2013年暖通工程師專業(yè)輔導(dǎo)19

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　　變頻調(diào)速技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

　　1　引言

　　近十幾年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，變頻器已廣泛地用于交流電動(dòng)機(jī)的速度控制。因?yàn)槠渚哂懈咝实尿?qū)動(dòng)性能及良好的控制特性，在各行各業(yè)得到很好的應(yīng)用。在暖通空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，一方面可以極大地節(jié)省水泵或風(fēng)機(jī)的電能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行;另一方面可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高精度控制，滿足對(duì)環(huán)境的舒適度和生產(chǎn)工藝過程對(duì)環(huán)境的溫、濕度精度要求，從而有效地提高經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品質(zhì)量。變頻器不僅在大型的通風(fēng)、空調(diào)、供熱等系統(tǒng)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(diào)器，電冰箱等家電設(shè)備中都用到了變頻調(diào)速技術(shù)?？梢哉f在暖通空調(diào)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(yīng)用。

　　本文僅就變頻器用在泵與風(fēng)機(jī)中的節(jié)能運(yùn)行機(jī)理、變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的一般組成，以及變頻調(diào)速技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域中的幾個(gè)具體應(yīng)用方向做一簡(jiǎn)單的介紹。

　　2　泵與風(fēng)機(jī)應(yīng)用交流變頻器節(jié)能的運(yùn)行機(jī)理

　　2、1　泵與風(fēng)機(jī)的特性泵與風(fēng)機(jī)的軸功率N與其流量Q、揚(yáng)程H(壓力)之間的關(guān)系為：

　　N∝Q×H當(dāng)流量由Q1變化到Q2時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，此時(shí)Q、H、N相對(duì)于轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

　　可以看出，泵或風(fēng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，流量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比。圖1示出泵和風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程與流量的關(guān)系曲線。

　　2、2　系統(tǒng)特性

　　流體在管路系統(tǒng)中的特性可以表達(dá)成如下的關(guān)系式：

　　其中H為管路系統(tǒng)的壓差阻力;P2、P1為流體高、低壓面的壓強(qiáng)，Hz為流體高、低壓面的高差。S為管路系統(tǒng)的阻力系數(shù)，與管路系統(tǒng)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(jī)的工作點(diǎn)

　　根據(jù)管路系統(tǒng)特性所提出的流量及其相應(yīng)的壓頭必須由泵或風(fēng)機(jī)來滿足。將泵或風(fēng)機(jī)的性能曲線和管路系統(tǒng)的性能曲線同繪在一張坐標(biāo)圖上，如圖3所示，兩條曲線相交的點(diǎn)O就是泵或風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。其中O～O′為系統(tǒng)的流動(dòng)阻力。

　　在設(shè)計(jì)工況下，泵或風(fēng)機(jī)可以在流量為Q0的條件下向管路系統(tǒng)提供H0的揚(yáng)程。

　　2、4　當(dāng)需要的流量減少時(shí)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

　　通常泵或風(fēng)機(jī)的容量是按照系統(tǒng)需要的最大要求而設(shè)計(jì)的，然而在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間里在遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)容量下工作。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是在泵或風(fēng)機(jī)的出口處加裝閥門，用關(guān)小閥門加大系統(tǒng)局部阻力即改變管路系統(tǒng)特性曲線的方法來進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖4工作點(diǎn)從0變到1.這種方法簡(jiǎn)單有效，但嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的效率。雖然流量減少了，但消耗在閥門上的損耗增加了，實(shí)踐證明，這種調(diào)節(jié)方法在流量減少的情況下，泵或風(fēng)機(jī)的軸功率基本沒有改變。

　　2、5　變頻調(diào)速的方法

　　如果系統(tǒng)安裝有變頻調(diào)速控制裝置，當(dāng)需要的流量減少時(shí)，不總采用關(guān)小閥門出口的方法，而是利用變頻調(diào)速控制裝置改變泵或風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在減少系統(tǒng)流量的同時(shí)降低了系統(tǒng)阻力，就可以達(dá)到既減少流量，又可以極大地減少電動(dòng)機(jī)的軸功率，達(dá)到節(jié)能的效果。

　　泵或風(fēng)機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，而流量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比，故泵或風(fēng)機(jī)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(dāng)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(dāng)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(jī)出口閥門開度的方法相比，變頻調(diào)速方法的節(jié)能效果是非常明顯的。

　　3　變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的組成

　　暖通空調(diào)中用到的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)一般由傳感器、變送器、調(diào)節(jié)器、控制器、變頻器、電動(dòng)機(jī)及被控制設(shè)備幾部分組成?！　鞲衅饔脕砀袦y(cè)被控設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。變送器的作用是把傳感器得到的電信號(hào)進(jìn)行放大、整形等處理，然后統(tǒng)一調(diào)整為規(guī)則化的電壓，如0V～5V或電流信號(hào)4mA～20mA等作為調(diào)節(jié)器的輸入。調(diào)節(jié)器或控制器，它們其實(shí)就是一個(gè)由單片機(jī)組成的微型控制系統(tǒng)。本身具有計(jì)算、判斷、邏輯分析功能。它有數(shù)字和模擬輸入端、數(shù)字和模擬輸出端，可以在軟件的控制下實(shí)現(xiàn)PID或模糊控制等控制規(guī)律，還可以利用數(shù)字輸出口，指揮數(shù)臺(tái)電動(dòng)機(jī)的調(diào)頻與工頻之間的切換、被控設(shè)備相關(guān)部件的開啟或關(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(shè)備。用變頻器輸出的頻率、電壓可變的交流電去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)就可以達(dá)到電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。變頻器一般由供電部分、輸出部分、控制部分、保護(hù)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(xiàng)的。十多年以來，變頻器的可靠性越來越強(qiáng)，價(jià)格越來越低，應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛。電動(dòng)機(jī)和被控設(shè)備一起構(gòu)成了生產(chǎn)過程的動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用以保證生產(chǎn)或系統(tǒng)工作的正常。以上說明的控制系統(tǒng)是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)，有時(shí)對(duì)于一些簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)也采用開環(huán)式的控制系統(tǒng)，這時(shí)傳感器、變送器和調(diào)節(jié)器由人的五官和大腦來擔(dān)任。當(dāng)觀測(cè)到或感覺到系統(tǒng)的被控參數(shù)發(fā)生偏差以后，用人工的方法去調(diào)整變頻器的給定值，使電動(dòng)機(jī)的速度改變，從而達(dá)到控制被控參數(shù)的目的。