变频调速系统节能的原理及实际应用

　　变频就是改变供电频率，从而调节负载，起到降低功耗，减小损耗，延长设备使用寿命等作用。变频调速在空调节能中被广泛应用。本变频论文阐述了变频调速节能的原理，并对各种空调系统的变频调速进行了阐释和设计，分析各种空调系统适合什么样的变频调速系统，为变频调速系统的市场前景提供依据。

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　　文章阐述了变频节能的原理，并以电信大厦的中央水冷空调为例介绍使用变频器后取得的良好节能效果，同时提出了应用变频节能可能存在的问题及相应的处理方法，为今后推广使用变频技术提供依据。

　　关键词：变频调速;中央空调;节能;耗电量计算

　　随着经济的发展，现代建筑越来越多地采用高层设计。其中中央空调用电占总用电的50%～60%左右，用电成本的居高不下，导致运行费用非常高昂。根据国家倡导创建低碳社会的要求，节约用电是节能的一个重要环节，因此如何有效地降低空调的运行费用成为目前迫切需要解决的问题，从目前国内外高层建筑空调运行技术来看，较为有效的节能措施就是采用变频调速技术。

　　一、变频调速原理

　　从原理上变频器结构比较简单，变频器先将直流电转换为交流电，然后用逆变桥将其再转换为变频、变压的交流电源。三相电源在全波整流器整流后变成直流电，在直流回路的电容器能够降低电压波动，且在短时间的电源断路情况下能够继续提供能量。直流电压运用脉宽调制(PWM) 技术被转换为交流。通过改变IGBT的开关时间，能够得到理想的电流。输出电压为一系列的方波脉冲，电机绕组的电感使其变成正弦的电机电流。

　　二、变频调速的节电原理

　　由于中央空调系统在设计时是按现场最大需求量来考虑的，冷水机组是按照最大负荷配置并有一定富裕，其冷却泵、冷冻泵、冷却塔风机和空调末端也是按照最大工况来考虑的，在实际使用中有90%多的时间，冷水机组、冷却泵和冷冻泵都工作在非满载状态下;通过调速方法来调节流量，由于风机、水泵类负载，轴功率与转速成立方关系(公式1)：

　　式中：n1，n2——电机转速;G1，G2——水流量;H1，H2——水泵扬程;N1，N2——水泵轴功率。

　　由上可见，风机、水泵类负载，轴功率与转速成立方关系，当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降。另外变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对系统的平稳调节，使系统工作状态稳定，并延长设备的使用寿命。

　　三、变频调速系统的选择和设计

　　(一)大楼空调系统组成

　　1.冷冻机组。冷冻机组是中央空调的制冷源，通过各个房间的循环水由冷冻机组进行内部热交换，降温为冷冻水。如大厦的中央空调系统由8台YORK离心式冷水机组组成，冷冻站总制冷量为4300Rt/h。

　　2.冷冻水循环系统。冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在各个机房内进行热交换，带走设备和房间的热量，保证机房合适的温度。从冷冻机组流出，进入机房的冷冻水简称为出水，流经机房后回到冷冻机组的冷冻水简称回水。大厦冷冻水系统分为低区、中区、高区三个系统，低、中区为机房，高区为办公区，冷冻水总循环量2610m3/h。

　　3.冷却水循环系统。冷却水循环系统由冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，放出大量热量，这些热量被冷却水吸收，使得冷却水温升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，在冷却塔内与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷冻机组。大厦冷却水总循环量 3260m3/h，设计为单环路系统。

　　4.中央空调变频调速系统的控制依据。如果将上述系统改造为变频调速的系统，则可节约大量的能量，并且温度调节的手段和方法也大为增加。冷冻泵和冷却泵是中央空调的重要组成部分，中央空调系统的外部热交换由两个循环水系统来完成。循环水系统的回水与出水温度之差，反映了需要进行热交换的热量程度，因此，根据回水与出水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制进行热交换的速度，是比较合理的控制方法。

　　(二)空调变频调速系统的设计和选择

　　1.变频调速设计原则。空调的水循环系统由若干台水泵组成，采用全变频方案，即所有的冷却泵和冷冻泵都采用变频调速。

　　2.变频调速系统设计的基本内容。变频调速系统是一种电力拖动系统，在中央空调系统中，负载的转距与转速的二次

　　方成正比，而且绝大多数的风机和水泵在出厂时都配好了电动机，所以采用变频调速时，一般不再另配电动机，最主要的问题是如何取得最佳的节能效果，如何预置变频器的功能也是比较重要的。

　　变频调速系统的应用设计主要涉及以下内容：(1)确定负载性质和负载范围，明确工艺过程对调速系统性能指标的要求，并根据工艺过程对调速系统性能指标的要求，并根据这些要求确定拖动系统的结构性方案;(2)根据电动机的类型、容量和负荷性质选择变频器的类型、容量和型号，由于变频器厂家大多提供风机、水泵专用变频器，选用非常方便;

　　(3)选择变频器运行的相关参数，给出设定值或调试建议值;(4)选择变频器的外围设备，确定外围选配件的规格型号;(5)设计相关的控制电路;(6)完成接线图、布置图、设备清单、设计说明和使用操作说明等电力拖动系统设计所要求的各项内容。

　　3.变频调速系统设计的要求。一个变频调速系统的设

　　计，需要明确生产过程的工艺对系统拖动的要求。这些要求基本有以下几个方面：(1)工艺对调速范围的要求;(2)负载的性质和调速范围那负载的机械特性;(3)电动机在变频调速后的机械特性：该机械特性在保证稳定运行下所具有的转距和功率，应比对应情况下负载的转距和功率要大一些，即电动机在调速范围内具有带载能力;(4)机械特性的硬度和转差率要求。

　　4.变频器的选择。变频器的选择要根据负荷的类型和环境来进行，变频器不是在任何情况下都能正常使用，必须对负载、环境要求和变频器进行充分了解，电动机所带动的负载不一样，对变频器的要求也不一样。 (1)风机和水泵是最普通的负载：对变频器的要求最为简单，只要变频器容量等于电动机容量即可(空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加大容量);(2)起重机类负载：这类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器有一定余量。同时，在重物下放肘，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用母线方式;(3)不均行负载：有的负载有时轻，有时重，此时应按照重负载的情况来选择变频器容量，例如轧钢机机械、粉碎机械、搅拌机等;(4)大惯性负载：如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因此启动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。应该用容量稍大的变频器来加快启动，避免振荡。配合制动单元消除回馈电能;(5)另外，变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障或缩短使用寿命;变频器与驱动马达之间的距离一般不超过 50m，若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转。

　　根据上述要求，考虑大厦中央空调系统的11台冷却水泵和11台冷冻水泵均是普通负载，其中冷却水泵电机功率为75kW，冷冻水泵电机为55kW;现场全部选用了三菱F500系列的变频器，具体资料如下：

　　三菱FR-F500系列(水泵、风机专用型)

　　型号：FR-F540-75K-CH

　　适用电机容量(kW)：75?;适用类型：风机、水泵

　　额定容量(kVA)：110，额定电流(A)，144

　　输过载能力(注3)：120% 60s，150% 0.5s (反时限特性)

　　出电压(注4)：三相，380～480V，50Hz/60Hz

　　再生制最大值/时间：15%

　　动转矩允许使用率：连续

　　额定输入交流电压，频率：三相，380～480V，50Hz/60Hz

　　交流电压允许波动范围：323～528V，50Hz/60Hz

　　电源允许频率波动范围：±5%

　　5.变频器数据设置和调整。三菱F500系列的变频器运行参数调整如下：

　　(1)最高频率(FUN04)是变频器所能输出的最高频率。设定最高频率时，要注意不要超过电机所能承受的最高频率。最高频率一般设定为电机的额定频率，考虑电信大厦的冷却泵和变频器功率一样，为了防止变频器过负荷工作，最高频率统一设置为45Hz;冷冻泵功率由于比变频器功率小，所以最高频率统一设置为50Hz。

　　(2)转折频率(FUN05)是变频器开始输出额定电压的最低频率。从转折频率起输出电压保持不变，可在最高频率范围内设定，所以大厦的冷冻泵和冷却泵变频器设置均为30Hz。(3)起始频率(FUN06)是变频器开始输出电压的最低频率。大厦的冷冻泵和冷却泵变频器设置均为30Hz。(4)变频器的PID功能设置：大厦空调水系统选用电流(4～20mA)传感器，由温度传感器反馈的水信号(4～20mA)直接送入PLC的A/D口(可以通过手持编程器)，设定给定值(冷冻水进水为12℃，出水为7℃，冷却水水温度为30℃)，PID其余参数值采用变频器默认值，通过PLC计算完成系统控制;运行模式则通过设定参数P128来确定，P128=0为普通的V/F控制方式，P128=20或21为PID控制方式，现场设置为P128=20;系统参数在实际运行中略作调整，使系统控制响应趋于完整。

　　四、变频器在空调系统的应用效果

　　(一)变频器应用实例

　　电信大厦就是比较具有代表性的一幢高层建筑。楼高232m，地下2层、地上41层，建筑面积约80000m2，集机房和办公功能于一体，其中1楼到21楼为机房，机房设备发热量大，空调负荷很大，同时要求空调系统连续运行，不容许间断，对空调的运行要求非常苛刻;22楼以上为办公用房，夏天要求制冷，冬季要求供暖。

　　为了满足上述的要求，大厦的中央空调根据冷冻水系统分为低区、中区、高区三个系统，低、中区为机房，高区为办公区。系统由8台YORK离心式冷水机组组成(高、低区各三台冷水机组，中区两台冷水机组)，冷冻站总制冷量为4300Rt/h(1 Rt/h≈3.52kW)，冷冻水总循环量2610m3/h，冷却水总循环量3260m3/h，冷冻水系统和冷却水系统均设计为变流量系统。低区系统如图 1所示：

　　图1 大厦低区空调系统图

　　目前，变频器的控制方法来看，大体分为压力控制法和温度控制法两大类，它们的特点是：压力法技术较低，成本较高，节电率为20%～30%，温度法由于要涉及纯滞后等问题，技术要求高，但成本低，节电率为45%～55%。

　　大厦中央空调主要是水泵类负载，所以可以采用普通功能型U/f控制变频器，现场选用了22台三菱F500变频器，现场安装了温度闭环控制系统，变频器会根据温度探头监测到水温数据改变输出频率，控制所以水泵的循环水量，达到“节省能耗”的目的。

　　大厦中央空调变频器具体配置情况见表1：

　　表1 大厦中央空调变频器具体配置表

　　功率 台数 选用变频器型号 变频器台数

　　低区 YORK机组 580RT 3

　　冷却水泵 75kW 4 F500 4

　　冷冻水泵 55kW 4 F500 4

　　中区 YORK机组 530RT 2

　　冷却水泵 75kW 3 F500 3

　　冷冻水泵 55kW 3 F500 3

　　高区 YORK机组 580RT 3

　　冷却水泵 75kW 4 F500 4

　　冷冻水泵 55kW 4 F500 4

　　从实际运行情况来看，变频器频率可调范围为50～30Hz，所以变频的范围为100%～60%，耗电指标范围为100%～30%，耗电可节约60%左右，如图2所示：

　　图2 水泵耗电量变化曲线

　　我们知道，冷却塔风机在单一工频运行情况下，会造成水温过低，造成不必要的能源浪费;目前电信大厦中央空调系统有8台冷却塔，可以考虑节能改造，采用一台变频、多台定频控制的方式，即第一台风机变频运行，当负荷不够时，第二台风机定频启动，第一台继续变频运行，如果负荷还不够，继续启动凉水塔风机，如此可以使风机和水温较好的匹配，达到节能目的，此项工程在条件具备情况下可以进行实施。

　　(二)采用变频技术后的节能效果

　　通过大厦的变频节能情况进行了跟踪测试和数据分析，以下是我们对低区空调系统的测试数据分析情况：

　　1.6月26日变频运行，6月27日进行定频运行，当时的室外温度条件基本一致，主机在工频运行与变频运行时耗电量，只有约1.06%的差别，可以当成误差，也就是两种工况下对主机运行功率没有太大的影响。冷冻泵在变频运行时节电约42.23%，冷却泵在变频运行时节电约30.94%，如图3所示;一天内可以节能电1296度，折合合电费1114元，总节电率为13.28%。

　　图3 节电情况比较一

　　图4 节电情况比较二

　　6月29日变频运行，6月30定频运行，两天内室外温度条件基本一致，主机在工频运行耗电量，比在变频运行高出9.8%，也就是两种工况下变频运行时主机运行耗电量还要小点。冷冻泵在变频运行时节电约44.14，冷却泵在变频运行时节电约26.57%，如图4所示;一天内可以节能电1900度，折合电费1634元，总节电率为19.63%。

　　由此可见，采用变频技术后，节能效果非常可观。

　　(三)对循环水泵实施变频调速后的优点

　　1.对空调系统而言，确保冷水机组进出水温差、压差在最佳工作范围，流量可根据负荷需要自动调节，并消除截留损失，消除系统的瞬流干扰，消除系统的有害超负荷，不但能有效节能，而且能有效地控制主机及空调系统工作效率，大大减少设备发生故障的次数，改善整个空调系统的工作状况。

　　2.实现电机软启动和设备软运行，并实现了过压、过流、缺相等多种保护功能，消除了电流、电弧冲击，大幅度减少了设备损耗和降低了温升及噪音，从而保护了电网系统，延长了设备寿命，减少了可能发生事故的次数，减少了维修费用。

　　五、测试分析

　　1.从大厦的测试数据可以看出，空调水泵的耗电量在工频运行状况下，可占中央空调空调系统总耗电量的33.92%～39.33%，在变频状态下，占中央空调空调系统总耗电量降到30%以下，所以水泵节能非常重要，节能潜力也比较大。

　　2.大厦只是对冷却水泵及冷冻水泵加装了变频器，空调主机并没有装变频器，在记录数据时同时将空调主机的运行参数及电流也记录下来就是为了对比水泵在变频运行及工频运行时对主机的影响。从以上测试数据可以看出，主机的能耗在变频运行状态下会略有下降，因此可以证明对水泵加装变频器不会增加主机的能耗。主机耗电量的大小与负荷有直接的关系。

　　3.从以上测试数据可以看出，冷却水泵及冷冻水泵在变频运行状态下节能效果明显，因此可以说明加装变频器是有节能效果的。以大厦为例，以一天节省电费1000元计算，大楼空调系统一年360天在运行，一年就可以节能36万元，这还是以较热的天气为基础估算的，冷天节能效果会更明显。

　　4.由于空调系统一般是按最大负荷设计安装，室外环境对空调系统影响很明显。在夏季空调系统负荷率就高，在冬季空调系统负荷率低，节能效率更明显，水泵节能率可达60%以上。室外温度越低，空调系统变频节电越明显。同时主机功率及水泵功率冗余越大，变频节电也越明显。

　　5.变频器的运转对水泵及空调系统可能会产生的负面影响。运行中可能出现的问题主要表现为：谐波问题、噪声、振动、负载匹配、发热等问题;应该有从多方面考虑减少这些问题的发生，保证空调系统的稳定正常运行。

　　6.另外不建议对空调主机安装变频器，原因是：从成本来考虑，变频器的选择是与功率相匹配的，功率越大，成本越高。同时空调主机自身是非常复杂的智能控制系统，它的运转是随外界的负荷进行自动调节，对空调主机加装变频器有可能会影响主机的正常运行，也得不到空调主机制造商的认同。

　　六、结语

　　从大厦实验得出的数据可以知道，变频调速技术是一种有效的空调节能手段。通过采用变频调速技术，可以有效地降低空调能耗，达到增收节支、降低运营成本的目的。

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文章名称： 变频调速系统节能的原理及实际应用

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