变频器在暖通空调系统中的应用分析

傅志宝

(厦门新区建筑设计院有限公司 福建厦门 361000)

变频器在暖通空调系统中的应用分析

傅志宝

(厦门新区建筑设计院有限公司 福建厦门 361000)

简要介绍变频器在暖通空调系统中应用的意义，介绍异步电机变频工作时的原理及特性，指出变频器在暖通空调应用中有一定的合理变频空间，且在实际工程应用时应注意设备变频与设备台数的合理使用，在变频节能的同时必须以系统稳定、安全运行为前提，分析变频器在暖通空调系统中的正确应用。

变频器；异步电动机；恒压频比；泵与风机；节能；水泵变；水力曲线；安全应用

0 引言

随着国民经济的发展，能耗问题成为人们越来越关注的问题之一。如何减少建筑的能耗，减少暖通空调在建筑中的能耗，是值得设计师深入研究的问题。变频器作为在暖通空调系统中较为实用的一种节能设备，在越来越多的工程中得到应用。本文将简要介绍暖通工程中变频器的工作原理，以及电动机在变频后的一些工作特性，分析变频器如何在暖通空调系统中更合理的应用。

1 变频器的定义

变频器是利用电力半导体器件的通断作用，改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机工作的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。变频器形式较为多样，在暖通领域中节能主要表现在风机、水泵的应用上。交流电动机的转速公式为：

n=60f(1-s)/p

(1)

式中

n—异步电动机的转速，r/min ；

f—异步电动机的频率，Hz；

s—电动机转差率；

p—电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0Hz～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

2 变频器在暖通中应用的意义

变频器在暖通专业中主要应用于传输转动系统，例如风机及水泵的应用。由于转速与功率存在以下关系，即

N/N′=(n/n′)3=(f/f′)3

(2)

式中

N—电动机的功率，W ；

N′—电动机的原有功率，W ；

f—异步电动机的频率，Hz；

f′—异步电动机的原有频率，Hz；

n—异步电动机的转速；

n′—异步电动机的原有转速。

从以上公式中可以看出功率变化与转速比的三次方成正比；当频率下降至原有的80%时，功率为原有功率的51.2%，节能率为48.8%；当频率下降至原有的50%时，功率为原有功率的12.5%，节能率为87.5%。从以上数据可以看出，当频率降低时，功率急剧降低，节能效果相当明显。变频器在暖通空调工程中的应用，通常是将异步电动机的频率改变，从而获得其显著节能效果。故此，需将异步电动机的基本工作原理特性搞清楚，才能将变频器的工作特性发挥得淋漓尽致。

3 异步电动机变频的基本工作特性

(1)在暖通专业中，用在风机及水泵等设备使用的变频器，通常是指在基频(f1N=50Hz)以下调速使用。常用的控制方法为恒压频比的控制方式，即US/f1=常值的控制方式。顾名思义，恒压频比是指当频率 f1 从额定值向下调节时，必须同时线性降低定子电压US，使其比值恒定保持一个常数。所以，在风机及水泵等设备使用变频器调速时，当频率降低时，正常情况下，其电压也会线性降低。恒压频比控制变频调速的机械特性，如图1所示。

图1 恒压频比控制变频调速的机械特性

(2)恒压频比控制方式时，异步电动机的另外一个特性就是其最大转矩T基本保持不变，其机械特性基本上是平行下移，变频调速的机械特性如图2所示。

图2 恒压频比控制变频调速的机械特性

当频率降至很低时，其最大转矩T会急剧降低，最大转矩T过小时，会限制电机的带载能力；当电机无法拖动时，电机甚至会出现烧毁的风险。如需保障一定的转矩，通常需补偿定子压降，以满足一定转矩的需求。

4 变频器工作特性在暖通应用中的指导意义

虽然变频器在风机与水泵等设备变频调节使用时，节能效果明显，但是根据电机在变频时工作特性可以看出来，变频也不是从50Hz，一直可以变频到0Hz都可以使用；反过来也不是说，变频只能从50Hz变化到45Hz区间使用，从而将变频器的节能空间大打折扣。所以，在工程中应合理利用电机的变频工作特性，将节能与电机安全使用科学结合起来。

在泵与风机等传输设备的变频器使用时，应根据变频器工作特性，注意以下特点：变频器在一定的合理区间内变频，其节能效果明显，如前文提及，当变频至50%时，节能效果已达到87.5% 。但是变频器并不是在0Hz～50Hz区间内，可随意进行变频调速，当频率较低时，其转矩急剧降低，可能无法拖动电机，造成其它严重后果；如需保障一定的转矩，需补偿定子压降，但工程中应用较少。故此，在使用变频器时，应注意控制变频区间，当需要变频至较低频率时，应考虑与系统设备运行进行匹配，即控制设备台数与变频器的统一协调，最终达到系统更加合理稳定的节能效果。

例如，某一工程中，空调系统中使用共3台冷冻水泵(并联)，两用一备，水泵额定功率45kW，水泵设计流量326m3/h，扬程34.5m，效率79.2%，实际耗功率38.5kW；当系统所需冷冻水流量仅为原设计的40%时，应采取何种方式更节能呢？方案一，2台冷冻水泵均变频至40%，满足系统水流量需求；方案二，关闭一台冷冻水泵，运行一台冷冻水泵且变频至80%。

方案一，水泵理论功率N1=38.5×2×(0.4)3=4.93kW；

方案二，水泵理论功率N2=38.5×(0.8)3=19.71kW。

从理论值计算看，方案一的能耗小于方案二；但是从交流异步电动机的工作特性分析，由于水泵变频至较低频率时，其扬程会随着频率的降低急剧降低，这种情况下扬程已满足不了实际需求。将该水泵在不同频率状态、相同效率下水力曲线图，如图3～图7所示，图中两条平行曲线分别为满负荷水力曲线即

图3 频率40Hz运行曲线图

图4 频率30Hz运行曲线

图5 频率25Hz运行曲线图

图6 频率20Hz运行曲线图

图7 频率15Hz运行曲线图

100%流量时水力曲线及部分流量时的水力曲线，其下方两条粗、细线分别为变频后部分流量时效率曲线及满负荷效率曲线；通过相同效率、不同频率下的工况点对比，可以得出以下数据：

当频率f=40Hz，即流量为原设计流量的80%时，效率79.3%，流量Q=262 m3/h，扬程H=22.2m，耗功率N=19.9kW；

当频率f=30Hz，即流量为原设计流量的60%时，效率79.4%，流量Q=196m3/h，扬程H=12.6m，耗功率N=8.44kW；

频率f=25Hz，即流量为原设计流量的50%时，效率79.2%，流量Q=167m3/h，扬程H=8.75m，耗功率N=5.0kW；

频率f=20Hz，即流量为原设计流量的40%时，效率79.2%，流量Q=134m3/h，扬程H=5.57m，耗功率N=2.55kW；

频率f=15Hz，即流量为原设计流量的30%时，效率79.4%，流量Q=99.5m3/h，扬程H=3.19m，耗功率N=1.08kW；

将水泵在50Hz，40Hz，30Hz，25Hz，20Hz，15Hz频率下，运行工况点汇总如表1所示。

表1 运行工况点汇总表

从表1可以看出，方案一虽在耗论率计算上较为节能，但在较低频率时，其扬程急剧降低，方案一并不能满足实际工况要求，在实际应用中应谨慎使用。反之，方案二在变频中处于相对较合理阶段，但其扬程

是否能满足实际工况需求，应以满足最不利环路最大压降设备所需的压力为必要条件进行变频调节。方案二在系统安全稳定运行角度考虑时显得会更合理，而且水泵在频率f=40Hz，即流量为原设计流量的80%时，节能率(与设计工况点相比)已达到48.5%。实际工程应用中，不应一味地追求节能率，忽视电机工作特性，其结果只能是得不偿失，应引起重视。

5 结语

通过对变频器及电机工作特性分析，可以明确变频器在暖通工程运用时，存在一个合理变频区域。只有深刻地认知这些特性，才能更好地指导变频器在暖通空调系统中应用，从而更合理地发挥变频器在暖通空调系统中节能效果。实际工程应用中也应注意暖通设备变频与设备运行台数统一考虑，在整个系统安全、稳定的运行基础上，实现暖通系统达到更节能的目的。

[1] 顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] GB50189-2015 公共建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] 陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

The Application analysis about the Variable-frequency Drive used in HVAC

FUZhibao

(Xiamen New District Architectural Design Institute Co.,Ltd, Xiamen 36100)

This article briefly introduce the significance of frequency converter used in hvac system, introduce the principle of induction motor variable frequency to work and the characteristic. Points out that the frequency converter in hvac applications have a certain reasonable frequency space, and in the actual engineering application should pay attention to the rational use of frequency conversion and equipment sets, and in the variable frequency energy saving must be on the premise of system is stable, safe operation at the same time，analyze the correct application of frequency converter in hvac system.

Variable-frequency Drive; The asynchronous motor; Constant voltage frequency ratio Pump and fans; The energy conservation; Pump variable frequency; Hydraulic curve Security applications

傅志宝(1980.3- )，男，高级工程师。

E-mail:13950076557@139.com

2016-07-29

TU83

A

1004-6135(2016)12-0079-05