90年代以來，隨著大功率晶體管技術(shù)發(fā)展、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已日趨完善，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用.尤其在暖通空調(diào)領(lǐng)域，這一新技術(shù)在我國也開始推廣應(yīng)用，實(shí)踐證明節(jié)能效益顯著． 1　變頻調(diào)速器 變頻調(diào)速器也稱變頻器，全稱為變頻變壓調(diào)速器VVVFI（variable voltage & variable frequency inverter）.它采用大功率晶體管GTR作為功率元件，以單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，采用SPWM正弦脈寬調(diào)制方式，是電力電子與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品.它將隨著功率元件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)上做到體積小，重量輕；性能上優(yōu)于以往的變極調(diào)速、串阻調(diào)速、串極調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速等交流電機(jī)調(diào)速方式,并且將會(huì)逐步以這種嶄新的調(diào)速技術(shù)取代直流電機(jī)調(diào)速.用交流異步電機(jī)取代直流電機(jī)，將使調(diào)速系統(tǒng)更加簡單. 1．1　用途與功能 變頻調(diào)速器已形成了與電機(jī)相配合的不同功率、不同用途的系列化產(chǎn)品，目前產(chǎn)品已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油、石化、鋼鐵、冶金、礦山、機(jī)械、紡織、建筑、造紙等行業(yè)，適用于水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、機(jī)床等產(chǎn)品的電機(jī)調(diào)速.因?yàn)榕照{(diào)行業(yè)中水泵、風(fēng)機(jī)為必需的設(shè)備，而且耗電量巨大，在全年使用空調(diào)的現(xiàn)代化賓館及辦公大樓中，風(fēng)機(jī)、水泵的用電量占整個(gè)建筑用電量的30%～40%，約占整個(gè)動(dòng)力用電的40%～55%［1］.自90年代以來變頻調(diào)速器在暖通空調(diào)行業(yè)逐漸被大家所認(rèn)識(shí)并采用.它具有多種速度切換、加減速時(shí)間的外部設(shè)定、V/F曲線設(shè)定、轉(zhuǎn)距升高調(diào)整、輸出頻率上、下限幅、頻率跳躍等功能；具有各種接口，能與計(jì)算機(jī)、可編程序控制器及自動(dòng)化儀表聯(lián)機(jī)，并具有遠(yuǎn)程控制的功能. 1．2　性能與優(yōu)點(diǎn) 采用SPWM控制方法，使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場為理想的圓形磁場，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，特別是克服了電壓型逆變器控制中電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)距脈動(dòng)大的缺點(diǎn).變頻調(diào)速器優(yōu)點(diǎn)很多，比如操作簡便、精確可調(diào)、數(shù)字顯示、在線無級(jí)調(diào)速等，但其主要的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)能.變頻調(diào)速器 普通鼠籠式異步電機(jī)=新的高性能調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能裝置. 2　變頻調(diào)速節(jié)能原理 在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械的風(fēng)量、流量控制，過去很少有采用轉(zhuǎn)速控制方式的，多是由鼠籠式異步電機(jī)拖動(dòng)，進(jìn)行恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量時(shí)，實(shí)際采用的辦法是調(diào)節(jié)擋板或節(jié)流閥，這種控制雖然簡單，但從節(jié)省能源的觀點(diǎn)來看，是很不經(jīng)濟(jì)的.采用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵類機(jī)械進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量的方法，對(duì)節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義.變頻調(diào)速器用于水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等的調(diào)速，比如近年出現(xiàn)的變頻調(diào)速的VRV（變冷劑）系統(tǒng)，它們的節(jié)能原理都是相同的. 2．1　變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理 以水泵為例，水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)電的理論之一是水泵學(xué)比例律.由水泵學(xué)比例律可知，對(duì)于同一臺(tái)水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水泵的流量Q，揚(yáng)程H，軸功率P與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系 　　Q1/Q2=n1/n2 ,（1） 　　H1/H2=（n1/n2）2 ，（2） 　　P1/P2=（n1/n2）3 .（3） 流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.由此可見，當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，功率的減少量遠(yuǎn)比流量的減少量大得多.風(fēng)機(jī)也遵循這個(gè)規(guī)律，即風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比.因此，降低水泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，就有可能使單位供水量或風(fēng)量的電耗減少.由電工學(xué)可知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入頻率有如下關(guān)系 n=60f（1-s）/p ,（4） 式中：f為電源頻率;s為滑差率；p為極對(duì)數(shù)；n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速. 變頻器通過改變電機(jī)頻率而達(dá)到無級(jí)調(diào)速的目的 .對(duì)于水泵來說，變頻調(diào)速供水，就是通過壓力變送器檢測管網(wǎng)水壓，并將水壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，反饋給變頻器內(nèi)單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)水壓情況調(diào)整水泵電機(jī)輸入頻率，從而使水泵轉(zhuǎn)速改變.例如，在非高峰供水時(shí)，水泵減速運(yùn)行，從而使水泵輸入功率減少，達(dá)到節(jié)能的目的.這就是變頻調(diào)速供水節(jié)能的基本原理. 2.2　變頻調(diào)速器的自動(dòng)控制 變頻調(diào)速器可以手動(dòng)控制也可以自動(dòng)控制.自動(dòng)控制信號(hào)采用4～20　mA電流信號(hào)或0～5　V電壓信號(hào)；采用閉環(huán)控制的方法可以更好地滿足自動(dòng)控制的要求（如圖1）.流量儀表的氣動(dòng)信號(hào)經(jīng)氣電轉(zhuǎn)換器變換為4～20　mA的電流信號(hào),由變頻調(diào)速器的控制端進(jìn)而來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以改變流量.如果采用的是電動(dòng)儀表，變頻調(diào)速器試用又證明是可靠的，那么圖中的氣電轉(zhuǎn)換器、三通氣開關(guān)以及氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥都可省去，從而控制系統(tǒng)大為簡化.而且流量控制的精度比已往的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制高.根據(jù)要求，變頻調(diào)速器也可采用溫度控制、壓力控制或各種信號(hào)的綜合控制. 2.3　與閥門調(diào)節(jié)相比變頻調(diào)速的節(jié)能分析 采用變頻調(diào)速器后，將泵和管線的閥門全開，用改變電機(jī)電源頻率的方法來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變流量.圖2為水泵以閥門控制或調(diào)速控制時(shí)流量Q與揚(yáng)程H的關(guān)系曲線（假設(shè)管路末端壓頭為零）. 圖2中：曲線1為泵在轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的Q-H性能曲線；曲線2為管路阻力特性曲線;曲線3為關(guān)小閥門，流量為Q2時(shí)的管路阻力特性曲線;曲線4為泵在轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的Q-H性能曲線;A，B，C為水泵的工況點(diǎn). 泵消耗的軸功率為 P=γQH/η ,（5） 式中：γ為流體容重；η為泵的效率. 由式（5）可知，軸功率與Q，H的乘積成正比.因此在工況點(diǎn)A，軸功率與Q1，H1的乘積面積AH1OQ1成正比.根據(jù)工藝要求，當(dāng)流量從Q1減少到Q2時(shí)，如采用閥門調(diào)節(jié)方法相當(dāng)于增加管路阻力，使管路阻力特性變到曲線3，系統(tǒng)由原來的工況點(diǎn)A變到新的工況點(diǎn)B運(yùn)行．從圖2中可以看出，壓頭反而增加為H2，軸功率與面積BH2OQ2成正比，顯 然減少不多.如果采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速由n1降到n2.泵在轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的Q-H性能曲線如曲線4所示，可見在同樣流量Q2時(shí)，壓頭H3大幅度降低，功率（與面積CH3OQ2成正比）明顯減少，節(jié)省的功率與面積BH2H3C成正比,很顯然節(jié)能效益顯著.即便考慮到因轉(zhuǎn)速的降低而引起效率的降低及附加控制裝置的效率的影響等，但節(jié)電效果仍十分明顯.此外，電機(jī)消耗的功率不僅決定于泵，還和調(diào)速的方法有關(guān).如果電動(dòng)機(jī)的滑差損耗很大，節(jié)電效果就大打折扣了.變頻調(diào)速器是一種高效調(diào)速裝置，它與滑差調(diào)速、液力偶合器調(diào)速不同，沒有滑差損耗，本身的固有損失僅為1%～2%，因此變頻器的輸入功率在任何速度下都近似等于泵的軸功率.對(duì)泵、風(fēng)機(jī)等流體機(jī)械，流量或風(fēng)量是與轉(zhuǎn)速成正比的，而軸功率是與轉(zhuǎn)速的立方成正比的，因此 　　P=（n/ne）3Pe=（Q/Qe）3Pe ，（6） 　　式中：ne，Qe，Pe分別為泵的額定轉(zhuǎn)速、額定流量和額定軸功率. 由式（3）可知，采用變頻調(diào)速時(shí)，變頻器消耗功率為 　　P變頻 =P=（Q/Qe）3Pe 　.（7） 　　如果采用閥門調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)消耗功率近似為 　　P電 =（0.4 0.6Q/Qe）Pe　.（8） 　　從式（7）和式（8）可見，當(dāng)流量Q變?yōu)轭~定流量的50%時(shí)，采用變頻調(diào)速時(shí)消耗功率為0.125Pe.采用閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗功率0.7Pe，節(jié)電率為82.1%，節(jié)電效果是很可觀的. 2.4　在空調(diào)水系統(tǒng)中采用變頻器的節(jié)電效果 在一大型商場的空調(diào)水系統(tǒng)中，采用一臺(tái)37　kW的水泵及一臺(tái)變頻器，經(jīng)測試后，變頻調(diào)速消耗功率為9.42　kW（f=28　Hz）,閥門調(diào)節(jié)控制消耗功率為36.42　kW,節(jié)電率為74.1%，年節(jié)電量為21.6　萬kW.h,電價(jià)按0.5　元/（kW.h）計(jì)，則年節(jié)約資金為10.8萬元；若選用價(jià)格為3.85　萬元的VFA-050-3型變頻器，則靜態(tài)投資回收期為4.3個(gè)月. 3　結(jié)　論 理論和實(shí)踐證明，在空調(diào)水系統(tǒng)中采用變頻器具有顯著的節(jié)能效果.在空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)中變頻器控制空調(diào)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行節(jié)電率可以達(dá)到39%［2,3］.除此以外，變頻器還可用于鍋爐補(bǔ)水系統(tǒng)、供熱外網(wǎng)以及制冷系統(tǒng)中，同樣都可以起到比較顯著的節(jié)能效果.事實(shí)上，變頻器除了可以節(jié)電以外，還有許多優(yōu)點(diǎn).由于變頻器采用微機(jī)控制，具有16種電壓-頻率特征曲線可供選擇，因而拖動(dòng)各種不同性質(zhì)的負(fù)荷均能進(jìn)入最佳運(yùn)行狀態(tài).電機(jī)的加速和減速時(shí)間能根據(jù)負(fù)荷的要求來調(diào)整，在啟動(dòng)運(yùn)行過程中做到了軟起動(dòng)，避免了泵的抽空現(xiàn)象.變頻調(diào)速又屬于無級(jí)調(diào)速方式，在運(yùn)行穩(wěn)態(tài)過程和運(yùn)行調(diào)節(jié)過程中能起到顯著的節(jié)能效果.此外還可降低起動(dòng)電流，提高功率因數(shù)，對(duì)電機(jī)有多種保護(hù)功能.但變頻器也有缺點(diǎn)，比如變頻器對(duì)智能控制的電信號(hào)有干擾、價(jià)格較高等.目前，變頻器的可靠性在不斷提高，價(jià)格也有所降低，而且對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)加裝變頻器無需改變電路結(jié)構(gòu)，所以它在暖通空調(diào)系統(tǒng)中必將得到廣泛應(yīng)用. 參考文獻(xiàn) 1　葉森林.變頻變壓技術(shù)在日本高層建筑動(dòng)力節(jié)電中的應(yīng)用.暖通空調(diào)，1989，（3）：24 2　于　洋，付麗君.變頻調(diào)速器在紡織廠空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用.節(jié)能，1998，（3）：33 3　林　強(qiáng).化纖紡織廠中空調(diào)機(jī)組節(jié)能問題的系統(tǒng)分析. 節(jié)能，1998，（7）：3～6