變頻器在暖通空調系統中的應用分析

傅志寶

(廈門新區建筑設計院有限公司 福建廈門 361000)

變頻器在暖通空調系統中的應用分析

傅志寶

(廈門新區建筑設計院有限公司 福建廈門 361000)

簡要介紹變頻器在暖通空調系統中應用的意義，介紹異步電機變頻工作時的原理及特性，指出變頻器在暖通空調應用中有一定的合理變頻空間，且在實際工程應用時應注意設備變頻與設備臺數的合理使用，在變頻節能的同時必須以系統穩定、安全運行為前提，分析變頻器在暖通空調系統中的正確應用。

變頻器；異步電動機；恒壓頻比；泵與風機；節能；水泵變；水力曲線；安全應用

0 引言

隨著國民經濟的發展，能耗問題成為人們越來越關注的問題之一。如何減少建筑的能耗，減少暖通空調在建筑中的能耗，是值得設計師深入研究的問題。變頻器作為在暖通空調系統中較為實用的一種節能設備，在越來越多的工程中得到應用。本文將簡要介紹暖通工程中變頻器的工作原理，以及電動機在變頻后的一些工作特性，分析變頻器如何在暖通空調系統中更合理的應用。

1 變頻器的定義

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用，改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機工作的電力控制設備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等組成的。變頻器形式較為多樣，在暖通領域中節能主要表現在風機、水泵的應用上。交流電動機的轉速公式為：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中

n—異步電動機的轉速，r/min ；

f—異步電動機的頻率，Hz；

s—電動機轉差率；

p—電動機極對數。

由式(1)可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0Hz～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

2 變頻器在暖通中應用的意義

變頻器在暖通專業中主要應用于傳輸轉動系統，例如風機及水泵的應用。由于轉速與功率存在以下關系，即

N/N′=(n/n′)3=(f/f′)3

(2)

式中

N—電動機的功率，W ；

N′—電動機的原有功率，W ；

f—異步電動機的頻率，Hz；

f′—異步電動機的原有頻率，Hz；

n—異步電動機的轉速；

n′—異步電動機的原有轉速。

從以上公式中可以看出功率變化與轉速比的三次方成正比；當頻率下降至原有的80%時，功率為原有功率的51.2%，節能率為48.8%；當頻率下降至原有的50%時，功率為原有功率的12.5%，節能率為87.5%。從以上數據可以看出，當頻率降低時，功率急劇降低，節能效果相當明顯。變頻器在暖通空調工程中的應用，通常是將異步電動機的頻率改變，從而獲得其顯著節能效果。故此，需將異步電動機的基本工作原理特性搞清楚，才能將變頻器的工作特性發揮得淋漓盡致。

3 異步電動機變頻的基本工作特性

(1)在暖通專業中，用在風機及水泵等設備使用的變頻器，通常是指在基頻(f1N=50Hz)以下調速使用。常用的控制方法為恒壓頻比的控制方式，即US/f1=常值的控制方式。顧名思義，恒壓頻比是指當頻率 f1 從額定值向下調節時，必須同時線性降低定子電壓US，使其比值恒定保持一個常數。所以，在風機及水泵等設備使用變頻器調速時，當頻率降低時，正常情況下，其電壓也會線性降低。恒壓頻比控制變頻調速的機械特性，如圖1所示。

圖1 恒壓頻比控制變頻調速的機械特性

(2)恒壓頻比控制方式時，異步電動機的另外一個特性就是其最大轉矩T基本保持不變，其機械特性基本上是平行下移，變頻調速的機械特性如圖2所示。

圖2 恒壓頻比控制變頻調速的機械特性

當頻率降至很低時，其最大轉矩T會急劇降低，最大轉矩T過小時，會限制電機的帶載能力；當電機無法拖動時，電機甚至會出現燒毀的風險。如需保障一定的轉矩，通常需補償定子壓降，以滿足一定轉矩的需求。

4 變頻器工作特性在暖通應用中的指導意義

雖然變頻器在風機與水泵等設備變頻調節使用時，節能效果明顯，但是根據電機在變頻時工作特性可以看出來，變頻也不是從50Hz，一直可以變頻到0Hz都可以使用；反過來也不是說，變頻只能從50Hz變化到45Hz區間使用，從而將變頻器的節能空間大打折扣。所以，在工程中應合理利用電機的變頻工作特性，將節能與電機安全使用科學結合起來。

在泵與風機等傳輸設備的變頻器使用時，應根據變頻器工作特性，注意以下特點：變頻器在一定的合理區間內變頻，其節能效果明顯，如前文提及，當變頻至50%時，節能效果已達到87.5% 。但是變頻器并不是在0Hz～50Hz區間內，可隨意進行變頻調速，當頻率較低時，其轉矩急劇降低，可能無法拖動電機，造成其它嚴重后果；如需保障一定的轉矩，需補償定子壓降，但工程中應用較少。故此，在使用變頻器時，應注意控制變頻區間，當需要變頻至較低頻率時，應考慮與系統設備運行進行匹配，即控制設備臺數與變頻器的統一協調，最終達到系統更加合理穩定的節能效果。

例如，某一工程中，空調系統中使用共3臺冷凍水泵(并聯)，兩用一備，水泵額定功率45kW，水泵設計流量326m3/h，揚程34.5m，效率79.2%，實際耗功率38.5kW；當系統所需冷凍水流量僅為原設計的40%時，應采取何種方式更節能呢？方案一，2臺冷凍水泵均變頻至40%，滿足系統水流量需求；方案二，關閉一臺冷凍水泵，運行一臺冷凍水泵且變頻至80%。

方案一，水泵理論功率N1=38.5×2×(0.4)3=4.93kW；

方案二，水泵理論功率N2=38.5×(0.8)3=19.71kW。

從理論值計算看，方案一的能耗小于方案二；但是從交流異步電動機的工作特性分析，由于水泵變頻至較低頻率時，其揚程會隨著頻率的降低急劇降低，這種情況下揚程已滿足不了實際需求。將該水泵在不同頻率狀態、相同效率下水力曲線圖，如圖3～圖7所示，圖中兩條平行曲線分別為滿負荷水力曲線即

圖3 頻率40Hz運行曲線圖

圖4 頻率30Hz運行曲線

圖5 頻率25Hz運行曲線圖

圖6 頻率20Hz運行曲線圖

圖7 頻率15Hz運行曲線圖

100%流量時水力曲線及部分流量時的水力曲線，其下方兩條粗、細線分別為變頻后部分流量時效率曲線及滿負荷效率曲線；通過相同效率、不同頻率下的工況點對比，可以得出以下數據：

當頻率f=40Hz，即流量為原設計流量的80%時，效率79.3%，流量Q=262 m3/h，揚程H=22.2m，耗功率N=19.9kW；

當頻率f=30Hz，即流量為原設計流量的60%時，效率79.4%，流量Q=196m3/h，揚程H=12.6m，耗功率N=8.44kW；

頻率f=25Hz，即流量為原設計流量的50%時，效率79.2%，流量Q=167m3/h，揚程H=8.75m，耗功率N=5.0kW；

頻率f=20Hz，即流量為原設計流量的40%時，效率79.2%，流量Q=134m3/h，揚程H=5.57m，耗功率N=2.55kW；

頻率f=15Hz，即流量為原設計流量的30%時，效率79.4%，流量Q=99.5m3/h，揚程H=3.19m，耗功率N=1.08kW；

將水泵在50Hz，40Hz，30Hz，25Hz，20Hz，15Hz頻率下，運行工況點匯總如表1所示。

表1 運行工況點匯總表

從表1可以看出，方案一雖在耗論率計算上較為節能，但在較低頻率時，其揚程急劇降低，方案一并不能滿足實際工況要求，在實際應用中應謹慎使用。反之，方案二在變頻中處于相對較合理階段，但其揚程

是否能滿足實際工況需求，應以滿足最不利環路最大壓降設備所需的壓力為必要條件進行變頻調節。方案二在系統安全穩定運行角度考慮時顯得會更合理，而且水泵在頻率f=40Hz，即流量為原設計流量的80%時，節能率(與設計工況點相比)已達到48.5%。實際工程應用中，不應一味地追求節能率，忽視電機工作特性，其結果只能是得不償失，應引起重視。

5 結語

通過對變頻器及電機工作特性分析，可以明確變頻器在暖通工程運用時，存在一個合理變頻區域。只有深刻地認知這些特性，才能更好地指導變頻器在暖通空調系統中應用，從而更合理地發揮變頻器在暖通空調系統中節能效果。實際工程應用中也應注意暖通設備變頻與設備運行臺數統一考慮，在整個系統安全、穩定的運行基礎上，實現暖通系統達到更節能的目的。

[1] 顧繩谷.電機及拖動基礎[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] GB50189-2015 公共建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[3] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第二版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

The Application analysis about the Variable-frequency Drive used in HVAC

FUZhibao

(Xiamen New District Architectural Design Institute Co.,Ltd, Xiamen 36100)

This article briefly introduce the significance of frequency converter used in hvac system, introduce the principle of induction motor variable frequency to work and the characteristic. Points out that the frequency converter in hvac applications have a certain reasonable frequency space, and in the actual engineering application should pay attention to the rational use of frequency conversion and equipment sets, and in the variable frequency energy saving must be on the premise of system is stable, safe operation at the same time，analyze the correct application of frequency converter in hvac system.

Variable-frequency Drive; The asynchronous motor; Constant voltage frequency ratio Pump and fans; The energy conservation; Pump variable frequency; Hydraulic curve Security applications

傅志寶(1980.3- )，男，高級工程師。

E-mail:13950076557@139.com

2016-07-29

TU83

A

1004-6135(2016)12-0079-05