变频器在民用建筑中的应用

随着电力电子技术、微电子技术的发展及控制理论的进步，加之变频器具有高效率的性能和良好的控制特性，目前已经广泛地应用于交流电动机的速度控制中。人们使用变频器不但可以节省能量，而且可以提高产品质量与数量。在建筑系统中应用变频器主要还是为了节能与获得良好的起动特性。本文介绍了变频器在建筑中的具体应用。
　　1 变频调速的基本原理
　　众所周知，三相交流电动机的转速与频率、极数及转差率之间的关系如下：
　　n=60f?1-s/p
　　其中：
　　n——每分钟的转速;
　　f——交流电的频率;
　　p——磁极对数;
　　s——转差率。
　　在三相电动机中对转速的调整可以通过调整交流电的频率、电动机的极数以及转差率来实现。过去人们通过对电机的极数变化来调整电机的转速，但随着电子技术的发展，变频器技术的不断成熟，调整电源的频率要比调整电机的极数与转差率方便得多，所以，现在对三相交流电动机进行转速调整都通过调节三相交流电的频率来实现。
　　2 变频器在中央空调系统中的应用
　　中央空调是大楼里的耗电大户，每年的电费中仅空调耗电占60%左右，因此中央空调的节能改造显得尤为重要。由于中央空调系统必须按天气最热、负荷最大时设计，并且留10～20%设计余量，而实际上绝大部分时间空调是不会运行在满负荷状态下，所以，存在较大的富裕量，节能的潜力较大。
　　其中，冷冻主机可以根据负载变化随之加载或减载，冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化做出相应调节，存在很大的浪费，所以在中央空调系统通常对冷冻水泵与冷却水泵进行变频控制。由于空调系统的控制对象是水的流速与温度，所以可以通过冷却水系统与冷冻水系统中的出回水温度差进行循环水流速的变频控制。对于冷冻泵来说，由于冷冻水的温度比较固定，所以仅通过回水温度就可以确认房间的温度是否能够达到理想状况。而对于冷却水系统来说就不一样了。由于冷却水系统需要屋顶的冷却塔对冷水机组的出水进行散热，所以需要采集两个地方的温度即冷却塔进、出水温度，并对作温差进行变频控制。由于空调系统的冷却水泵与冷冻水泵一般设计成两(多)台水泵并联，故可以采用一台变频器控制多台水泵的变频方案。当投入的1#水泵工作频率上升至50Hz时，将其切换至工频并将后序的水泵从0Hz起动，依次类推，直至满足所需要的流量与流速从而实现恒温差控制。另外，可以对每一台水泵加变频器进行调速，即所谓的全变频方案，这种方案较单纯，采用一台变频器的调速效果要好得多，但是所需的费用也相应地高一些。另外在中央空调系统中补水泵也采用变频补水方案，只是一般补水泵是一用一备，在变频补水控制柜内增加了水泵运行切换功能。同时由于变频器是软启动方式，采用变频器控制电机后，电机在起动时及运转过程中均无冲击电流，停泵时电机是在变频下停泵，所以对空调水泵的变频控制不但可以节省能量，而且可以延长水泵电机、控制器件及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命，避免水锤现象的发生。
　　3 变频器在恒压自动供水系统中的应用
　　在小区建设普及特别是小高层建筑及高层建筑日益增多的今天，小区的供水问题成为住户比较关心的问题，因为老百姓不再想过“住楼住楼用水发愁”的日子，所以变频恒压自动供水便提上了日程。目前在小区的建设中往往需要建设一个二次加压供水泵房并采用变频器实现恒压自动供水。一般情况下，为保证小区的供水正常，在设计时往往设计成“一用两备”三台水泵，由一台变频器(附加PID调节器、单片机、PLC等器件构成控制系统)拖动三台水泵循环运转。与空调水泵控制不同，恒压供水自动控制系统通过压力传感器采集管网中的压力并将其转换成模拟信号进行变频控制。这样变频恒压水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置，为局部加压供水开辟了新的途径。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40%。可编程控制器结合使用，可实现循环变频，电机软启动，具有欠压保护、过压保护、短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。其工作原理与空调系统水系统的工作原理基本相同。
　　首先?1#泵由变频器供电工作，水泵电机转速随着调节器输出给变频器控制信号的变化而改变，以保持管网压力的稳定。用水量大时，变频器输出频率升高;用水量小时，频率降低。当频率上升到50Hz?即水泵全速运转时　仍不能满足供水需要时，则PLC自动将1#泵切换到工频运行，1#泵由电网供电全速运行，2#泵由变频器供电投入运行，如果2#泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则PLC自动将2#泵切换到工频运行，3#泵由变频器供电投入运行，依此规律逐个投入运行;当1#～2#泵都处于工频全速运行方式，3#处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限时，供水量仍大于用水量，则系统自动将3#泵停止运行。同样，3#泵停机后，如果此时供水量还大于用水量，则系统自动将2#泵停止运行，依此类推。如果此时用水量又大于供水量，则系统自动将2#泵由变频器供电运行......，所有水泵电机从停止到旋转工作及从旋转工作到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动冲击电流和启动给水泵电机带来的机械冲击，保证了管网压力稳定，满足了小区的正常供水。
　　4 变频器在消防泵巡检柜中的应用
　　由于消防栓泵、喷洒泵及水幕泵的直接启动、Y-△或自藕降压方式启动在短时间内可以满足消防要求，且消防状态时所有的非消防电源均已切断，故一般情况下不采用变频器启动方式，而对于变频巡检柜可应用变频器来实现。由于消防泵?消防栓泵、喷洒泵及水幕泵　长期不投入使用，容易发生泵生锈堵转等现象，故应对消防泵定期进行低频运转，以免有消防需要时，消防水泵不能正常起动，贻误火灾的扑救。但是在消防巡检柜的调试中应将变频器的频率调至最低但不能影响管网的压力，另外需要按照一定的周期使上述水泵短时不超过1分钟处于低频运转状态。
　5 变频器在风机系统中的应用
　　随着高楼大厦的不断增多，各种风机(排风机、排烟风机、送风机、空调新风机)使用量也增加。在通常情况下，风机风量的调节主要是通过挡板进行，这种方式虽然简单，但是对电能的耗费较大，约占风机功率的60～70%，同时由于用量常有变化及工程设计裕量大，造成了“大马拉小车”的现象，不符合现代建筑的节能理念;同时由于风机的数量增加，配电设施的容量也相应地增加，增大了开发商的投资，这样对风机的变频控制就势在必行。由于风机负载属于平方律特性负载，即气体对叶片的阻力大小与转速的平方成正比。所以，根据风机的风管压力使用变频器及控制器件可以实现对风机的变频控制。风机变频调速系统的主要控制方法基本上都采用开环控制方式，即：手动控制?即通过键盘或外接电位器进行控制　与利用控制器信号进行控制。
　　6 变频器在电梯中的应用
　　6.1 垂直客梯中的应用
　　在小高层住宅与高层住宅中，电梯是不可或缺的交通与运输工具，没有电梯小高层与高层建筑就失去了市场，失去了其优越性。而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。
　　由于电梯在匀速运行过程中人们没有不舒适感，而出现不舒适感的时间就是在电梯升速与减速运行的过程中，但只要能在电梯变速运行过程中，维持电梯运行加速度不发生变化，人们将不会有不舒适的感觉。同时由于将电梯的最佳速度曲线存于电梯控制柜的电子储存器中，在电梯控制器件的控制下，电梯运行过程中的速度采样与最佳速度曲线进行对比，由变频器不断地对电动机的频率进行调整，从而使电梯的速度恒定。目前最常用的是VVVF电梯调速系统，它不仅可以提供优越的调速性能，更具备显著的节能效果，所以被广泛地应用。
　　6.2 在自动扶梯中的应用
　　一般由商用电源供电的自动扶梯是恒速运行的，从早到晚不管有无乘客均连续运行，因此，能量消耗大，皮带磨损严重。而节电的变频自动扶梯则在乘客的上、落口处设置专用的传感器，当检测出无乘客时，让驱动电机从商用电源上断开，使自动扶梯停止，达到节电的目的。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。具体的做法是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。
　　此外，应用变频调速可以进行电机软起动，起动效率高，小的起动电流能产生高转矩。结果，使电动机发热减低，且可进行频繁地运转、停止。对于可逆自动扶梯亦可利用变频器正反转功能进行柔性切换，不会损伤机械和电机。
　　7 总结
　　以上是笔者在实际工作过程中使用变频器在建筑电气自动控制系统中实现节能或控制的一些体会。变频器在建筑系统中的应用还远远不止这些，如在音乐喷泉、锅炉系统、空调压缩机以及家用空调等方面，可以预见，它的应用将随着电子技术的发展与变频器的不断更新会越来越广泛。