建筑樓宇中變頻器應(yīng)用簡析

王　雷/錢觀榮

(華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200002)

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建筑樓宇中變頻器應(yīng)用簡析

王雷/錢觀榮

(華東建筑設(shè)計(jì)研究總院，上海 200002)

0　引言

隨著科技的發(fā)展，在工業(yè)控制中得到普遍應(yīng)用的變頻器在建筑樓宇中的應(yīng)用也越來越廣泛，如何合理、有效地使用變頻器是建筑設(shè)備設(shè)計(jì)人員面臨的新課題。

1　變頻器簡介

作為一種把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置，變頻器具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等基本功能。

根據(jù)變頻器電壓等級，可以分為低壓變頻器、中壓變頻器和高壓變頻器；按變頻器技術(shù)發(fā)展可分為V/F 變頻器、矢量變頻器、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器等；按變頻器是否通用，可以分為專用型變頻器及通用型變頻器。

衡量變頻器性能的主要指標(biāo)有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制、信號種類、速度控制方式、速度控制精度、多段速度設(shè)置、載波、頻率跳躍、通信接口及控制方式等。

使用變頻器首先應(yīng)確定使用目的，依據(jù)設(shè)備類型、調(diào)速范圍、響應(yīng)速度和控制精度、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等內(nèi)容，且充分了解變頻器所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載特性后，決定采用何種功能的通用變頻器構(gòu)成控制系統(tǒng)，最后確定最佳控制方式。

變頻器作為一個(gè)電器元件與電氣控制設(shè)備，建筑電氣工程師要充分掌握其工作原理，以便能在工程中正確應(yīng)用。

1.1變頻節(jié)能

在工業(yè)生產(chǎn)和建筑樓宇內(nèi)，變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)閥門開度、入口或出口的擋板來調(diào)節(jié)給風(fēng)量或給水量，其輸入功率大，且大量的能源會消耗在擋板、閥門的截流過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過降低風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速即可滿足工況要求，并可相應(yīng)地減少輸出功率，達(dá)到節(jié)能的效果。

1.2功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能

在給設(shè)備馬達(dá)供電的過程中，變頻器內(nèi)部的濾波電容產(chǎn)生作用，減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率，起到了節(jié)能的效果。

1.3軟啟動(dòng)節(jié)能

電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電流會比額定值高出5～6倍，不但會影響電機(jī)的使用壽命，而且會消耗較多的電量；另外，設(shè)計(jì)時(shí)在電機(jī)選型上會留有一定的余量，雖然電機(jī)速度固定不變，但在實(shí)際使用過程中，有時(shí)需要以較低或者較高的速度運(yùn)行，因此采用變頻器來進(jìn)行調(diào)速是有節(jié)能效果的。

變頻器可通過改變設(shè)備輸入電壓頻率達(dá)到調(diào)速、補(bǔ)償功率因數(shù)、實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)、節(jié)能等目的。

2　變頻器在建筑樓宇中的應(yīng)用

1)變風(fēng)量空調(diào)器與風(fēng)機(jī)的調(diào)速要求

控制空調(diào)溫/濕度或焓值、新風(fēng)機(jī)的CO2及VRVBox。

根據(jù)溫/濕度與人員數(shù)量的變化來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)量，以達(dá)到環(huán)境舒適、節(jié)省電能的目的。

2)送/排風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)調(diào)速

在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往會在電機(jī)選型上留有一定的余量，因此電機(jī)的功率會偏大。此外，雖然電機(jī)的工頻速度固定不變，但在實(shí)際使用過程中有時(shí)要以較低的速度運(yùn)行，因此很多設(shè)計(jì)師采用變頻器來進(jìn)行減速，也有節(jié)能效果。

目前此方法在工程中有大量應(yīng)用，筆者認(rèn)為采用此方法調(diào)速是否合理有待商榷，還需要進(jìn)行全面分析。

3)空調(diào)變流量水泵的調(diào)速要求

空調(diào)機(jī)組的馬達(dá)控制，空調(diào)水系統(tǒng)二(三)次水泵控制。

根據(jù)水溫/差或壓力來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水量，既能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，又能減少能耗。

4)給水系統(tǒng)的恒壓/溫控制

小區(qū)或樓宇生活水/熱水泵控制：生活水泵采用變頻泵是為了動(dòng)態(tài)保持供水系統(tǒng)壓力，從而取消屋頂水箱，防止水質(zhì)污染，達(dá)到衛(wèi)生的目的。熱水泵的變頻控制在保持供水壓力的前提下，可適當(dāng)動(dòng)態(tài)保持系統(tǒng)水溫，同時(shí)降低能耗。

5)電梯的啟/停控制

電梯平穩(wěn)啟/停及運(yùn)行(動(dòng)態(tài)控制)。

自動(dòng)扶梯的節(jié)電控制：有人時(shí)正常速度運(yùn)行，無人時(shí)慢速運(yùn)行(動(dòng)態(tài)調(diào)速，節(jié)能降耗)。

3　變頻器使用注意事項(xiàng)

1)有關(guān)變頻器的諧波治理，在國內(nèi)外工程設(shè)計(jì)中主要遵循美國標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 519)、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》)及香港標(biāo)準(zhǔn)(HK_G5_4_BS7671)。

美國標(biāo)準(zhǔn)要求總諧波電流TDD控制在5%、8%、12%、15%及20%這幾個(gè)級別。一般民用建筑行業(yè)需要控制在12%；國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了注入公用電網(wǎng)的諧波電流，對于變頻器，需要根據(jù)系統(tǒng)形式與其他諧波源統(tǒng)一計(jì)算考慮；香港標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)額定電流的范圍來制定總諧波電流值，一般民用建筑行業(yè)變頻器最大功率為200kW，額定電流為400A(在300～600A之間)，總諧波電流控制值為12%。

諧波治理的解決方法有三個(gè)：(1)使用低諧波的綠色變頻器；(2)采用多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過波形疊加抵消諧波分量；(3)在PWM 變頻器中采用12 脈沖、18 脈沖或者24 脈沖的整流波形，使整流多重化，減少諧波含量。

2)采用諧波較少的變頻調(diào)制方法(如電壓矢量調(diào)制等)。

(1)設(shè)備自帶消諧措施：在變頻器的輸入、輸出端串聯(lián)電抗器來抑制高次諧波，通過合理選擇電抗器的類型和安裝位置，可以有效抑制諧波，將其含量控制在允許范圍內(nèi)。

(2)配電系統(tǒng)考慮限制諧波措施：通過在配電系統(tǒng)諧波源處采用裝設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置、無源和有源濾波裝置、隔離變壓器等技術(shù)手段，減少變頻器諧波對電網(wǎng)的影響。

3)變頻器適合于動(dòng)態(tài)調(diào)速控制，靜態(tài)的調(diào)速可以采用更簡單、經(jīng)濟(jì)的設(shè)備和方法。

目前，部分暖通設(shè)計(jì)師在電機(jī)功率選擇過大時(shí)會采用變頻器來調(diào)低馬達(dá)轉(zhuǎn)速，減低風(fēng)機(jī)風(fēng)量。初次調(diào)試時(shí)，電動(dòng)機(jī)選定一個(gè)頻率后，風(fēng)機(jī)一直按該頻率工作，變頻器淪落為軟啟動(dòng)器，這種調(diào)速是一項(xiàng)一次性的靜態(tài)調(diào)速工作。筆者認(rèn)為這種工況采用變頻器是大材小用，完全可用其他調(diào)節(jié)設(shè)備代替變頻器(如傳統(tǒng)的調(diào)壓器)。

當(dāng)然，今后變頻器要比傳統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)速設(shè)備更

便宜，性價(jià)比更高，但對目前變頻器的高價(jià)格而言，廣泛應(yīng)用在建筑樓宇普通送/排風(fēng)機(jī)上是不合理的，雖然起到了節(jié)能的目的，但增加了設(shè)備投資，得不償失。

變頻器的發(fā)明是為了調(diào)速，而節(jié)能是利用調(diào)速功能可達(dá)到的另一個(gè)目的，所以使用變頻器不一定是為了節(jié)能，節(jié)能也不一定要用變頻器；動(dòng)態(tài)調(diào)速要用變頻器，靜態(tài)降速可不用變頻器。

另外，變頻也不是在任何場合均可省電，有不少場合用變頻并不一定能省電。作為電子電路，變頻器本身也要耗電(約額定功率的3%～5%)，一臺1.5匹的空調(diào)自身耗電約20～30W,相當(dāng)于一盞長明燈，變頻器在工頻下運(yùn)行具有節(jié)電功能，但需滿足的前提條件是：(1)大功率并且為風(fēng)機(jī)/泵類負(fù)載；(2)裝置本身具有節(jié)電功能(軟件支持)；(3)長期連續(xù)運(yùn)行。

4)變頻器控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要變頻器結(jié)合各類傳感器、控制線纜、控制器(含軟件)。為保證設(shè)計(jì)質(zhì)量及完整性，在設(shè)計(jì)時(shí)不宜將各功能拆分，功能由廠家自行配置，并設(shè)置統(tǒng)一的技術(shù)措施，保障信號的發(fā)送、傳輸、接收、計(jì)算、反饋、執(zhí)行等功能順暢，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

5)變頻器過熱是變頻器故障的最主要原因，且變頻器通常安裝在控制柜中。一臺變頻器的發(fā)熱量可以用以下公式估算：發(fā)熱量的近似值= 變頻器容量(kW)×55(W)，其中變頻器容量以恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為準(zhǔn)(過流能力150%×60s)，如果變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器,這時(shí)發(fā)熱量會更大一些。在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡量避免將多臺變頻器控制柜布置得過于緊密或布置在墻角等通風(fēng)不暢的區(qū)域。

4　結(jié)束語

變頻調(diào)速的節(jié)能、省力、易于構(gòu)成自控系統(tǒng)等優(yōu)勢加速了變頻器在建筑樓宇中的應(yīng)用。合理采用變頻調(diào)速裝置將使企業(yè)獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益,同時(shí)這也是國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。對于變頻器，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入了解其性能參數(shù)，注意使用場合和使用條件，通過綜合考慮優(yōu)缺點(diǎn)，確定應(yīng)用目標(biāo)，正確合理選用變頻器，以達(dá)到環(huán)境舒適、節(jié)能省電的目的。

Analysis of Application of Frequency Converter in Buildings

Wang Lei/Qian Guanrong

對變頻器工作原理及在建筑樓宇中的應(yīng)用場所作了闡述，不僅分析了應(yīng)用變頻器的節(jié)能效果和利弊，還客觀的分析了變頻器與節(jié)能的相互關(guān)系。

變頻器建筑樓宇節(jié)能動(dòng)態(tài)調(diào)速靜態(tài)調(diào)速

The working principle of frequency converter and its application in building are discribed,then the energy saving effect,advantages and disadvantages of the application of frequency converter,the relationship between frequency converter and energy saving are analyzed.

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