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機的速度控制。因為其具有高效率的驅(qū)動性能及良好的控制特性，在各行各業(yè)得到很好的應用。在暖通空調(diào)領(lǐng)域應用變頻調(diào)速技術(shù)，一方面可以極大地節(jié)省水泵或風機的電能，實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能運行；另一方面可以提高系統(tǒng)的運行品質(zhì)，實現(xiàn)高精度控制，滿足對環(huán)境的舒適度和生產(chǎn)工藝過程對環(huán)境的溫、濕度精度要求，從而有效地提高經(jīng)濟效益和產(chǎn)品質(zhì)量。變頻器不僅在大型的通風、空調(diào)、供熱等系統(tǒng)中得到了有效地利用，而且也已進入家電產(chǎn)品中，如家用空調(diào)器，電冰箱等家電設備中都用到了變頻調(diào)速技術(shù)。可以說在暖通空調(diào)領(lǐng)域，凡是有需要速度控制的場合，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用。

    本文僅就變頻器用在泵與風機中的節(jié)能運行機理、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)域中的幾個具體應用方向做一簡單的介紹。

    2　泵與風機應用交流變頻器節(jié)能的運行機理

    2、1　泵與風機的特性

    泵與風機的軸功率N與其流量Q、揚程H(壓力)之間的關(guān)系為：

    N∝Q×H

    當流量由Q1變化到Q2時，電動機的轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，此時Q、H、N相對于轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

    可以看出，泵或風機的軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比。揚程與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，流量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比。

    2、2　系統(tǒng)特性

    流體在管路系統(tǒng)中的特性可以表達成如下的關(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，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　泵與風機的工作點

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

    在設計工況下,泵或風機可以在流量為Q0的條件下向管路系統(tǒng)提供H0的揚程。

    2、4　當需要的流量減少時傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法

    通常泵或風機的容量是按照系統(tǒng)需要的最大要求而設計的，然而在實際應用中，系統(tǒng)大多數(shù)時間里在遠小于設計容量下工作。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是在泵或風機的出口處加裝閥門，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行調(diào)節(jié)。如圖4工作點從0變到1。這種方法簡單有效，但嚴重影響了系統(tǒng)的效率。雖然流量減少了，但消耗在閥門上的損耗增加了，實踐證明，這種調(diào)節(jié)方法在流量減少的情況下，泵或風機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，當需要的流量減少時，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機電動機的轉(zhuǎn)速。在減少系統(tǒng)流量的同時降低了系統(tǒng)阻力，就可以達到既減少流量，又可以極大地減少電動機的軸功率，達到節(jié)能的效果。

    泵或風機的軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，而流量與轉(zhuǎn)速的1次方成正比，故泵或風機的軸功率與流量的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，當流量減小為原流量的80％時，軸功率減少為原軸功率的51％；當流量減少為原流量的60％時，軸功率減少為原軸功率的22％左右。如果和改變泵或風機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、電動機及被控制設備幾部分組成。傳感器用來感測被控設備中的被控參量，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。變送器的作用是把傳感器得到的電信號進行放大、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，它們其實就是一個由單片機組成的微型控制系統(tǒng)。本身具有計算、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)臺電動機的調(diào)頻與工頻之間的切換、被控設備相關(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備。用變頻器輸出的頻率、電壓可變的交流電去驅(qū)動電動機就可以達到電動機的調(diào)速。變頻器一般由供電部分、輸出部分、控制部分、保護部分、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的。十多年以來，變頻器的可靠性越來越強，價格越來越低，應用的領(lǐng)域越來越廣泛。電動機和被控設備一起構(gòu)成了生產(chǎn)過程的動力源和執(zhí)行機構(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)，有時對于一些簡單的控制系統(tǒng)也采用開環(huán)式的控制系統(tǒng)，這時傳感器、變送器和調(diào)節(jié)器由人的五官和大腦來擔任。當觀測到或感覺到系統(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，使電動機的速度改變，從而達到控制被控參數(shù)的目的。

    4　變頻調(diào)速技術(shù)在暖通空調(diào)中的應用

    4、1　變風量控制系統(tǒng)

    空調(diào)系統(tǒng)的設計一般都是按室內(nèi)負荷和室外溫濕度最不利的情況來設計的。但一年中這種設計工況的維持時間只有數(shù)天或數(shù)十小時，絕大多數(shù)情況下都是在非滿負荷下工作。我國目前大部分空調(diào)系統(tǒng)都是采用的定風量系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，當空調(diào)冷負荷變小以后，常采用機器露點不變，再對冷卻的空氣進行不同程度的“再熱”的方法來解決。這種方法雖然可以滿足空調(diào)負荷變化的需要，但都增加了不必要的“再熱”能量，是一種不經(jīng)濟的運行方式。變風量系統(tǒng)在室內(nèi)冷負荷變小的時候，不是增加“再熱”而是用減少風量的方法來適應負荷的變化，即去掉了“再熱”又減少了風機的軸功率，如系統(tǒng)全年均在70％風量下工作，風機耗電約可減少一半，因此是一種節(jié)能的空調(diào)運行方式。在變頻器技術(shù)不成熟以前，改變交流電動機轉(zhuǎn)速的工作非常困難，限制了變風量空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展。隨著變頻器技術(shù)的成熟和價格的降低，變風量空調(diào)系統(tǒng)將得到廣泛的應用。

4、2　變冷水量系統(tǒng)

    在非設計負荷條件下，空調(diào)區(qū)域的需冷量減少，一般是采用二通閥來調(diào)節(jié)末端設備冷水的流量來適應需冷量的變化，在一級泵系統(tǒng)中，流過末端設備的冷水和流過冷機蒸發(fā)器的冷水是串聯(lián)的。通過冷機蒸發(fā)器的水流量是不能低于所需水量額定值的，否則將導致結(jié)冰的危險。一般冷機廠家要求通過蒸發(fā)器的水流量恒定，即定流量工作。為了解決負荷側(cè)變流與冷源側(cè)定流量之間的矛盾，一般采用在供回水管路上設旁通管，在旁通管上裝壓差調(diào)節(jié)器，控制旁通管上的二通閥，即改變旁通水量的方法來解決。這樣雖然可以解決上面的矛盾。但是這種系統(tǒng)水泵的能耗沒有因為需冷量的減少而降低，因此是不經(jīng)濟的。為了達到既變水量又節(jié)能的目的，可以采用二級泵系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中冷源側(cè)采用定流量控制的一次泵，負荷側(cè)增加了采用變流量控制的二次泵。當系統(tǒng)的需冷量減少，二通閥關(guān)小，用戶側(cè)供回水管壓差增大時，降低二次泵的轉(zhuǎn)速以維持用戶側(cè)供回水管壓差的恒定，這樣就達到了節(jié)能的目的。實踐證明采用具有變頻調(diào)速功能的二級泵變流量冷水系統(tǒng)具有顯著的減少輸送能的節(jié)能效果。

    4、3　鍋爐鼓引風機的節(jié)能運行

    設計人員在確定鍋爐鼓引風機的電動機功率時，由于有些系數(shù)的具體數(shù)值難以準確確定，往往會造成裝機容量超過鍋爐最大負荷時所需功率的情況，同時鍋爐不可能總在滿負荷下運行，隨著室外溫度的提高，供暖負荷會有相應的減少，為了適應負荷的變化就要減少燃料的供應量，同時減少鼓引風機的通風量。采用關(guān)小風閥的辦法可以達到減少通風量的目的，但會增加系統(tǒng)的阻力和噪聲，是不經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法。采用變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)鍋爐的實際燃燒情況，通過控制器直接去調(diào)節(jié)鼓引風機的轉(zhuǎn)速就可以達到調(diào)節(jié)風量又節(jié)能的要求。

    據(jù)有關(guān)鍋爐鼓引風機改造工程的實際數(shù)據(jù)，一臺14MW的熱水采暖鍋爐的鼓引風機年節(jié)電可達18萬kWh。

    4、4　采暖與空調(diào)水系統(tǒng)的恒壓點控制

    采暖與空調(diào)水系統(tǒng)的定壓常采用高架開口水箱(膨脹水箱)的方法。但有時會遇到?jīng)]有適當?shù)募茉O位置的困難，這時常采用氣壓罐定壓和補給水泵等方式，氣壓罐定壓占地面積比較大，在鍋爐房面積比較小的地方難以采用。補給水泵定壓又可分為間歇補水定壓和連續(xù)補水定壓。間歇補水定壓的定壓點在上、下限壓力之間波動，通常波動范圍為0.05MPa左右，波動范圍過小，則接觸開關(guān)頻繁動作易于損壞。連續(xù)補水定壓的工作原理如圖12所示。它有兩種工作方式，第一種利用自力式補水調(diào)節(jié)閥，當定壓點6的壓力過低時補水調(diào)節(jié)閥開大，增加進入網(wǎng)路的補水量，使壓力上升到要求的壓力，如壓力過高，補水調(diào)節(jié)閥關(guān)小，減少進入網(wǎng)路的補水量，使壓力下降到規(guī)定值。在這種工作方式下，水系統(tǒng)定壓點的壓力穩(wěn)定，但補給水泵始終以50Hz的頻率工作，是不經(jīng)濟的。第二種方式是把補給水泵改成變頻調(diào)速控制，利用遠傳壓力表測量到的定壓點的實際壓力值與預先設定的控制壓力值在控制器中進行比較，根據(jù)其差別的大小調(diào)整控制器的輸出，進而改變補給水泵運轉(zhuǎn)的速度，達到恒定定壓點的要求。因為補給水泵可以根據(jù)壓力的不同情況在不同的頻率下工作，所以可以節(jié)省補給水泵電動機的能耗。實際工作表明這種定壓方式，控制精度高，定壓點的壓力值可以精確地控制在0.01MPa的范圍內(nèi)。

    4、5　冷卻塔風機的變速控制

冷卻塔風機的作用是驅(qū)動空氣與在冷凝器吸收了熱量的冷卻水強行進行熱濕交換，以使冷卻水降溫后再返回冷凝器進行吸熱。為使制冷設備在一定的負荷范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，必須使進入冷凝器的冷卻水溫度保持穩(wěn)定。對于吸收式制冷機，冷卻水溫度過低將出現(xiàn)溶液結(jié)晶事故。對于大型封閉式離心機組，冷凝壓力過低會引起電機冷卻液流動不暢，可能造成電機局部過熱甚至燒毀。冷卻水溫度過高則會降低制冷機效率。穩(wěn)定冷卻水溫度可以采用調(diào)節(jié)運行臺數(shù)或調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速的方法，也可以采用利用三通閥調(diào)節(jié)通過冷卻塔的水量與通過旁通水量比例的方法。利用三通閥調(diào)節(jié)旁通水量的方法，冷卻水泵的輸送能量并沒有減少，如果把冷卻水泵改成變頻泵，因為流過冷凝器的水量一般情況下不能變化很大，所以變頻的范圍也受到了限制。較好的方法是采用變頻調(diào)速技術(shù)去調(diào)節(jié)冷卻塔風機轉(zhuǎn)速，可以把冷卻水溫度控制在一個比較高的精度范圍內(nèi)，又可以節(jié)省風機的電耗。

    4、6　變頻空調(diào)器

    一般的窗式空調(diào)器或分體式空調(diào)器，采用ON/OFF控制方式，這種控制方式室內(nèi)溫度和濕度會發(fā)生波動，影響人的舒適感。壓縮機在啟動時有很大的沖擊電流，需要配置比連續(xù)運行時更大的電源容量，為了克服以上缺點，近幾年出現(xiàn)了所謂的變頻空調(diào)器，這種空調(diào)器中的控制器根據(jù)傳感器得到的被控房間的溫度值與預先給定的溫度設定值比較，根據(jù)二者的偏差去控制變頻器的頻率輸出，進而改變制冷壓縮機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)被控房間溫度的目的。使用變頻空調(diào)可以達到以下效果：

    (1)在輕負載時，壓縮機在較低轉(zhuǎn)速下工作，相對壓縮機容量，蒸發(fā)器和冷凝器在相對比率較高的情況下工作，整體效率有所提高，因而可以節(jié)能。

    (2)由于使用了變頻技術(shù)，壓縮機的開停次數(shù)減少，制冷系統(tǒng)的壓力變化損耗減少。

    (3)室內(nèi)溫度不再是一個波動值而是在設定值上下一個極小范圍內(nèi)變化。人的舒適度得到了改善。

    (4)減少了電動機的啟動電流，可以增加壓縮機的使用壽命。日本大金公司生產(chǎn)一種所謂的VRV的變頻控制空調(diào)系統(tǒng)，它分成室內(nèi)機和室外機兩部分。室內(nèi)機中由蒸發(fā)器、風機組成。室外機由可變頻的壓縮機、冷凝器、冷凝風機和節(jié)流元件組成。兩邊通過制冷劑管路聯(lián)接。一臺室外機可以根據(jù)需要帶數(shù)臺至十幾臺室內(nèi)機，它強大的自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)配置的實際情況和被控點的溫度情況及時地調(diào)整室外機中壓縮機的轉(zhuǎn)速及制冷劑的流量，使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致高效地工作。該產(chǎn)品還有單冷型、熱泵型和帶熱回收型幾種型式。

    變頻調(diào)速技術(shù)在大型制冷機特別是離心式制冷機中也得到了很好的應用。如美國約克公司生產(chǎn)的離心式制冷機，使用了變頻調(diào)速技術(shù)大大改善了制冷機的調(diào)節(jié)特性。

    5　結(jié)論

    變頻調(diào)速技術(shù)是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展起來的一門新興的應用技術(shù)，具有控制性能好，運行效率高，體積小，操作方便的特點，特別是在泵與風機的控制方面有很好的節(jié)能效果。暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能在整個建筑物耗能中所占的比例日益增大，其中泵與風機的流體輸送能耗又占了很大比例，把變頻調(diào)速技術(shù)應用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，對減少建筑物的整體能耗，提高系統(tǒng)運行效率有很大的意義。同時，應用變頻調(diào)速技術(shù)還可以改進自動控制系統(tǒng)的控制效果，可以提高被控環(huán)境的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝過程對溫濕度的精度要求，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，有很好的經(jīng)濟效益和社會效益。