变频调速技术在现代楼宇中的应用

摘要：本文简介了变频调速技术在现代楼宇科技中应用的部分实例
关键词：变频调速 节能 压力 温度
交流变频调速技术是集电子、自动控制、微电子、电机学等技术之大成的一项先进技术。它以其优异的调速性能、显著的节能效果被广泛应用在各个领域，是电气传动的发展方向。
商业楼宇等大中型楼宇大约要用去所有建筑物用电量的19%，这其中的1/4为各类电动机所消耗。一个大型建筑中用于泵类和风机类的电机是主要负荷，其中多数是适合于采用调速运行的。传统做法是风机、泵类采用交流电动机恒速传动，靠调节风闸和阀门的开度来调节流量，这种调节的方法是以增加管网的损耗，耗用大量的能源为代价的。如果改用调节电机转速的办法来调节流量，就从根本上克服了电能的浪费。随着电力电子技术的飞速发展，变频调速技术已日臻完善。它不仅仅可以大幅度节能，而且在改善机械性能、实现完善的自动控制、环境保护等多方面都有显著的效果。下面仅就笔者在楼宇自控中应用变频调速技术的部分实例简要介绍给大家。
1 在冷冻水循环泵上的应用
现代大厦都采用集中供冷（水），而分散的中央空调机组和众多的风机盘管，随时都在调节过程中，冷冻水使用量在不断变化过程中。如果没有自控措施，系统压力会很不稳定，甚至使系统不能正常工作。一般传统做法是在冷冻水的分水缸和集水缸之间加装一套压力旁通控制装置，这样做虽然也能解决压力平衡问题，但很不经济。如果改用变频调速技术来控制冷冻水循环泵的转速（即改变冷冻水流量）来跟踪冷冻水的需求量，便可以取消旁通水量，更好地解决压差平衡，并能大大地节约能源。具体做法是：在供水管和回水管之间加装一只压差传感器，将压差数值转换成4-20mA的标准信号，送到变频器的模拟量输入端，经变频器的数据处理系统计算并与设定压力值比较后，给出比例调节（PID）后的输出频率，以改变水泵电机的转速来恒定供回水管之间压差的目的，形成一个完整的闭环控制系统。当管道用水量加大时，管道压差会有所下降，自控环节令变频器输出频率有所上升，电机转速随即上升，使管道压差回升至设定值；反之，频率会降低，管道压差相应回落，最终达到供回水压差恒定的目的。该系统可有多台循环水泵组成。配置一台智能控制器，实现一台变频器四泵联用，三泵联用，一用一备，两用一备等等。图1 是三泵联用的简图。

当给出启泵指令后，K1接通1号泵，使其变频软启动；若工作频率升至50Hz管道压差未达到设定值，一定延时后，会自动快速切断K1接通K2，将此泵切入工频电路运行，并自动接通K3，使2号泵接入变频启动并运行，跟踪管道压差的设定值，如2号泵工作频率上升至50Hz仍达不到设定压差时，则同样顺序启动3号循环泵。相反的过程是当冷冻水用水量下降时，管道压差会有所提高，自然是要求降低频率，当频率降低到一定值（如10Hz）则经一定延时会自动切出上一台运行在工频上的循环泵，如果输出的频率再一次低到10Hz，则再切出一台运行在工频的循环泵。总之始终保持有一台循环泵运行在变频状态。由于是循环控制泵的启停顺序，因而泵的使用率也是均匀的。相应冷冻机组的冷却水循环泵也可类似控制。由于所有的泵都是软启动，所以节省了减压启动器等，且压差旁通控制装置也被省去，所以初装费用已可以和装压差平衡阀的方案相比较，更何况变频调速还具有可观的长期节省运行费用的经济效益。
2 在补水定压装置中的应用
我国采暖系统普遍采用高架屋顶膨胀水箱补水定位，但高架水箱管理不便，与大气联通又引来管道氧化腐蚀问题，后来有改进，用电接点压力表控制落地膨胀水箱，装置就近设在循环泵房方便了管理。气压罐隔绝了空气，减轻了管道的氧化腐蚀问题。但它仍有不足之处，主要是近年来集中供热（冷）系统越来越大，管线长、用户多、失水量增加，补水量较大，因此，补水泵启停频繁，泵的寿命降低；又因为系统静压力始终处在上、下限之间的控制区，所以压力有波动。变频调速控制的补水系统则可理想地解决上述的不足。见图2 软水箱设在循环泵房内。

设在回水管路上的压力传感器、变频器、补水泵形成一个闭环系统，将压力设定值设在系统的静水压力要求值上，以系统的瞬时失水量引起的压力值变化来控制变频器的频率输出值，自动调节水泵的转速，使循环水系统补水点压力恒定在系统要求的静水压力值上，其波动甚微。由于补水泵的功率较小，而且省去了气压罐，变频器的投资也不大，不到一年即可在节能运转中收回全部投资。而且水泵运转低速平稳，使用可靠寿命大大延长。可以预见这种变频控制的技术必将成为水系统补水压的主要手段。
3 在风泵（风机）中的应用
尾气排风机的排风量要求是根据换气次数标准计算出来的，它必须满足“最大需求量”原则。但事实上一个环境的排风量需求并不是一个定数。例如地下车库，不同的时段，不同的情况，停车量是变化的，即排放的量也在变。所以我们可以给风机加装一台变频器来改变风机转速、改变排风量，如图3 所示，用CO2传感器检测车库空气质量，并控制变频器输出，使风机的转速（排风量）始终对应于指标即可，风机无需始终运行在最高速来排风，这样既节省能源也减少了噪音污染。

如果是排风和消防合用的风机，也无须双速风机来解决不同排风量的要求，完全可用变频调速获得所需的排风转速。还可以省出一套繁琐的联动控制系统。
4 在楼宇消防给水设备中的应用
消防水管路系统中的消防水始终应保持一定值的压力，图4 中的1号泵和2号泵为小功率稳压泵，3号泵和4号泵为大功率消防泵。

平时，1、2号泵交替工作。1（2）号泵和变频器以及装在管路上的压力传感器构成一个闭环系统，泵的转速始终跟踪设定的消防压力值，所以能保证平时稳定的消防压力要求值。当出现火警打开消防栓时，水流开关被水流推动发出信号，通过控制箱启动3号或4号消防泵（3、4号互为备用）。本系统简捷、运行平稳可靠，克服了以前靠电接点压力开关，配气压罐来维持消防压力的方案中，稳压泵启停频繁、压力不稳、设备易损坏等问题。
5 在变风量空调中的应用
A. 日前曾为中国大饭店（国贸）做了一例空调改造项目，采用了变频调速技术，达到很好的效果。这是一套德国生产的中央空调系统，空调机组送风机集中给九个多功能厅供风，并由风机通过集中的回风道驱动回风。通过测取的回风温度，与设定温度值比较，对冷冻水阀的开度进行比例（PID）调节，控制冷冻水流量来调节表冷器的冷（热）交换量，实现定温送风。各厅温度的调节是通过改变进风门和回风门的启、闭控制入厅的风量来控制的。设在各厅的温控器控制着风门的启闭（各温控器可独立设置室温）。由于九个多功能厅的大小不一，使用情况也经常变化，有时用满了九个厅，有时只用一个厅，用风量变化很大。但机组不管用风量多少，都得全风量送风，造成很大浪费。特别是厅开得少时，风道中风压过高，厅内气流声很大，不能适应高档厅室的要求，为此必须改造。
改造的中心要求是：要事系统能随时改变供风量，以适应风量需求的变化，同时也考虑到显著的节能效果。我们给送风机配备了一台西门子MDV变频器，给回风机配备了一台松下DV707H变频器，用来改变送风机和回风机的转速，由此控制送风量和回风量。设在送风主管道中段位置的压力传感器，把主风道中的静风压力值转换成4 ~ 20mA标准信号，送到送风机变频器上，构成一个闭环控制系统，送风压力始终稳定在设定压力值。当九个厅全开时，输出频率约为48Hz左右，当开二个厅时，工作频率降至25Hz左右，电机工作电流明显下降，节能效果良好。更重要的是风压始终稳定、适度，实现了静音。
为保持厅内压力的舒适，回风量应与送风量同步调节。故将回风机变频器的控制信号取自送风机变频器的输出，实现“同步比例调频”。借助于变频调速技术完美地实现了此项改造目的。
B. 在空调机组上控制热交换量，习惯都是调节电动阀控制冷（热）媒流量来实现的。变风量空调的冷（热）媒流量只用一只普通的手动调节阀来控制，在运行时流量相对固定。由于送风机采了变频调速，空调机组中的风量、风速得到了控制，则热交换量也得到了控制。由于变频器受控于回风温度（或被控环境温度）并与风机形成闭环系统，所以能达到稳定被控环境温度的目的。这种空调控温性能好，噪音小，耐用，而且节能效果好。
6 应用变频调速定压供水的电路实例
本例以西门子MidiMaster Vector型变频器为例，说明系统的接线原理，见图5 。