)越低，應用的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。電動(dòng)機和被控設備一起構成了生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)力源和執行機構，用以保證生產(chǎn)或系統工作的正常。以上說(shuō)明的控制系統是一種閉環(huán)控制系統，有時(shí)對于一些簡(jiǎn)單的控制系統也采用開(kāi)環(huán)式的控制系統，這時(shí)傳感器、變送器和調節器由人的五官和大腦來(lái)?yè)�任。當觀(guān)測到或感覺(jué)到系統的被控參數發(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(dòng)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(shù)在暖通空調中的應用

　　4、1 變風(fēng)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(lái)設計的。但一年中這種設計工況的維持時(shí)間只有數天或數十小時(shí)，絕大多數情況下都是在非滿(mǎn)負荷下工作。我國目前大部分空調系統都是采用的定風(fēng)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(diǎn)不變，再對冷卻的空氣進(jìn)行不同程度的“再熱”的方法來(lái)解決。這種方法雖然可以滿(mǎn)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(jīng)濟的運行方式。變風(fēng)量系統在室內冷負荷變小的時(shí)候，不是增加“再熱”而是用減少風(fēng)量的方法來(lái)適應負荷的變化，即去掉了“再熱”又減少了風(fēng)機的軸功率，如系統全年均在70％風(fēng)量下工作，風(fēng)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(shù)不成熟以前，改變交流電動(dòng)機轉速的工作非常困難，限制了變風(fēng)量空調系統的發(fā)展。隨著(zhù)變頻器技術(shù)的成熟和價(jià)格的降低，變風(fēng)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(lái)調節末端設備冷水的流量來(lái)適應需冷量的變化，在一級泵系統中，流過(guò)末端設備的冷水和流過(guò)冷機蒸發(fā)器的冷水是串聯(lián)的。通過(guò)冷機蒸發(fā)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(chǎng)家要求通過(guò)蒸發(fā)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(lái)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(méi)有因為需冷量的減少而降低，因此是不經(jīng)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(guān)小，用戶(hù)側供回水管壓差增大時(shí)，降低二次泵的轉速以維持用戶(hù)側供回水管壓差的恒定，這樣就達到了節能的目的。實(shí)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(zhù)的減少輸送能的節能效果。

　　4、3　鍋爐鼓引風(fēng)機的節能運行

　　設計人員在確定鍋爐鼓引風(fēng)機的電動(dòng)機功率時(shí)，由于有些系數的具體數值難以準確確定，往往會(huì )造成裝機容量超過(guò)鍋爐最大負荷時(shí)所需功率的情況，同時(shí)鍋爐不可能總在滿(mǎn)負荷下運行，隨著(zhù)室外溫度的提高，供暖負荷會(huì )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(shí)減少鼓引風(fēng)機的通風(fēng)量。采用關(guān)小風(fēng)閥的辦法可以達到減少通風(fēng)量的目的，但會(huì )增加系統的阻力和噪聲，是不經(jīng)濟的調節方法。采用變頻調速技術(shù)，根據鍋爐的實(shí)際燃燒情況，通過(guò)控制器直接去調節鼓引風(fēng)機的轉速就可以達到調節風(fēng)量又節能的要求。

　　據有關(guān)鍋爐鼓引風(fēng)機改造工程的實(shí)際數據，一臺14MW的熱水采暖鍋爐的鼓引風(fēng)機年節電可達18萬(wàn)kWh.

　　4、4　采暖與空調水系統的恒壓點(diǎn)控制

　　采暖與空調水系統的定壓常采用高架開(kāi)口水箱（膨脹水箱）的方法。但有時(shí)會(huì )遇到?jīng)]有適當的架設位置的困難，這時(shí)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(diǎn)在上、下限壓力之間波動(dòng)，通常波動(dòng)范圍為0.05MPa左右，波動(dòng)范圍過(guò)小，則接觸開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)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(diǎn)6的壓力過(guò)低時(shí)補水調節閥開(kāi)大，增加進(jìn)入網(wǎng)路的補水量，使壓力上升到要求的壓力，如壓力過(guò)高，補水調節閥關(guān)小，減少進(jìn)入網(wǎng)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(diǎn)的壓力穩定，但補給水泵始終以50Hz的頻率工作，是不經(jīng)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(diǎn)的實(shí)際壓力值與預先設定的控制壓力值在控制器中進(jìn)行比較，根據其差別的大小調整控制器的輸出，進(jìn)而改變補給水泵運轉的速度，達到恒定定壓點(diǎn)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(dòng)機的能耗。實(shí)際工作表明這種定壓方式，控制精度高，定壓點(diǎn)的壓力值可以精確地控制在0.01MPa的范圍內。

　　4、5　冷卻塔風(fēng)機的變速控制

　　冷卻塔風(fēng)機的作用是驅動(dòng)空氣與在冷凝器吸收了熱量的冷卻水強行進(jìn)行熱濕交換，以使冷卻水降溫后再返回冷凝器進(jìn)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(jìn)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(guò)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(guò)低會(huì )引起電機冷卻液流動(dòng)不暢，可能造成電機局部過(guò)熱甚至燒毀。冷卻水溫度過(guò)高則會(huì )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(fēng)機轉速的方法，也可以采用利用三通閥調節通過(guò)冷卻塔的水量與通過(guò)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(méi)有減少，如果把冷卻水泵改成變頻泵，因為流過(guò)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(shù)去調節冷卻塔風(fēng)機轉速，可以把冷卻水溫度控制在一個(gè)比較高的精度范圍內，又可以節省風(fēng)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(huì )發(fā)生波動(dòng)，影響人的舒適感。壓縮機在啟動(dòng)時(shí)有很大的沖擊電流，需要配置比連續運行時(shí)更大的電源容量，為了克服以上缺點(diǎn)，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(jìn)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(shí)，壓縮機在較低轉速下工作，相對壓縮機容量，蒸發(fā)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(shù)，壓縮機的開(kāi)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(gè)波動(dòng)值而是在設定值上下一個(gè)極小范圍內變化。人的舒適度得到了改善。

　�。�4）減少了電動(dòng)機的啟動(dòng)電流，可以增加壓縮機的使用壽命。日本大金公司生產(chǎn)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(fā)器、風(fēng)機組成。室外機由可變頻的壓縮機、冷凝器、冷凝風(fēng)機和節流元件組成。兩邊通過(guò)制冷劑管路聯(lián)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(dòng)控制系統可以根據系統配置的實(shí)際情況和被控點(diǎn)的溫度情況及時(shí)地調整室外機中壓縮機的轉速及制冷劑的流量，使整個(gè)系統協(xié)調一致高效地工作。該產(chǎn)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(shù)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(chǎn)的離心式制冷機，使用了變頻調速技術(shù)大大改善了制冷機的調節特性。

　　5　結論

　　變頻調速技術(shù)是隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的應用技術(shù)，具有控制性能好，運行效率高，體積小，操作方便的特點(diǎn)，特別是在泵與風(fēng)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(gè)建筑物耗能中所占的比例日益增大，其中泵與風(fēng)機的流體輸送能耗又占了很大比例，把變頻調速技術(shù)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(shí)，應用變頻調速技術(shù)還可以改進(jìn)自動(dòng)控制系統的控制效果，可以提高被控環(huán)境的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝過(guò)程對溫濕度的精度要求，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，有很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。