變頻調速技術在現代樓宇中的應用

摘要：本文簡介了變頻調速技術在現代樓宇科技中應用的部分實例
關鍵詞：變頻調速 節能 壓力 溫度
交流變頻調速技術是集電子、自動控制、微電子、電機學等技術之大成的一項先進技術。它以其優異的調速性能、顯著的節能效果被廣泛應用在各個領域，是電氣傳動的發展方向。
商業樓宇等大中型樓宇大約要用去所有建筑物用電量的19%，這其中的1/4為各類電動機所消耗。一個大型建筑中用于泵類和風機類的電機是主要負荷，其中多數是適合于采用調速運行的。傳統做法是風機、泵類采用交流電動機恒速傳動，靠調節風閘和閥門的開度來調節流量，這種調節的方法是以增加管網的損耗，耗用大量的能源為代價的。如果改用調節電機轉速的辦法來調節流量，就從根本上克服了電能的浪費。隨著電力電子技術的飛速發展，變頻調速技術已日臻完善。它不僅僅可以大幅度節能，而且在改善機械性能、實現完善的自動控制、環境保護等多方面都有顯著的效果。下面僅就筆者在樓宇自控中應用變頻調速技術的部分實例簡要介紹給大家。
1 在冷凍水循環泵上的應用
現代大廈都采用集中供冷（水），而分散的中央空調機組和眾多的風機盤管，隨時都在調節過程中，冷凍水使用量在不斷變化過程中。如果沒有自控措施，系統壓力會很不穩定，甚至使系統不能正常工作。一般傳統做法是在冷凍水的分水缸和集水缸之間加裝一套壓力旁通控制裝置，這樣做雖然也能解決壓力平衡問題，但很不經濟。如果改用變頻調速技術來控制冷凍水循環泵的轉速（即改變冷凍水流量）來跟蹤冷凍水的需求量，便可以取消旁通水量，更好地解決壓差平衡，并能大大地節約能源。具體做法是：在供水管和回水管之間加裝一只壓差傳感器，將壓差數值轉換成4-20mA的標準信號，送到變頻器的模擬量輸入端，經變頻器的數據處理系統計算并與設定壓力值比較后，給出比例調節（PID）后的輸出頻率，以改變水泵電機的轉速來恒定供回水管之間壓差的目的，形成一個完整的閉環控制系統。當管道用水量加大時，管道壓差會有所下降，自控環節令變頻器輸出頻率有所上升，電機轉速隨即上升，使管道壓差回升至設定值；反之，頻率會降低，管道壓差相應回落，最終達到供回水壓差恒定的目的。該系統可有多臺循環水泵組成。配置一臺智能控制器，實現一臺變頻器四泵聯用，三泵聯用，一用一備，兩用一備等等。圖1 是三泵聯用的簡圖。

當給出啟泵指令后，K1接通1號泵，使其變頻軟啟動；若工作頻率升至50Hz管道壓差未達到設定值，一定延時后，會自動快速切斷K1接通K2，將此泵切入工頻電路運行，并自動接通K3，使2號泵接入變頻啟動并運行，跟蹤管道壓差的設定值，如2號泵工作頻率上升至50Hz仍達不到設定壓差時，則同樣順序啟動3號循環泵。相反的過程是當冷凍水用水量下降時，管道壓差會有所提高，自然是要求降低頻率，當頻率降低到一定值（如10Hz）則經一定延時會自動切出上一臺運行在工頻上的循環泵，如果輸出的頻率再一次低到10Hz，則再切出一臺運行在工頻的循環泵。總之始終保持有一臺循環泵運行在變頻狀態。由于是循環控制泵的啟停順序，因而泵的使用率也是均勻的。相應冷凍機組的冷卻水循環泵也可類似控制。由于所有的泵都是軟啟動，所以節省了減壓啟動器等，且壓差旁通控制裝置也被省去，所以初裝費用已可以和裝壓差平衡閥的方案相比較，更何況變頻調速還具有可觀的長期節省運行費用的經濟效益。
2 在補水定壓裝置中的應用
我國采暖系統普遍采用高架屋頂膨脹水箱補水定位，但高架水箱管理不便，與大氣聯通又引來管道氧化腐蝕問題，后來有改進，用電接點壓力表控制落地膨脹水箱，裝置就近設在循環泵房方便了管理。氣壓罐隔絕了空氣，減輕了管道的氧化腐蝕問題。但它仍有不足之處，主要是近年來集中供熱（冷）系統越來越大，管線長、用戶多、失水量增加，補水量較大，因此，補水泵啟停頻繁，泵的壽命降低；又因為系統靜壓力始終處在上、下限之間的控制區，所以壓力有波動。變頻調速控制的補水系統則可理想地解決上述的不足。見圖2 軟水箱設在循環泵房內。

設在回水管路上的壓力傳感器、變頻器、補水泵形成一個閉環系統，將壓力設定值設在系統的靜水壓力要求值上，以系統的瞬時失水量引起的壓力值變化來控制變頻器的頻率輸出值，自動調節水泵的轉速，使循環水系統補水點壓力恒定在系統要求的靜水壓力值上，其波動甚微。由于補水泵的功率較小，而且省去了氣壓罐，變頻器的投資也不大，不到一年即可在節能運轉中收回全部投資。而且水泵運轉低速平穩，使用可靠壽命大大延長。可以預見這種變頻控制的技術必將成為水系統補水壓的主要手段。
3 在風泵（風機）中的應用
尾氣排風機的排風量要求是根據換氣次數標準計算出來的，它必須滿足“最大需求量”原則。但事實上一個環境的排風量需求并不是一個定數。例如地下車庫，不同的時段，不同的情況，停車量是變化的，即排放的量也在變。所以我們可以給風機加裝一臺變頻器來改變風機轉速、改變排風量，如圖3 所示，用CO2傳感器檢測車庫空氣質量，并控制變頻器輸出，使風機的轉速（排風量）始終對應于指標即可，風機無需始終運行在最高速來排風，這樣既節省能源也減少了噪音污染。

如果是排風和消防合用的風機，也無須雙速風機來解決不同排風量的要求，完全可用變頻調速獲得所需的排風轉速。還可以省出一套繁瑣的聯動控制系統。
4 在樓宇消防給水設備中的應用
消防水管路系統中的消防水始終應保持一定值的壓力，圖4 中的1號泵和2號泵為小功率穩壓泵，3號泵和4號泵為大功率消防泵。

平時，1、2號泵交替工作。1（2）號泵和變頻器以及裝在管路上的壓力傳感器構成一個閉環系統，泵的轉速始終跟蹤設定的消防壓力值，所以能保證平時穩定的消防壓力要求值。當出現火警打開消防栓時，水流開關被水流推動發出信號，通過控制箱啟動3號或4號消防泵（3、4號互為備用）。本系統簡捷、運行平穩可靠，克服了以前靠電接點壓力開關，配氣壓罐來維持消防壓力的方案中，穩壓泵啟停頻繁、壓力不穩、設備易損壞等問題。
5 在變風量空調中的應用
A. 日前曾為中國大飯店（國貿）做了一例空調改造項目，采用了變頻調速技術，達到很好的效果。這是一套德國生產的中央空調系統，空調機組送風機集中給九個多功能廳供風，并由風機通過集中的回風道驅動回風。通過測取的回風溫度，與設定溫度值比較，對冷凍水閥的開度進行比例（PID）調節，控制冷凍水流量來調節表冷器的冷（熱）交換量，實現定溫送風。各廳溫度的調節是通過改變進風門和回風門的啟、閉控制入廳的風量來控制的。設在各廳的溫控器控制著風門的啟閉（各溫控器可獨立設置室溫）。由于九個多功能廳的大小不一，使用情況也經常變化，有時用滿了九個廳，有時只用一個廳，用風量變化很大。但機組不管用風量多少，都得全風量送風，造成很大浪費。特別是廳開得少時，風道中風壓過高，廳內氣流聲很大，不能適應高檔廳室的要求，為此必須改造。
改造的中心要求是：要事系統能隨時改變供風量，以適應風量需求的變化，同時也考慮到顯著的節能效果。我們給送風機配備了一臺西門子MDV變頻器，給回風機配備了一臺松下DV707H變頻器，用來改變送風機和回風機的轉速，由此控制送風量和回風量。設在送風主管道中段位置的壓力傳感器，把主風道中的靜風壓力值轉換成4 ~ 20mA標準信號，送到送風機變頻器上，構成一個閉環控制系統，送風壓力始終穩定在設定壓力值。當九個廳全開時，輸出頻率約為48Hz左右，當開二個廳時，工作頻率降至25Hz左右，電機工作電流明顯下降，節能效果良好。更重要的是風壓始終穩定、適度，實現了靜音。
為保持廳內壓力的舒適，回風量應與送風量同步調節。故將回風機變頻器的控制信號取自送風機變頻器的輸出，實現“同步比例調頻”。借助于變頻調速技術完美地實現了此項改造目的。
B. 在空調機組上控制熱交換量，習慣都是調節電動閥控制冷（熱）媒流量來實現的。變風量空調的冷（熱）媒流量只用一只普通的手動調節閥來控制，在運行時流量相對固定。由于送風機采了變頻調速，空調機組中的風量、風速得到了控制，則熱交換量也得到了控制。由于變頻器受控于回風溫度（或被控環境溫度）并與風機形成閉環系統，所以能達到穩定被控環境溫度的目的。這種空調控溫性能好，噪音小，耐用，而且節能效果好。
6 應用變頻調速定壓供水的電路實例
本例以西門子MidiMaster Vector型變頻器為例，說明系統的接線原理，見圖5 。