變頻技術

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變頻技術(converter technique)

目錄

什麼是變頻技術[1]

  變頻技術是一種把直流電逆變成不同頻率的交流電的轉換技術。它可把交流電變成直流電後再逆變成不同頻率的交流電,或是把直流電變成交流電後再把交流電變成直流電。總之這一切都只有頻率的變化,而沒有電能的變化。

變頻技術的基本類型[2]

  變頻技術的類型有下麵幾種:

  1.整流技術

  通過二極體組成的不可控或者晶閘管組成的可控整流器,將工頻交流電變換成頻率為0的童流電,稱為整流技術。

  2.直流斬波技術

  通過改變電力半導體器件的通斷時間,也就是脈衝頻率(定寬變頻),或者改變脈衝的寬度(定頻調寬)達到調節直流平均電壓的目的。

  3.逆變技術

  在變頻技術中,逆變器是利用半導體器件的開關特性,將直流電變換成不同頻率的交流電。

  4.交-交變頻技術

  通過控制電力半導體器件的導通與關斷時間,將工頻交流電變換成頻率連續可調的交流電。

  5.交-直-交變頻技術

  先將交流電經過整流器變換成直流電,再將直流電逆變成頻率可調的交流電。

變頻技術的發展[3]

  變頻技術是隨著電力電子器件的發展而發展的。其發展過程如表1所示。

表1 變頻技術的發展歷程

代數產生年代主要代表器件特性變頻頻率作用
第一代20世紀50年代電流控制型開關器件小電流控制大功率0Hz只能導通而不能關斷
第二代20世紀60年代電力晶體管(GTR)和門極關斷(GTO)晶閘管電流自關斷型1~5kHz方便實現變頻、逆變和斬波
第三代20世紀70年代絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和電力場效應管(NOSFET) 電壓(場控)自關斷型20 kHz以上隨意導通和關斷
第四代20世紀80年代 智能功率集成電路(PIC)和模塊(IPM)、集成門極換流晶閘管(IGCT) 開關頻率高速化、低導通電壓的高性能化及功率集成電路大規模化任意邏輯控制、功率、保護、感測與測量

  經過50年的發展,變頻技術正朝著數控化、高頻化、數顯化、高集成化和強適應化發展。

變頻技術的利弊[4]

  1.顯性效益

  顯性效益就是指節電效益。變頻控制傳動調速對於負載性質和負載率的不同,節電率也是不同,低壓變頻控制設備,一般負載率在0.5左右時,節電率在20%一47%左右,比如定量泵註塑機、排污填水池電動機、給氧風機等,空調水泵基本上平均節電率都在25%-60%左右。

  低壓設備變頻調速改造投資少、見效快,投資回報期基本上在一年左右。

  2.隱性效益

  1)實現了電動機的軟起軟停,消除電動機起動電流對電網的衝擊,減少了起動電流的線路損耗;

  2)消除了電動機因起停所產生的慣動量對設備的機械衝擊,大大降低了機械磨損,減少設備的維修,延長了設備的使用壽命

  3)空調水泵的軟起、軟停剋服了原來停機時的水槌現象。

  3.缺點弊端

  (1)性價比不穩定

  變頻技術的應用往往使得應用系統的費用上漲。一個較為貼近生活的例子,就是空調——“變頻空調”的價位通常比同等功率的“定頻空調”高出千元左右;維護費用高,在超出保修期後進行維修費用高得嚇人。而且使用不當的話,會進一步影響其性價比。這是因為變頻技術省電的訣竅在於能源使用的供需平衡上,如果實際負荷總要求在滿負荷時,其節能效果就幾乎為零了。另外,變頻的節能只有在連續使用的情況下才可以體現,否則隨著元器件的自然老化,設備不用也會喪失工作能力的,低電壓的情況下功率是不可以達到正常使用效果。

  (2)干擾大

  除上述的有利一面,同時也存在一些問題。任何事物都不是絕對的,都要辯證去看去分析,低壓變頻器輸出波形為脈衝形式,會產生一些干擾,實際運行中單台干擾不嚴重,以30kW容量為例,干擾福射基本在lOm之內,在設計電路中加裝陷波電路或磁環或陷波線圈就可以將干擾減少到最小,一般使用時儘量遠離電腦等怕干擾設備,對於多台集中安裝時安裝位置要儘量拉開距離,還需專門加裝陷波電路屏蔽接地,將干擾減少到最小。

  高壓變頻設備干擾性很小,控制技術較高,輸出電壓波形近似正弦波形,但設備體積較大,安裝調試都比較複雜。

  (3)調節滯後

  變頻技術的閉環控制方法,為了避免系統不穩定,往往犧牲一定的響應速度,因此當負荷變化較大時,會造成調節的滯後。

變頻技術在家電領域的應用[5]

  20世紀70年代,家用電器開始逐步變頻化,出現了電磁爐、變頻照明器具、變頻空調器、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH(感應加熱)電飯煲、變頻洗衣機等。90年代後半期,家用電器則依托變頻技術,瞄準了高性能和省電。如,要求其具有高速高效率、控制性能好、高舒適感、長壽命、安全可靠、靜音、省電等優點。

  首先是電冰箱,由於它處於全天工作,採用變頻製冷後,壓縮機始終處在低速運行狀態,可以徹底消除因壓縮機啟動引起的雜訊,節能效果也更加明顯。

  其次,空調器使用變頻後,擴大了壓縮機的工作範圍,其冷、暖控制不需要壓縮機在斷續狀態下運行就可實現,降低了電力消耗,消除由於溫度變動而引起的不適感。近年來,新式的空調器已採用無刷直流電動機實現變頻調速,其節能效果較交流非同步電動機變頻又提高約10%~15%。為了進一步提高裝置的效能,近年來,日本的空調器又逐步從單純的PWM控制改為PWM+PAM混合控制方式。即較低速時採用PWM控制,保持U/f為一定;當轉速大於一定值時,將調製度固定在最大值附近,通過改變直流斬波器的導通占空比,提高逆變器輸入直流電壓值,從而保持變頻器輸出電壓和轉速成比例,這一區域稱為PAM區。採用混合控制方式後,變頻器的輸入功率因數、電機效率、裝置綜合效率都比單純PWM控制時有較大幅度的提高。

  近年來,更多的家電採用了變頻技術:新式的變頻冷藏庫不但減小了耗電量、實現了靜音化,而且利用高速運行能實現快速冷凍;在洗衣機方面,過去使用變頻實現變速控制,提高洗凈性能,新流行的洗衣機除了節能和靜音化外,還在確保柔和洗滌衣物等方面推出新的控制內容;電磁加熱爐利用高頻感應加熱使鍋子直接發熱,沒有燃氣和電加熱的熾熱部分,因此不但安全環保,還大幅度提高加熱效率,由於其工作頻率高於聽覺之上,從而消除了飯鍋振動引起的雜訊;利用變頻IH電飯堡(感應加熱式電飯煲)得到的火力比電加熱器更強,而且可以進行火力微調,只要合理設計加熱感應線圈,便可得到任意的加熱佈局,炊飯性能上了一個檔次;變頻微波爐利用高頻電能給磁控管必要的升壓驅動,電源結構小,爐內空間更寬敞,新式微波爐能任意調節電力,並根據不同食品選擇最佳加熱方式,縮短時間,降低電耗;照明方面,熒光燈使用高頻照明,可提高發光效率,實現節能、無閃爍、易調光、頻率任意可調、鎮流器型小量輕等。

  變頻技術正在給形形色色的家電帶來新的革命,並將給用戶帶來更大的福音。今後變頻技術還將隨著電力電子器件、新型電力變換拓撲電路、濾波及屏蔽技術的進步而進一步發展。

  採用變頻技術的家電具有以下優點:

  功能全:由於採用了變頻技術,電機的控制性能可謂實現了質的飛躍。電機運行更加靈活,速度範圍更加寬廣,家電的性能得到更大的提升。電冰箱利用變頻技術可以實現快速冷凍;洗衣機使用變頻技術實現可變速控制,提高洗凈性能;空調器在採用變頻技術後,消除了由於溫度波動而引起的不適感。

  功耗低:傳統的空調和冰箱等電機驅動類家電,由於調速的限制,電機處於間斷的啟停工作狀態,電機的功率因數低,不斷地啟動電機帶來很大的電能浪費。採用變頻技術後,電機的速度控制變得輕而易舉,不但可以實現快速的寬範圍調速,而且可以使電機在允許範圍內以任意速度長時間運行,電機功耗大大降低。

  健康環保:家電性能的提升使人們的生活更加舒適。空調採用變頻技術後,壓縮機的工作方式由寬範圍平滑運行方式取代頻繁的啟停工作方式,室溫的波動範圍變得更小,壓縮機的壽命變長,噪音變得更小;熒光燈採用高頻照明,提高發光效率,且無閃爍易調光,可很好地保護眼睛;採用變頻技術的洗衣機更是集節水、節能、環保於一身。

變頻技術的應用[6]

  近十幾年來,隨著電力電子技術、微電子技術及現代控制理論的發展,變頻器技術的成熟和價格的降低,變頻器已廣泛應用於交流電動機的變速控制。暖通空調系統耗能在整個建築物耗能中所占的比例日益增大,其中泵與風機的流體輸送能耗在空調設備能耗中又占了很大比例,因此在暖通空調領域應用變頻調速技術,一方面可以極大地節省水泵或風機的電能,實現系統的節能運行;另一方面可以提高系統的運行品質,實現高精度控制,滿足對環境的舒適度和生產過程中對環境的溫、濕度精度要求。近年來,變頻控制已在通風、空調、供熱等系統中得到了廣泛應用。

  1.水泵與風機的特性

  水泵和風機是暖通空調系統中大量應用的流體輸送設備,也是主要能耗設備之一。在集中空調系統中,迴圈水泵、風機的裝機功率約占空調系統總裝機功率的50%。

  風機與迴圈水泵的特性為轉速改變時,其流量、揚程和軸功率相應改變,變化關係為:
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——分別為水泵的流量、揚程、軸功率和轉速。

  即流量與轉速的一次方成正比,壓力與轉速的二次方成正比,功率與轉速的三次方成正比。由此可見,當通過降低轉速以減少流量來達到節流目的的同時,所消耗的功率將明顯降低。例如,當轉速降到80%時,流量減少到80%,而軸功率卻下降到額定功率的(80%)3≈51%;若流量需減少到40%,則轉速相應減少到40%,此時軸功率下降到額定功率的(40%)3≈6.4%。

  水泵轉速改變時不僅可調節流量,且可大幅度節約水泵、風機電量
消耗,是水泵、風機能量調節最合理的方法。但在一定的轉速下,流量與壓力之間的關係卻是固定的,這就是風機或迴圈泵的流量一壓力(Q-P)曲線,即圖1中P1曲線,與管道參數無關。

  空調系統的設計一般都是按室內負荷(與人員、燈光、設備有關)和室外氣候最不利的情況來設計的,設備是按其使用的最大負荷來確定的。但空調負荷在全年是不斷變化的,一年中設計工況的出現時問只有數天或數十小時,空調及其輸送設備絕大多數情況下都是在非滿負荷工況下運行,那麼就要有有效的調節手段滿足負荷的需求。輸送系統理想的運行工況應當是系統的風量或水量隨空調系統負荷的變化而作相應的變化。改變流量的方法不同,節能的效果也不一樣。

  對於一個輸送系統,當其管路確定後,其管道內流量與阻力的關係就是管道的流量一壓損曲線。一臺特定的風機或水泵與一個特定阻力的管道組成系統後,管路系統要求的流量及相應的阻力必須由水泵或風機來滿足,如將水泵或風機的性能曲線Q-P與管路的流量-壓損曲線同繪在一張坐標圖上,其設備的工作曲線與管道系統的阻力曲線的交點就是系統的工作點(見圖1中的a1點),這時風機或水泵的壓頭與管道的壓力損失達到平衡。

  2.輸送系統調節方式

  如果要調節輸送流量,可行的方式有如下兩種。

  (1)改變管路特性曲線。即在管路上安裝閥門,通過關小閥門加大系統局部阻力(也即改變管路系統特性曲線)的方法來進行調節。從圖1中可見,隨著系統阻力增加,系統管路特性曲線從C1過渡到C2,工作點則沿著曲線P1a1點移動到a2點,雖然流量減少了,但消耗在閥門上的損耗增加了,且隨著工作點的偏移,風機或水泵的效率也相應降低。實踐證明,這種調節方式在流量減少的情況下,水泵或風機的軸功率基本沒有改變。

  (2)變頻調速的方式。即管路的阻力特性保持不變(即閥門不變),通過改變風機或水泵的工作特性來調節流量。對於一臺特定的風機或水泵,其工作特性隨轉速的改變而改變。當需要的流量減少時,對風機或水泵可通過變頻調速的方式使其轉速降低。從圖1中可看到:設備特性從P1過渡到P2,工作點改變為沿曲線C1移動至與P2的交點即a3點,在流量降低的同時壓力也降低了。依據風機或水泵的軸功率與流量的三次方成正比的關係式可分析出,變頻調速方法的節能效果是非常明顯的。表2列出了不同流量下節電率的經驗數據。

表2 風機變頻調速節能率參考數據(單位:%)

實需流量/標稱流量與不調節方案比與出口節流比與入口節流比
9020~2319~2217~20
8037~4235~4032~37
7050~5747~5443~50
6058~6854~6448~58

  3.變頻調速控制系統的組成

  暖通空調中用到的變頻調速控制系統一般由感測器、變送器、調節器、控制器、變頻器、電動機及被控制設備幾部分組成。感測器用來感測被控設備中的被控參數,它可以是流量、壓力、溫度、濕度、氣體含量等,一般是利用感測器把被控參數轉換成電信號。變送器的作用是把感測器得到的電信號進行放大、整形等處理,然後統一調整為規則化的電壓,如0~5V或電流信號4~20mA等作為調節器的輸入。調節器或控制器,其實就是一個由單片機組成的微型控制系統,本身具有計算、判斷、邏輯分析功能。它有數字和模擬輸入端、數字和模擬輸出端,可以在軟體的控制下實現PID或模糊控制等控制規律,還可以利用數字輸出口,指揮數臺電機的調頻與工頻之間的切換、被控設備相關部件的開啟或關閉等多種操作。變頻器是利用電子器件的智能控制技術把電壓頻率固定的交流電變成電壓頻率可變的交流電的一種控制設備。用變頻器輸出的頻率、電壓可變的交流電去驅動輸送設備的電機,就可以實現風機或水泵調速的目的。變頻器一般由供電部分、輸出部分、控制部分、保護部分、顯示部分和給定部分組成。電機和被控設備一起構成了生產過程的動力源和執行機構,用以保證生產或系統的正常工作。

  十多年以來,變頻器的可靠性越來越強,價格越來越低,應用的領域越來越廣泛。目前我國變頻器的市場價格:容量為11~90kW時,進口品牌約800~1300元/kW,國產約350~500元/kw;容量為5.5kW、7.5kW時,進口品牌約1500元/kW,國產約800元/kW;容量≤4.0kW時,進口品牌約2000~4000元/kW,國產約900~1700元/kW。

  4.變頻調速技術在暖通空調中的應用

  (1)變風量空調及控制系統

  空調系統的設備選型一般都是按室內負荷和室外溫濕度接近最不利的情況來確定的。但在運行中,大部分時間都是在非滿負荷下工作。常規的定風量系統是靠調節送風溫度來確保空調區域的設定溫度,而變風量系統則是當空調冷負荷變小以後,通過改變送風量來調節和控制空調區域的設定溫度。如果系統全年均在70%風量下工作,風機耗電約可減少一半,因此變風量系統是一種節能的空調運行方式。

  變風量(簡稱VAV)系統是屬於全空氣系統的一種空調方式,通過變風量末端裝置調節送入房間的一次風量,其變頻送風空調機組的風量也相應調整。

  變風量系統的分類:按服務區域分,可分為單區和多區系統;按風道佈置方式分,可分單風道和雙風道系統;按風管內靜壓控制的方式分,可以分為定靜壓控制、變靜壓控制、直接數字式控制和靜壓不控制系統,實際中,應用較多的是定靜壓控制和變靜壓控制。

  ①單區變風量系統——是目前最簡單的一種變風量系統,通過改變空調機組中風機的轉速來達到變風量的目的,系統只有風機調速部分,而無末端裝置,送風量根據房間負荷的變化作相應變化。需要註意:要確定運行最低轉速值,以確保氣流組織不受影響。

  多區變風量系統——其與單區變風量系統的主要區別是,除了空調機組可以調節外,每間空調房間的送風口都安有變風量末端裝置,由該房間的溫控器控制送入房間的風量,達到控制房間溫度的目的。

  ②單風道系統——採用一條送風管,經變風量末端裝置再調節後向室內送風。單風道系統又可分為再熱、誘導、風機動力等幾種調節形式。

  雙風道系統——採用雙風管送風,一根風管送熱風,一根風管送冷風,通過變風量末端裝置混合後送入室內。雙風道變風量系統可以是單風機,也可以是雙風機。雙風道變風量系統的優點是可以同時供冷和供暖,不需要進行季節轉換,對於建築物的分隔變更,有較大的靈活性和適應性;其缺點是冷熱混合會因能源抵消造成浪費,濕度控制困難,且一次投資高、雙風道占用空問大。

  ③定靜壓控制——在送風系統管網的適當位置設置靜壓感測器,測量該點靜壓,根據測量到的靜壓和設定值,通過不斷地調節空調箱送風機的送風量以保持該點靜壓固定不變。靜壓感測器一般佈置在風機出口到最遠末端距離約2/3處。在大型系統中,因末端較多,確定各種負荷下的最佳感測器位置比較困難,常常採用多個感測器並通過試錯選定。

  變靜壓控制——採用帶風閥開度感測器、風量感測器和室內溫控器的變風量末端裝置,根據風閥開度由系統控制器計算判斷來控制送風機的變頻器。實際中,應使系統中至少有一個變風量末端裝置的風閥處於接近全開狀態,即儘量使風機運行靜壓最低。變靜壓控制是最節能的控制方法,其優點是節能效果顯著,適用於各種送風管網系統;其缺點是因增加了風閥開度控制,變風量末端裝置的成本相應增加,現場調試工作周期較長。

  (2)水泵的特性及變水量系統節能潛力

  閉式迴圈系統中的迴圈水泵工作特性及其管路的阻力特性、水泵變頻調速的節能潛力與風系統近似。但擔負垂直提升揚程的水泵,因垂直壓差是固定的,水被泵提升到高位獲得的位能功率,與流量成正比而不與轉速的三次方成正比,因此其系統的管道阻力特性與風道阻力特性明顯的差別就是:其特性受到管路中垂直揚程的影響,特性曲線的起點在壓力坐標上有一個起始值,見圖2a)中的A點,該值就是水泵的泵升揚程(泵升揚程=實際提升揚程+管路出口壓力-管路入口壓力)。因此轉速一功率關係就分為了兩段:在出水轉速以下即水泵的壓力小於垂直壓差時,輸入的電功率需要剋服機械損耗、電機與變頻器損耗及水泵內部水流空轉的損耗,功率很小,且隨轉速變化幅度不大,如圖2b)中B點左邊的曲線;出水後水流空轉損耗變成了管道損耗,其功率與轉速間有近似三次方關係,如圖2b)中曲線1所示,輸入功率隨轉速降低而明顯減少。
Image:离心泵类节能原理示意图.jpg

  (3)迴圈泵變頻調速的應用

  共母管的多台泵組成的流體輸送系統,在應用變頻調速時有兩種不同的方式:多台泵全變速和多台定速泵十一臺變頻調速泵。這兩種方式使整個輸送系統的流量、壓力關係不一樣,其節能效果也有差別。

  ①多台泵全變速,即對多台泵進行同步調速,其聯合運行的特點與一臺大流量變速泵的特點相似,但是多台泵並聯後聯合運行的性能曲線變得更為平坦。因此,採用全變速泵方式時,泵的台數不宜較多。變速泵可採用泵出口壓力控制,也可採用供、回水壓差控制,採用壓差控制比壓力控制更節能。

  ②採用多台定速泵與一臺變速泵同時運行,在流量未達到滿負荷時調節變速泵轉速而改變聯合運行的總流量,當流量每減少一臺泵的流量時則停一臺定速泵。在所有運行過程中,變速泵始終處於運行狀態。下麵以兩台泵並聯其中一臺變頻為例作一分析,參見圖3。
Image:多泵系统流量-压力关系不意图.jpg

  當兩台泵同時在定頻下運行時,兩泵的工作特性如圖3a)所示曲線P0,兩泵的聯合工作特性如圖3b)所示曲線P1,其與系統阻力特性曲線C的交點就是系統設計工作點,這時兩泵各自的工作點都在圖3a)中曲線P0C1的交點處,C1曲線相當於單泵系統的自然管路阻力特性曲線。當調速泵轉速降低,其工作特性變化為圖3a)中曲線Pa2時,定頻泵的工作特性仍然是曲線P0,兩泵的等效工作特性如圖3b)所示曲線P2,它與系統的阻力特性曲線C的交點L0就是其新的工作點,此時兩泵的工作壓力為圖3a)中壓力線L,它與圖3b)中L0點的壓力相等。從圖中可看出,這時兩泵的工作點均偏移,定頻泵的工作壓力低於自然管路阻力點,流量比不調速時增加了。而調速泵的工作壓力高於自然管路阻點,即圖3a)中曲線Pa2C1的交點,其流量比單泵變頻調速時低,兩泵聯合作用後系統總流量的下降大致與單泵調速時流量下降的絕對值相當,但因工作點的偏離,效率有所降低。當調速泵轉速進一步降低,工作曲線變化為Pa3時,定頻泵仍然在曲線P0工作,兩泵聯合工作特性為曲線P3,交點M0為其新的工作點,兩泵各自的工作點分別為各自特性曲線與壓力線M的交點,這時兩泵的工作點更加偏離自然管阻點,效率降低更加明顯。當調速泵轉速進一步降低到壓力低於系統工作壓力線時,其逆止閥關閉,調速泵不能出水,水泵不出水時的空轉不僅要浪費能耗,而且會對泵本身產生不良影響,因此在系統調試時應限制最低頻率以防止空轉。如果將圖3的情況量化分析,則為:當一臺泵調速時,轉速下降使系統總流量下降,系統阻力損失降低,系統的壓力因此下降,導致定頻泵流量增加,當系統流量降低到92%時,定頻泵流量增加到106%,變頻泵流量則降低為78%;當系統流量降低到83%時,定頻泵流量增加到112%,變頻泵流量則降低為54%;當系統流量降低到70%時,定頻泵流量增加到120%,變頻泵流量則降低為20%;如果轉速再降低,則調速泵將不再出水。圖3b)中的k2k3k4分別是調速泵不同轉速下的出水點,壓力高於此點,則調速泵不能出水。

  多泵並聯繫統中用一臺作變頻調速,其餘泵作定速泵聯合運行的方式,其投資比用多台泵全變速小,但由於工作點偏移造成機械效率降低,其節能效果不如多台泵同時調速好。關於控制方式對其節能效果的影響,採用壓差控制與壓力控制,在定一變速泵系統中兩種方式的節能效果相近。

  空調採暖迴圈水泵變速調節一般多用於二次泵系統(即用戶側)。關於一級泵系統、水泵變流量調節(即負荷側和冷源側的水流量均隨空調負荷改變,冷水機組根據系統回水溫度調節製冷量,而水泵隨著冷負荷的變化而改變流量),由於冷水機組對水流量的變化大小及變化率有一定的要求,如果流量過低,可能導致局部凍結的危險。為了使設備安全運行,變流量調節時要保證冷水機組的水流量不低於生產廠家規定的最低額定流量。

  需要註意的是,無論是變頻水泵或是風機,調試時均需要針對共振可能進行測試和處理。即在調試時,在電機啟動至緩慢加速過程中,在設備旁觀查有無共振現象,發現共振區域後設置跳躍頻率參數將該頻率跳過。

  空調、採暖、通風系統採用變頻調速,最終目的是調節系統的水量和風量,藉以滿足負荷不斷變化時的供熱、供冷需求的同時,實現最大限度的節電、節能效果。把變頻調速技術應用於暖通空調系統,是一種理想的調速控制方式,對減少建築物的整體能耗、提高能源利用率、提高系統運行效率有很大的意義。

參考文獻

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