漢美自動(dòng)化設(shè)備有限公司 陳 淼
摘要：本文簡介了變頻調(diào)速技術(shù)在現(xiàn)代樓宇科技中應(yīng)用的部分實(shí)例
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 節(jié)能 壓力 溫度 交流變頻調(diào)速技術(shù)是集電子、自動(dòng)控制、微電子、電機(jī)學(xué)等技術(shù)之大成的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。它以其優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)能效果被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，是電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。
商業(yè)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(dòng)機(jī)所消耗。一個(gè)大型建筑中用于泵類和風(fēng)機(jī)類的電機(jī)是主要負(fù)荷，其中多數(shù)是適合于采用調(diào)速運(yùn)行的。傳統(tǒng)做法是風(fēng)機(jī)、泵類采用交流電動(dòng)機(jī)恒速傳動(dòng)，靠調(diào)節(jié)風(fēng)閘和閥門的開度來調(diào)節(jié)流量，這種調(diào)節(jié)的方法是以增加管網(wǎng)的損耗，耗用大量的能源為代價(jià)的。如果改用調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的辦法來調(diào)節(jié)流量，就從根本上克服了電能的浪費(fèi)。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)已日臻完善。它不僅僅可以大幅度節(jié)能，而且在改善機(jī)械性能、實(shí)現(xiàn)完善的自動(dòng)控制、環(huán)境保護(hù)等多方面都有顯著的效果。下面僅就筆者在樓宇自控中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的部分實(shí)例簡要介紹給大家。 1 在冷凍水循環(huán)泵上的應(yīng)用
現(xiàn)代大廈都采用集中供冷（水），而分散的中央空調(diào)機(jī)組和眾多的風(fēng)機(jī)盤管，隨時(shí)都在調(diào)節(jié)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(tǒng)壓力會(huì)很不穩(wěn)定，甚至使系統(tǒng)不能正常工作。一般傳統(tǒng)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(jīng)濟(jì)。如果改用變頻調(diào)速技術(shù)來控制冷凍水循環(huán)泵的轉(zhuǎn)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(jié)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(shù)值轉(zhuǎn)換成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送到變頻器的模擬量輸入端，經(jīng)變頻器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算并與設(shè)定壓力值比較后，給出比例調(diào)節(jié)（PID）后的輸出頻率，以改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來恒定供回水管之間壓差的目的，形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)管道用水量加大時(shí)，管道壓差會(huì)有所下降，自控環(huán)節(jié)令變頻器輸出頻率有所上升，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨即上升，使管道壓差回升至設(shè)定值；反之，頻率會(huì)降低，管道壓差相應(yīng)回落，最終達(dá)到供回水壓差恒定的目的。該系統(tǒng)可有多臺(tái)循環(huán)水泵組成。配置一臺(tái)智能控制器，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)變頻器四泵聯(lián)用，三泵聯(lián)用，一用一備，兩用一備等等。圖1 是三泵聯(lián)用的簡圖。
 當(dāng)給出啟泵指令后，K1接通1號(hào)泵，使其變頻軟啟動(dòng)；若工作頻率升至50Hz管道壓差未達(dá)到設(shè)定值，一定延時(shí)后，會(huì)自動(dòng)快速切斷K1接通K2，將此泵切入工頻電路運(yùn)行，并自動(dòng)接通K3，使2號(hào)泵接入變頻啟動(dòng)并運(yùn)行，跟蹤管道壓差的設(shè)定值，如2號(hào)泵工作頻率上升至50Hz仍達(dá)不到設(shè)定壓差時(shí)，則同樣順序啟動(dòng)3號(hào)循環(huán)泵。相反的過程是當(dāng)冷凍水用水量下降時(shí)，管道壓差會(huì)有所提高，自然是要求降低頻率，當(dāng)頻率降低到一定值（如10Hz）則經(jīng)一定延時(shí)會(huì)自動(dòng)切出上一臺(tái)運(yùn)行在工頻上的循環(huán)泵，如果輸出的頻率再一次低到10Hz，則再切出一臺(tái)運(yùn)行在工頻的循環(huán)泵�？傊冀K保持有一臺(tái)循環(huán)泵運(yùn)行在變頻狀態(tài)。由于是循環(huán)控制泵的啟停順序，因而泵的使用率也是均勻的。相應(yīng)冷凍機(jī)組的冷卻水循環(huán)泵也可類似控制。由于所有的泵都是軟啟動(dòng)，所以節(jié)省了減壓啟動(dòng)器等，且壓差旁通控制裝置也被省去，所以初裝費(fèi)用已可以和裝壓差平衡閥的方案相比較，更何況變頻調(diào)速還具有可觀的長期節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)效益。 2 在補(bǔ)水定壓裝置中的應(yīng)用
我國采暖系統(tǒng)普遍采用高架屋頂膨脹水箱補(bǔ)水定位，但高架水箱管理不便，與大氣聯(lián)通又引來管道氧化腐蝕問題，后來有改進(jìn)，用電接點(diǎn)壓力表控制落地膨脹水箱，裝置就近設(shè)在循環(huán)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(tǒng)越來越大，管線長、用戶多、失水量增加，補(bǔ)水量較大，因此，補(bǔ)水泵啟停頻繁，泵的壽命降低；又因?yàn)橄到y(tǒng)靜壓力始終處在上、下限之間的控制區(qū)，所以壓力有波動(dòng)。變頻調(diào)速控制的補(bǔ)水系統(tǒng)則可理想地解決上述的不足。見圖2 軟水箱設(shè)在循環(huán)泵房內(nèi)。
 設(shè)在回水管路上的壓力傳感器、變頻器、補(bǔ)水泵形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，將壓力設(shè)定值設(shè)在系統(tǒng)的靜水壓力要求值上，以系統(tǒng)的瞬時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，使循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水點(diǎn)壓力恒定在系統(tǒng)要求的靜水壓力值上，其波動(dòng)甚微。由于補(bǔ)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(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)中收回全部投資。而且水泵運(yùn)轉(zhuǎn)低速平穩(wěn)，使用可靠壽命大大延長。可以預(yù)見這種變頻控制的技術(shù)必將成為水系統(tǒng)補(bǔ)水壓的主要手段。 3 在風(fēng)泵（風(fēng)機(jī)）中的應(yīng)用
尾氣排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量要求是根據(jù)換氣次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出來的，它必須滿足“最大需求量”原則。但事實(shí)上一個(gè)環(huán)境的排風(fēng)量需求并不是一個(gè)定數(shù)。例如地下車庫，不同的時(shí)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(fēng)機(jī)加裝一臺(tái)變頻器來改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、改變排風(fēng)量，如圖3 所示，
 用CO2傳感器檢測車庫空氣質(zhì)量，并控制變頻器輸出，使風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（排風(fēng)量）始終對應(yīng)于指標(biāo)即可，風(fēng)機(jī)無需始終運(yùn)行在最高速來排風(fēng)，這樣既節(jié)省能源也減少了噪音污染。
如果是排風(fēng)和消防合用的風(fēng)機(jī)，也無須雙速風(fēng)機(jī)來解決不同排風(fēng)量的要求，完全可用變頻調(diào)速獲得所需的排風(fēng)轉(zhuǎn)速。還可以省出一套繁瑣的聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。 4 在樓宇消防給水設(shè)備中的應(yīng)用
消防水管路系統(tǒng)中的消防水始終應(yīng)保持一定值的壓力，圖4 中的1號(hào)泵和2號(hào)泵為小功率穩(wěn)壓泵，3號(hào)泵和4號(hào)泵為大功率消防泵。
 平時(shí)，1、2號(hào)泵交替工作。1（2）號(hào)泵和變頻器以及裝在管路上的壓力傳感器構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，泵的轉(zhuǎn)速始終跟蹤設(shè)定的消防壓力值，所以能保證平時(shí)穩(wěn)定的消防壓力要求值。當(dāng)出現(xiàn)火警打開消防栓時(shí)，水流開關(guān)被水流推動(dòng)發(fā)出信號(hào)，通過控制箱啟動(dòng)3號(hào)或4號(hào)消防泵（3、4號(hào)互為備用）。本系統(tǒng)簡捷、運(yùn)行平穩(wěn)可靠，克服了以前靠電接點(diǎn)壓力開關(guān)，配氣壓罐來維持消防壓力的方案中，穩(wěn)壓泵啟停頻繁、壓力不穩(wěn)、設(shè)備易損壞等問題。 5 在變風(fēng)量空調(diào)中的應(yīng)用
A. 日前曾為中國大飯店（國貿(mào)）做了一例空調(diào)改造項(xiàng)目，采用了變頻調(diào)速技術(shù)，達(dá)到很好的效果。這是一套德國生產(chǎn)的中央空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組送風(fēng)機(jī)集中給九個(gè)多功能廳供風(fēng)，并由風(fēng)機(jī)通過集中的回風(fēng)道驅(qū)動(dòng)回風(fēng)。通過測取的回風(fēng)溫度，與設(shè)定溫度值比較，對冷凍水閥的開度進(jìn)行比例（PID）調(diào)節(jié)，控制冷凍水流量來調(diào)節(jié)表冷器的冷（熱）交換量，實(shí)現(xiàn)定溫送風(fēng)。各廳溫度的調(diào)節(jié)是通過改變進(jìn)風(fēng)門和回風(fēng)門的啟、閉控制入廳的風(fēng)量來控制的。設(shè)在各廳的溫控器控制著風(fēng)門的啟閉（各溫控器可獨(dú)立設(shè)置室溫）。由于九個(gè)多功能廳的大小不一，使用情況也經(jīng)常變化，有時(shí)用滿了九個(gè)廳，有時(shí)只用一個(gè)廳，用風(fēng)量變化很大。但機(jī)組不管用風(fēng)量多少，都得全風(fēng)量送風(fēng)，造成很大浪費(fèi)。特別是廳開得少時(shí)，風(fēng)道中風(fēng)壓過高，廳內(nèi)氣流聲很大，不能適應(yīng)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(tǒng)能隨時(shí)改變供風(fēng)量，以適應(yīng)風(fēng)量需求的變化，同時(shí)也考慮到顯著的節(jié)能效果。我們給送風(fēng)機(jī)配備了一臺(tái)西門子MDV變頻器，給回風(fēng)機(jī)配備了一臺(tái)松下DV707H變頻器，用來改變送風(fēng)機(jī)和回風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，由此控制送風(fēng)量和回風(fēng)量。設(shè)在送風(fēng)主管道中段位置的壓力傳感器，把主風(fēng)道中的靜風(fēng)壓力值轉(zhuǎn)換成4 ~ 20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送到送風(fēng)機(jī)變頻器上，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，送風(fēng)壓力始終穩(wěn)定在設(shè)定壓力值。當(dāng)九個(gè)廳全開時(shí)，輸出頻率約為48Hz左右，當(dāng)開二個(gè)廳時(shí)，工作頻率降至25Hz左右，電機(jī)工作電流明顯下降，節(jié)能效果良好。更重要的是風(fēng)壓始終穩(wěn)定、適度，實(shí)現(xiàn)了靜音。
為保持廳內(nèi)壓力的舒適，回風(fēng)量應(yīng)與送風(fēng)量同步調(diào)節(jié)。故將回風(fēng)機(jī)變頻器的控制信號(hào)取自送風(fēng)機(jī)變頻器的輸出，實(shí)現(xiàn)“同步比例調(diào)頻”。借助于變頻調(diào)速技術(shù)完美地實(shí)現(xiàn)了此項(xiàng)改造目的。
B. 在空調(diào)機(jī)組上控制熱交換量，習(xí)慣都是調(diào)節(jié)電動(dòng)閥控制冷（熱）媒流量來實(shí)現(xiàn)的。變風(fēng)量空調(diào)的冷（熱）媒流量只用一只普通的手動(dòng)調(diào)節(jié)閥來控制，在運(yùn)行時(shí)流量相對固定。由于送風(fēng)機(jī)采了變頻調(diào)速，空調(diào)機(jī)組中的風(fēng)量、風(fēng)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(fēng)溫度（或被控環(huán)境溫度）并與風(fēng)機(jī)形成閉環(huán)系統(tǒng)，所以能達(dá)到穩(wěn)定被控環(huán)境溫度的目的。這種空調(diào)控溫性能好，噪音小，耐用，而且節(jié)能效果好。 6 應(yīng)用變頻調(diào)速定壓供水的電路實(shí)例
本例以西門子MidiMaster Vector型變頻器為例，說明系統(tǒng)的接線原理，見圖5 。
 水泵有二種工況，工頻運(yùn)行還是變頻運(yùn)行，由接入QF2還是QF1投入主回路選擇。并由KM2或KM1交流接觸器接通�？刂齐娐分�，SA為變頻運(yùn)行或工頻運(yùn)行選擇開關(guān)，交流接觸器KM1和KM2有電氣互鎖，不會(huì)同時(shí)工作，避免“工頻”、“變頻”同時(shí)向水泵送電。西門子SED系列變頻器提供了兩個(gè)內(nèi)部的繼電器，可以方便地設(shè)置成運(yùn)行狀態(tài)、故障指示、報(bào)警輸出、PID閉環(huán)控制、速度限制等多種功能。此處RL1設(shè)置成“故障指示”（P061=6）。當(dāng)變頻器上電自檢正常后，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)變頻器輸出。來自壓力變送器的模擬量信號(hào)接在“模擬量輸入2”上（端子號(hào)10、11），壓力變送器（gems1200）電源直接取自變頻器（9號(hào)端子），變送器將壓力信號(hào)變?yōu)? ~ 20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送至端子10，變送器電源負(fù)極已在變頻器內(nèi)部構(gòu)通，無須另外接線。這個(gè)簡單電路即能實(shí)現(xiàn)定壓供水。
|
