变频技术

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变频技术(converter technique)

目录

什么是变频技术[1]

  变频技术是一种把直流电逆变成不同频率的交流电的转换技术。它可把交流电变成直流电后再逆变成不同频率的交流电,或是把直流电变成交流电后再把交流电变成直流电。总之这一切都只有频率的变化,而没有电能的变化。

变频技术的基本类型[2]

  变频技术的类型有下面几种:

  1.整流技术

  通过二极管组成的不可控或者晶闸管组成的可控整流器,将工频交流电变换成频率为0的童流电,称为整流技术。

  2.直流斩波技术

  通过改变电力半导体器件的通断时间,也就是脉冲频率(定宽变频),或者改变脉冲的宽度(定频调宽)达到调节直流平均电压的目的。

  3.逆变技术

  在变频技术中,逆变器是利用半导体器件的开关特性,将直流电变换成不同频率的交流电。

  4.交-交变频技术

  通过控制电力半导体器件的导通与关断时间,将工频交流电变换成频率连续可调的交流电。

  5.交-直-交变频技术

  先将交流电经过整流器变换成直流电,再将直流电逆变成频率可调的交流电。

变频技术的发展[3]

  变频技术是随着电力电子器件的发展而发展的。其发展过程如表1所示。

表1 变频技术的发展历程

代数产生年代主要代表器件特性变频频率作用
第一代20世纪50年代电流控制型开关器件小电流控制大功率0Hz只能导通而不能关断
第二代20世纪60年代电力晶体管(GTR)和门极关断(GTO)晶闸管电流自关断型1~5kHz方便实现变频、逆变和斩波
第三代20世纪70年代绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电力场效应管(NOSFET) 电压(场控)自关断型20 kHz以上随意导通和关断
第四代20世纪80年代 智能功率集成电路(PIC)和模块(IPM)、集成门极换流晶闸管(IGCT) 开关频率高速化、低导通电压的高性能化及功率集成电路大规模化任意逻辑控制、功率、保护、传感与测量

  经过50年的发展,变频技术正朝着数控化、高频化、数显化、高集成化和强适应化发展。

变频技术的利弊[4]

  1.显性效益

  显性效益就是指节电效益。变频控制传动调速对于负载性质和负载率的不同,节电率也是不同,低压变频控制设备,一般负载率在0.5左右时,节电率在20%一47%左右,比如定量泵注塑机、排污填水池电动机、给氧风机等,空调水泵基本上平均节电率都在25%-60%左右。

  低压设备变频调速改造投资少、见效快,投资回报期基本上在一年左右。

  2.隐性效益

  1)实现了电动机的软起软停,消除电动机起动电流对电网的冲击,减少了起动电流的线路损耗;

  2)消除了电动机因起停所产生的惯动量对设备的机械冲击,大大降低了机械磨损,减少设备的维修,延长了设备的使用寿命

  3)空调水泵的软起、软停克服了原来停机时的水槌现象。

  3.缺点弊端

  (1)性价比不稳定

  变频技术的应用往往使得应用系统的费用上涨。一个较为贴近生活的例子,就是空调——“变频空调”的价位通常比同等功率的“定频空调”高出千元左右;维护费用高,在超出保修期后进行维修费用高得吓人。而且使用不当的话,会进一步影响其性价比。这是因为变频技术省电的诀窍在于能源使用的供需平衡上,如果实际负荷总要求在满负荷时,其节能效果就几乎为零了。另外,变频的节能只有在连续使用的情况下才可以体现,否则随着元器件的自然老化,设备不用也会丧失工作能力的,低电压的情况下功率是不可以达到正常使用效果。

  (2)干扰大

  除上述的有利一面,同时也存在一些问题。任何事物都不是绝对的,都要辩证去看去分析,低压变频器输出波形为脉冲形式,会产生一些干扰,实际运行中单台干扰不严重,以30kW容量为例,干扰福射基本在lOm之内,在设计电路中加装陷波电路或磁环或陷波线圈就可以将干扰减少到最小,一般使用时尽量远离电脑等怕干扰设备,对于多台集中安装时安装位置要尽量拉开距离,还需专门加装陷波电路屏蔽接地,将干扰减少到最小。

  高压变频设备干扰性很小,控制技术较高,输出电压波形近似正弦波形,但设备体积较大,安装调试都比较复杂。

  (3)调节滞后

  变频技术的闭环控制方法,为了避免系统不稳定,往往牺牲一定的响应速度,因此当负荷变化较大时,会造成调节的滞后。

变频技术在家电领域的应用[5]

  20世纪70年代,家用电器开始逐步变频化,出现了电磁炉、变频照明器具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)电饭煲、变频洗衣机等。90年代后半期,家用电器则依托变频技术,瞄准了高性能和省电。如,要求其具有高速高效率、控制性能好、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。

  首先是电冰箱,由于它处于全天工作,采用变频制冷后,压缩机始终处在低速运行状态,可以彻底消除因压缩机启动引起的噪声,节能效果也更加明显。

  其次,空调器使用变频后,扩大了压缩机的工作范围,其冷、暖控制不需要压缩机在断续状态下运行就可实现,降低了电力消耗,消除由于温度变动而引起的不适感。近年来,新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速,其节能效果较交流异步电动机变频又提高约10%~15%。为了进一步提高装置的效能,近年来,日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM+PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制,保持U/f为一定;当转速大于一定值时,将调制度固定在最大值附近,通过改变直流斩波器的导通占空比,提高逆变器输入直流电压值,从而保持变频器输出电压和转速成比例,这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后,变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单纯PWM控制时有较大幅度的提高。

  近年来,更多的家电采用了变频技术:新式的变频冷藏库不但减小了耗电量、实现了静音化,而且利用高速运行能实现快速冷冻;在洗衣机方面,过去使用变频实现变速控制,提高洗净性能,新流行的洗衣机除了节能和静音化外,还在确保柔和洗涤衣物等方面推出新的控制内容;电磁加热炉利用高频感应加热使锅子直接发热,没有燃气和电加热的炽热部分,因此不但安全环保,还大幅度提高加热效率,由于其工作频率高于听觉之上,从而消除了饭锅振动引起的噪声;利用变频IH电饭堡(感应加热式电饭煲)得到的火力比电加热器更强,而且可以进行火力微调,只要合理设计加热感应线圈,便可得到任意的加热布局,炊饭性能上了一个档次;变频微波炉利用高频电能给磁控管必要的升压驱动,电源结构小,炉内空间更宽敞,新式微波炉能任意调节电力,并根据不同食品选择最佳加热方式,缩短时间,降低电耗;照明方面,荧光灯使用高频照明,可提高发光效率,实现节能、无闪烁、易调光、频率任意可调、镇流器型小量轻等。

  变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命,并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而进一步发展。

  采用变频技术的家电具有以下优点:

  功能全:由于采用了变频技术,电机的控制性能可谓实现了质的飞跃。电机运行更加灵活,速度范围更加宽广,家电的性能得到更大的提升。电冰箱利用变频技术可以实现快速冷冻;洗衣机使用变频技术实现可变速控制,提高洗净性能;空调器在采用变频技术后,消除了由于温度波动而引起的不适感。

  功耗低:传统的空调和冰箱等电机驱动类家电,由于调速的限制,电机处于间断的启停工作状态,电机的功率因数低,不断地启动电机带来很大的电能浪费。采用变频技术后,电机的速度控制变得轻而易举,不但可以实现快速的宽范围调速,而且可以使电机在允许范围内以任意速度长时间运行,电机功耗大大降低。

  健康环保:家电性能的提升使人们的生活更加舒适。空调采用变频技术后,压缩机的工作方式由宽范围平滑运行方式取代频繁的启停工作方式,室温的波动范围变得更小,压缩机的寿命变长,噪音变得更小;荧光灯采用高频照明,提高发光效率,且无闪烁易调光,可很好地保护眼睛;采用变频技术的洗衣机更是集节水、节能、环保于一身。

变频技术的应用[6]

  近十几年来,随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展,变频器技术的成熟和价格的降低,变频器已广泛应用于交流电动机的变速控制。暖通空调系统耗能在整个建筑物耗能中所占的比例日益增大,其中泵与风机的流体输送能耗在空调设备能耗中又占了很大比例,因此在暖通空调领域应用变频调速技术,一方面可以极大地节省水泵或风机的电能,实现系统的节能运行;另一方面可以提高系统的运行品质,实现高精度控制,满足对环境的舒适度和生产过程中对环境的温、湿度精度要求。近年来,变频控制已在通风、空调、供热等系统中得到了广泛应用。

  1.水泵与风机的特性

  水泵和风机是暖通空调系统中大量应用的流体输送设备,也是主要能耗设备之一。在集中空调系统中,循环水泵、风机的装机功率约占空调系统总装机功率的50%。

  风机与循环水泵的特性为转速改变时,其流量、扬程和轴功率相应改变,变化关系为:
G1 / G2 = n1 / n2
H1 / H2 = (n1 / n2)2 = (G1 / G2)2
N1 / N2 = (n1 / n2)3 = (G1 / G2)3

  式中:G、H、N、n——分别为水泵的流量、扬程、轴功率和转速。

  即流量与转速的一次方成正比,压力与转速的二次方成正比,功率与转速的三次方成正比。由此可见,当通过降低转速以减少流量来达到节流目的的同时,所消耗的功率将明显降低。例如,当转速降到80%时,流量减少到80%,而轴功率却下降到额定功率的(80%)3≈51%;若流量需减少到40%,则转速相应减少到40%,此时轴功率下降到额定功率的(40%)3≈6.4%。

  水泵转速改变时不仅可调节流量,且可大幅度节约水泵、风机电量
消耗,是水泵、风机能量调节最合理的方法。但在一定的转速下,流量与压力之间的关系却是固定的,这就是风机或循环泵的流量一压力(Q-P)曲线,即图1中P1曲线,与管道参数无关。

  空调系统的设计一般都是按室内负荷(与人员、灯光、设备有关)和室外气候最不利的情况来设计的,设备是按其使用的最大负荷来确定的。但空调负荷在全年是不断变化的,一年中设计工况的出现时问只有数天或数十小时,空调及其输送设备绝大多数情况下都是在非满负荷工况下运行,那么就要有有效的调节手段满足负荷的需求。输送系统理想的运行工况应当是系统的风量或水量随空调系统负荷的变化而作相应的变化。改变流量的方法不同,节能的效果也不一样。

  对于一个输送系统,当其管路确定后,其管道内流量与阻力的关系就是管道的流量一压损曲线。一台特定的风机或水泵与一个特定阻力的管道组成系统后,管路系统要求的流量及相应的阻力必须由水泵或风机来满足,如将水泵或风机的性能曲线Q-P与管路的流量-压损曲线同绘在一张坐标图上,其设备的工作曲线与管道系统的阻力曲线的交点就是系统的工作点(见图1中的a1点),这时风机或水泵的压头与管道的压力损失达到平衡。

  2.输送系统调节方式

  如果要调节输送流量,可行的方式有如下两种。

  (1)改变管路特性曲线。即在管路上安装阀门,通过关小阀门加大系统局部阻力(也即改变管路系统特性曲线)的方法来进行调节。从图1中可见,随着系统阻力增加,系统管路特性曲线从C1过渡到C2,工作点则沿着曲线P1a1点移动到a2点,虽然流量减少了,但消耗在阀门上的损耗增加了,且随着工作点的偏移,风机或水泵的效率也相应降低。实践证明,这种调节方式在流量减少的情况下,水泵或风机的轴功率基本没有改变。

  (2)变频调速的方式。即管路的阻力特性保持不变(即阀门不变),通过改变风机或水泵的工作特性来调节流量。对于一台特定的风机或水泵,其工作特性随转速的改变而改变。当需要的流量减少时,对风机或水泵可通过变频调速的方式使其转速降低。从图1中可看到:设备特性从P1过渡到P2,工作点改变为沿曲线C1移动至与P2的交点即a3点,在流量降低的同时压力也降低了。依据风机或水泵的轴功率与流量的三次方成正比的关系式可分析出,变频调速方法的节能效果是非常明显的。表2列出了不同流量下节电率的经验数据。

表2 风机变频调速节能率参考数据(单位:%)

实需流量/标称流量与不调节方案比与出口节流比与入口节流比
9020~2319~2217~20
8037~4235~4032~37
7050~5747~5443~50
6058~6854~6448~58

  3.变频调速控制系统的组成

  暖通空调中用到的变频调速控制系统一般由传感器、变送器、调节器、控制器、变频器、电动机及被控制设备几部分组成。传感器用来感测被控设备中的被控参数,它可以是流量、压力、温度、湿度、气体含量等,一般是利用传感器把被控参数转换成电信号。变送器的作用是把传感器得到的电信号进行放大、整形等处理,然后统一调整为规则化的电压,如0~5V或电流信号4~20mA等作为调节器的输入。调节器或控制器,其实就是一个由单片机组成的微型控制系统,本身具有计算、判断、逻辑分析功能。它有数字和模拟输入端、数字和模拟输出端,可以在软件的控制下实现PID或模糊控制等控制规律,还可以利用数字输出口,指挥数台电机的调频与工频之间的切换、被控设备相关部件的开启或关闭等多种操作。变频器是利用电子器件的智能控制技术把电压频率固定的交流电变成电压频率可变的交流电的一种控制设备。用变频器输出的频率、电压可变的交流电去驱动输送设备的电机,就可以实现风机或水泵调速的目的。变频器一般由供电部分、输出部分、控制部分、保护部分、显示部分和给定部分组成。电机和被控设备一起构成了生产过程的动力源和执行机构,用以保证生产或系统的正常工作。

  十多年以来,变频器的可靠性越来越强,价格越来越低,应用的领域越来越广泛。目前我国变频器的市场价格:容量为11~90kW时,进口品牌约800~1300元/kW,国产约350~500元/kw;容量为5.5kW、7.5kW时,进口品牌约1500元/kW,国产约800元/kW;容量≤4.0kW时,进口品牌约2000~4000元/kW,国产约900~1700元/kW。

  4.变频调速技术在暖通空调中的应用

  (1)变风量空调及控制系统

  空调系统的设备选型一般都是按室内负荷和室外温湿度接近最不利的情况来确定的。但在运行中,大部分时间都是在非满负荷下工作。常规的定风量系统是靠调节送风温度来确保空调区域的设定温度,而变风量系统则是当空调冷负荷变小以后,通过改变送风量来调节和控制空调区域的设定温度。如果系统全年均在70%风量下工作,风机耗电约可减少一半,因此变风量系统是一种节能的空调运行方式。

  变风量(简称VAV)系统是属于全空气系统的一种空调方式,通过变风量末端装置调节送入房间的一次风量,其变频送风空调机组的风量也相应调整。

  变风量系统的分类:按服务区域分,可分为单区和多区系统;按风道布置方式分,可分单风道和双风道系统;按风管内静压控制的方式分,可以分为定静压控制、变静压控制、直接数字式控制和静压不控制系统,实际中,应用较多的是定静压控制和变静压控制。

  ①单区变风量系统——是目前最简单的一种变风量系统,通过改变空调机组中风机的转速来达到变风量的目的,系统只有风机调速部分,而无末端装置,送风量根据房间负荷的变化作相应变化。需要注意:要确定运行最低转速值,以确保气流组织不受影响。

  多区变风量系统——其与单区变风量系统的主要区别是,除了空调机组可以调节外,每间空调房间的送风口都安有变风量末端装置,由该房间的温控器控制送入房间的风量,达到控制房间温度的目的。

  ②单风道系统——采用一条送风管,经变风量末端装置再调节后向室内送风。单风道系统又可分为再热、诱导、风机动力等几种调节形式。

  双风道系统——采用双风管送风,一根风管送热风,一根风管送冷风,通过变风量末端装置混合后送入室内。双风道变风量系统可以是单风机,也可以是双风机。双风道变风量系统的优点是可以同时供冷和供暖,不需要进行季节转换,对于建筑物的分隔变更,有较大的灵活性和适应性;其缺点是冷热混合会因能源抵消造成浪费,湿度控制困难,且一次投资高、双风道占用空问大。

  ③定静压控制——在送风系统管网的适当位置设置静压传感器,测量该点静压,根据测量到的静压和设定值,通过不断地调节空调箱送风机的送风量以保持该点静压固定不变。静压传感器一般布置在风机出口到最远末端距离约2/3处。在大型系统中,因末端较多,确定各种负荷下的最佳传感器位置比较困难,常常采用多个传感器并通过试错选定。

  变静压控制——采用带风阀开度传感器、风量传感器和室内温控器的变风量末端装置,根据风阀开度由系统控制器计算判断来控制送风机的变频器。实际中,应使系统中至少有一个变风量末端装置的风阀处于接近全开状态,即尽量使风机运行静压最低。变静压控制是最节能的控制方法,其优点是节能效果显著,适用于各种送风管网系统;其缺点是因增加了风阀开度控制,变风量末端装置的成本相应增加,现场调试工作周期较长。

  (2)水泵的特性及变水量系统节能潜力

  闭式循环系统中的循环水泵工作特性及其管路的阻力特性、水泵变频调速的节能潜力与风系统近似。但担负垂直提升扬程的水泵,因垂直压差是固定的,水被泵提升到高位获得的位能功率,与流量成正比而不与转速的三次方成正比,因此其系统的管道阻力特性与风道阻力特性明显的差别就是:其特性受到管路中垂直扬程的影响,特性曲线的起点在压力坐标上有一个起始值,见图2a)中的A点,该值就是水泵的泵升扬程(泵升扬程=实际提升扬程+管路出口压力-管路入口压力)。因此转速一功率关系就分为了两段:在出水转速以下即水泵的压力小于垂直压差时,输入的电功率需要克服机械损耗、电机与变频器损耗及水泵内部水流空转的损耗,功率很小,且随转速变化幅度不大,如图2b)中B点左边的曲线;出水后水流空转损耗变成了管道损耗,其功率与转速间有近似三次方关系,如图2b)中曲线1所示,输入功率随转速降低而明显减少。
Image:离心泵类节能原理示意图.jpg

  (3)循环泵变频调速的应用

  共母管的多台泵组成的流体输送系统,在应用变频调速时有两种不同的方式:多台泵全变速和多台定速泵十一台变频调速泵。这两种方式使整个输送系统的流量、压力关系不一样,其节能效果也有差别。

  ①多台泵全变速,即对多台泵进行同步调速,其联合运行的特点与一台大流量变速泵的特点相似,但是多台泵并联后联合运行的性能曲线变得更为平坦。因此,采用全变速泵方式时,泵的台数不宜较多。变速泵可采用泵出口压力控制,也可采用供、回水压差控制,采用压差控制比压力控制更节能。

  ②采用多台定速泵与一台变速泵同时运行,在流量未达到满负荷时调节变速泵转速而改变联合运行的总流量,当流量每减少一台泵的流量时则停一台定速泵。在所有运行过程中,变速泵始终处于运行状态。下面以两台泵并联其中一台变频为例作一分析,参见图3。
Image:多泵系统流量-压力关系不意图.jpg

  当两台泵同时在定频下运行时,两泵的工作特性如图3a)所示曲线P0,两泵的联合工作特性如图3b)所示曲线P1,其与系统阻力特性曲线C的交点就是系统设计工作点,这时两泵各自的工作点都在图3a)中曲线P0C1的交点处,C1曲线相当于单泵系统的自然管路阻力特性曲线。当调速泵转速降低,其工作特性变化为图3a)中曲线Pa2时,定频泵的工作特性仍然是曲线P0,两泵的等效工作特性如图3b)所示曲线P2,它与系统的阻力特性曲线C的交点L0就是其新的工作点,此时两泵的工作压力为图3a)中压力线L,它与图3b)中L0点的压力相等。从图中可看出,这时两泵的工作点均偏移,定频泵的工作压力低于自然管路阻力点,流量比不调速时增加了。而调速泵的工作压力高于自然管路阻点,即图3a)中曲线Pa2C1的交点,其流量比单泵变频调速时低,两泵联合作用后系统总流量的下降大致与单泵调速时流量下降的绝对值相当,但因工作点的偏离,效率有所降低。当调速泵转速进一步降低,工作曲线变化为Pa3时,定频泵仍然在曲线P0工作,两泵联合工作特性为曲线P3,交点M0为其新的工作点,两泵各自的工作点分别为各自特性曲线与压力线M的交点,这时两泵的工作点更加偏离自然管阻点,效率降低更加明显。当调速泵转速进一步降低到压力低于系统工作压力线时,其逆止阀关闭,调速泵不能出水,水泵不出水时的空转不仅要浪费能耗,而且会对泵本身产生不良影响,因此在系统调试时应限制最低频率以防止空转。如果将图3的情况量化分析,则为:当一台泵调速时,转速下降使系统总流量下降,系统阻力损失降低,系统的压力因此下降,导致定频泵流量增加,当系统流量降低到92%时,定频泵流量增加到106%,变频泵流量则降低为78%;当系统流量降低到83%时,定频泵流量增加到112%,变频泵流量则降低为54%;当系统流量降低到70%时,定频泵流量增加到120%,变频泵流量则降低为20%;如果转速再降低,则调速泵将不再出水。图3b)中的k2k3k4分别是调速泵不同转速下的出水点,压力高于此点,则调速泵不能出水。

  多泵并联系统中用一台作变频调速,其余泵作定速泵联合运行的方式,其投资比用多台泵全变速小,但由于工作点偏移造成机械效率降低,其节能效果不如多台泵同时调速好。关于控制方式对其节能效果的影响,采用压差控制与压力控制,在定一变速泵系统中两种方式的节能效果相近。

  空调采暖循环水泵变速调节一般多用于二次泵系统(即用户侧)。关于一级泵系统、水泵变流量调节(即负荷侧和冷源侧的水流量均随空调负荷改变,冷水机组根据系统回水温度调节制冷量,而水泵随着冷负荷的变化而改变流量),由于冷水机组对水流量的变化大小及变化率有一定的要求,如果流量过低,可能导致局部冻结的危险。为了使设备安全运行,变流量调节时要保证冷水机组的水流量不低于生产厂家规定的最低额定流量。

  需要注意的是,无论是变频水泵或是风机,调试时均需要针对共振可能进行测试和处理。即在调试时,在电机启动至缓慢加速过程中,在设备旁观查有无共振现象,发现共振区域后设置跳跃频率参数将该频率跳过。

  空调、采暖、通风系统采用变频调速,最终目的是调节系统的水量和风量,借以满足负荷不断变化时的供热、供冷需求的同时,实现最大限度的节电、节能效果。把变频调速技术应用于暖通空调系统,是一种理想的调速控制方式,对减少建筑物的整体能耗、提高能源利用率、提高系统运行效率有很大的意义。

参考文献

  1. 李红旗,成建宏主编.变频空调器及其能效标准.中国标准出版社,2008.9.
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  3. 金明主编.维修电工实训教程.东南大学出版社,2006.1.
  4. 郭智勇主编.系统电效控制技术及应用.机械工业出版社,2009.01.
  5. 凌阳16位电机控制单片机:SPMC75系列原理与应用开发.北京航空航天大学出版社,2007.7.
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