关于变频器在民用建筑节能中的应用分析__期刊目录网,论文发表,发表
所属栏目：应用电子技术论文发表 发布时间：2011-02-25浏览量:107
副标题#e#摘要：本文介绍了变频器在民用建筑中的节能原理,对主要设备（各类风机、水泵、组合空调器及电梯）如何选择变频器容量及对变频器本身优、缺点作了简要分析。
关健词：变频器节能原理功率因素
一.变频器的概念
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交一直一交方式（VVVF变频或矢量控制变频调速系统），通过微电子器件、电力电子器件和控制技术，将供给电机定子的工频交流电源经过二极管整流成直流．再由IGBT（复合全控型电压驱动式功率半导体器件）等逆变为频率和电压都可调的交流电源，此电源再拖动电机和负载。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM（脉冲宽度调制）波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
二．变频器节能原理
一般使用的电机设备如各种风机、水泵和组合空调器中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n的2次方成正比。随着转速的减小，电机负荷按转速的2次方减小。这种负载所需的功率与速度的3次方成正比。由流体力学原理知道．风机／水泵，风最l流量与电机转速及电机功率有如下关系:
当所需风量、流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快．与速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。同时为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不应在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度．使其在恒压的同时节约电能。
三．变频器容量的选择
现就民用建筑中主要设备（各种风机、水泵、组合空调器及自动扶梯和垂直电梯等）的变频调速来选择变频器容量。
1． 变频器的容量有三种方法可以表示：
1)额定电流；
2)适配电动机的额定功率；
3)额定视在功率。
2．变频器的过载能力
不论是哪一种表示，归根到底还是对变频器额定电流的选择，应结合实际情况根据电动机可能向变频器吸收的电流来决定。通常变频器的过载允许电流与过程时间呈反时限的关系，如1.21N和1.51N(lN为额定电流）均可持续60S,而1.8lN及其以上仅可持续20S甚至更少。也就是说：不论任何时候向电动机提供在允许过载电流的持续时间都必须在限定的范围内；过载能力这个指标，对电动机来说，只有在起动（加速）过程中才有意义，在运行过程中．实际上等同于不允许过载.
因此在实际的民用建筑中一般采用的变频器在计算出负载电流后，还应考虑以下三个方面的因素：
一是用变频器供电时．电动机电流的脉动相对工频供电时要大些；二是电动机的起动要求，即是由低频、低压起动，还是额定电压、额定频率下直接起动；三是变频器使用说明书中的相关数据是用该公司的标准电机测试出来的。要注意按常规设计生产的电机在性能上可能有一定差异，故计算变频器的容量时要留适当余量。
下面就民用建筑中常见的风机、水泵、空调器及电动扶梯设备进行分类选择：
(1)对风机、水泵、空调器类负载的变频器选择这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能.由于负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。此类负载在选择变频器时电动机直接起动时所需变频器容量的计算，风机、泵类，采用挡板调节流#p#副标题#e#量对应电机输入功率PL与流量Q的关系式：
则选择的变频器，可由公式IFN≥1.1IL，比来选取（PL=ULILcosΦ可求出IL）。
式中:IFN一变频器额定电流；
IL一电动机输入电流。
在运行中，如电机电流不规则变化，此时不易获得运行特性曲线，这时可使电机在输出最大转矩时的电流限制在变频器的额定输出电流内进行选定。
(2）电动扶梯和垂直电梯类负载的变频器选择
(a）垂直客梯中的应用在小高层住宅与高层住宅中，电梯的舒适程度与运转速度，也是人们比较关心的问题。由于必须使电梯从速度为0平滑地上升至固定速度或从最高固定速度平滑地降低至速度为0，所以变频器的输出也应从几乎是0Hz到50Hz为止平滑地变化．这样通过变频器低压、低频调节电梯的起动、运行、停止都是平滑的，没有急起急停的不良影响。由低频、低压起动，变频器用来完成变频调速时，要求变频器的额定电流稍大于电动机的额定电流即可：
IFN≥1.1IMN
式中：IFN一变频器额定电流；
IMN一电动机额定电流。
(b）在自动扶梯中的应用自动扶梯由于是公共场所运送乘客的主要设备，不能简单的像货物传送带一样，任意地从商用电源接入、切出，而且处理不当有可能造成设备和人身事故．，因此可以采用变频器使自动扶梯进入变频调速运行后，当无乘客时并非完全切除交流电源，而是先降频低速节能运行。则其变频器的选择同垂直电梯的一样，由自动扶梯的额定电流的1.1倍来选择相应的变频器的容量即可。(3）变频调速节能计算时需考虑变频器的效率，由于变频器是转换电能并能改变频率的电能转换装置。能量转换过程中必然伴随着损耗。在变频器内部，逆变器功率器件的开关损耗最大．其余是电子元器件的热损耗和风机损耗，变频器的效率一般为95％~96%，所以在计算变频调速节能时要将变频器的4％~5％的损耗考虑在内。
因此用电机额定电流法对变频器容量选定过程，实际上是一个变量与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大.合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。
四．交流变频器的优、缺点
五．1．优点：
(1）变频节能
由流体力学公式功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时．转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系，下面以实例说明：
以某商场额定功率为，18.5kw的空调机组使用为例（共8台）,12小时连续运行，其中8小时运行在90％负荷（频率按46Hz计算）,4小时运行在50％负荷（频率按26Hz计算）；全年运行时间在340天为计算依据。
经测定18.5kw空调机组实际工作电流IL二35.2A，根据公式IFN≥1.1IL，参考厂家资料则选用ABB的ACS800系列0025-3型变频器（IFN=44A,PN=22kw）即可。
采用此变频器后．由风机、泵类平方转矩负载关系式：P/po=(n/no)3计算，式中为po额定转速no时的功率；P为转速n时的功率。则变频调速时每年的节电量为：
以每度电按0.6元计算，则每年可节约电费15.7万元。每套变频器价格以3.13万元计算，总价为25.04万元。故用1.6年就可以收回成本。
(2）功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低,大量的无功电能消耗在线路当中,设备使用效率低下,浪费严重,由公式P＝S×cosΦ，Q=S×sinΦ，其中S-视在功率，P-有功功率，Q-无功功率，cosΦ-功率因数，可知cosΦ越大,有功功率P越大,普通水泵电#p#副标题#e#机的功率因数在0.6~0.7之间.使用变频调速装置后,由于变频器内部滤波电容的作用,cosΦ≈1,从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
(3）软启动节能
由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于（5~7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动的最高起动电流仅为额定电流的1.5倍持续60s或1.8倍持续20s，这样大大减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。
2．缺点：
主要问题是电流中含高次谐波较多，除对电网有污染外，也使变频器在提高功率因素同时增加自身损耗。再有，变频器价格稍贵、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。
五．总结
一般情况下，变频器用于50Hz调速控制。不管是风机、水泵类负载还是电梯类负载，只有调速才能节能，不调速在工频下运行是没有节能效果的.有时系统功率因数很低,使用变频器后也有节能效果,这不是变频调速节能,而是补偿功率因数带来的节能.
但是,不是任何情况下变频器都节电,从投资角度考虑,如果电机负载变化不大或单纯为了提高功率因数,则无须使用变频器,可以直接采用其他方式节能.而投资回收期很慢的以及接单相电动机的设备,也不宜使用变频器来调速.所以在民用建筑节能中采用变频器须仔细分析设备的性能及运行性质,这样才能选择最优的节能方案.
