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案例頻道 一、變頻器工作原理及技術(shù)規范
1、變頻器原理介紹
變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。低壓變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節為濾波、直流儲能和緩沖無(wú)功功率。通過(guò)變頻器可以自由調節電機的速度。如圖1為變頻器內的控制電路框圖。
圖1 變頻器內的控制電路框圖
2、變頻器技術(shù)規范
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控制 |
控制方法 |
空間電壓矢量控制方式 | |||
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頻率設定分辯率 |
數字 : 0.01 Hz (100 Hz以下), 0.1 Hz ( 100 Hz以上)
模擬 : 0.05 Hz / 50 Hz, 輸出頻率范圍:0 – 300 Hz | ||||
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頻率精度 |
數字 : 最大輸出頻率的0.01 %
模擬 : 最大輸出頻率的0.1 % | ||||
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V/F 比率 |
線(xiàn)性, 平方根, 任意 V/F | ||||
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過(guò)載能力 |
額定電流150 % -1 分鐘, 額定電流200% - 0.5 秒。(特性與時(shí)間成反比) | ||||
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轉矩補償 |
手動(dòng)轉矩補償 (0 - 20 %), 自動(dòng)轉矩補償 | ||||
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運行 |
輸入信號 |
運行方式 |
鍵盤(pán)/ 端子 /RS485 通訊 | ||
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頻率設定 |
模擬 : 0 - 10V / 4 - 20 mA /, 子板的另外端口(0 - 10V/4 - 20 mA)
數字 : 鍵盤(pán)/RS485 通訊 | ||||
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啟動(dòng)信號 |
正轉,反轉 | ||||
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多段速度 |
至多可以設定8個(gè)速度 (使用多功能端子) | ||||
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加減速時(shí)間 |
0-6000秒，加減速時(shí)間可切換
加減速方式:線(xiàn)性, S型 | ||||
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緊急停止 |
中斷變頻器的輸出 | ||||
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寸動(dòng) |
慢速運行 | ||||
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自動(dòng)運行 |
通過(guò)設定的參數自動(dòng)運行(7段速度) | ||||
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故障復位 |
當保護功能處于有效狀態(tài)時(shí)，可以自動(dòng)復位故障狀態(tài)。 | ||||
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輸出信號 |
運行狀態(tài) |
頻率檢測等級，過(guò)載報警，過(guò)電壓，欠電壓，變頻器過(guò)熱， 運行，停止，恒速，自動(dòng)程序運行 | |||
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故障輸出 |
觸點(diǎn)輸出 – 交流250V 1A, 直流30V 1A | ||||
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模擬輸出 |
從輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，直流電壓中選擇
(輸出電壓: 0 - 10V) | ||||
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運行功能 |
直流制動(dòng)，頻率限制，跳頻，滑差補償，反轉保護，PID 控制等 | ||||
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保護功能 |
變頻器保護 |
過(guò)電壓，欠電壓， 過(guò)電流， 保險絲斷，接地故障， 變頻器過(guò)熱， 電機過(guò)熱， 缺相，過(guò)載保護，外部故障1,2， 通訊錯誤，速度指令丟失， 硬件故障， 選件錯誤等。 | |||
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變頻器報警 |
堵轉防護，過(guò)載報警， 溫度傳感器故障。 | ||||
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瞬間掉電 |
小于15 毫秒：連續運行
大于15 毫秒：允許自動(dòng)重新啟動(dòng) | ||||
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顯示 |
鍵盤(pán) |
運行信息 |
輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，設定頻率，運行速度，直流電壓 | ||
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錯誤信息 |
當故障保護時(shí)的運行狀態(tài)， 保存有3個(gè)故障歷史信息。 | ||||
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環(huán)境 |
環(huán)境溫度 |
-10 ℃ ～ 40 ℃ | |||
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儲存溫度 |
-20 ℃ ～ 65 ℃ | ||||
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環(huán)境濕度 |
最大90 % RH .(不結露) | ||||
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高度/振動(dòng) |
1,000 m 以下，5.9m/秒?(=0.6g)以下 | ||||
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應用地點(diǎn) |
無(wú)腐蝕氣體、易燃氣體、油霧或粉塵及其它 | ||||
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冷卻方式 |
強制風(fēng)冷 | ||||
二、中央空調系統運行中所存在的問(wèn)題及解決方案
（1）電機及風(fēng)機的轉速高，負荷強度重，電能浪費嚴重；
（2）電氣控制直接起動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流對電網(wǎng)沖擊大，需要的電源（電網(wǎng)）容量大，功率因素較低；
（3）起動(dòng)時(shí)機械沖擊大,設備使用壽命低；
（4）電氣保護特性差，當負載出現機械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護設備等。
（5）設備在全電壓?jiǎn)?dòng)、運行、停止的過(guò)程中，由于無(wú)法進(jìn)行及時(shí)有效的調節，會(huì )產(chǎn)生嚴重的水錘、機械噪音增加、震動(dòng)加劇等現象，這些現象都具有極大的破壞性，會(huì )引起管道破裂或癟塌、損壞閥門(mén)。
對于中央空調水泵系統來(lái)說(shuō)，由于交流電動(dòng)機自身沒(méi)有功耗調節裝置，不能象中央空調主機一樣自動(dòng)調節輸入輸出功率，當系統負荷下降以后，循環(huán)水泵系統仍不得不以最大浪費的現象。如果安裝變頻器以后就能根據實(shí)際負荷量的大小，動(dòng)態(tài)地自動(dòng)調節循環(huán)水泵系統的流量和消耗功率，把系統不需要的那部分耗電節省下來(lái)。（一般節電率可達25%-60%左右）。
三、節能分析
變頻調速技術(shù)的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過(guò)改變電動(dòng)機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類(lèi)設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。如下圖示為壓力H-流量Q曲線(xiàn)特性圖:風(fēng)機、泵類(lèi)在管路特性曲線(xiàn)R1工作時(shí)，工況點(diǎn)為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時(shí)風(fēng)機、泵類(lèi)所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于A(yíng)H1OQ1的面積。由于工藝要求需減小流量到Q2，實(shí)際上通過(guò)增加管網(wǎng)管阻，使風(fēng)機、泵類(lèi)的工作點(diǎn)移到R2上的B點(diǎn)，壓力增大到H2，這時(shí)風(fēng)機、泵類(lèi)所需的功率正比于H2與Q2的乘積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風(fēng)機、泵類(lèi)所需的功率增大了。這種調節方式控制雖然簡(jiǎn)單、但功率消耗大，不利于節能，是以高運行成本換取簡(jiǎn)單控制方式。
n1-代表電機在額定轉速運行時(shí)的特性；
n2-代表電機降速運行在n2轉速時(shí)的特性；
R1-代表風(fēng)機、泵類(lèi)管路阻力最小時(shí)的阻力特性；
R2-代表風(fēng)機、泵類(lèi)管路阻力增大到某一數組時(shí)的阻力特性。
若采用變頻調速，風(fēng)機轉速由n1下降到n2，這時(shí)工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到C點(diǎn)，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時(shí)變頻調速后風(fēng)機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見(jiàn)功率的減少是明顯的。假設將水泵轉速降低10%（輸出頻率45HZ時(shí)），則功率P2=（0.9）3*P1=0.729P1,節電27.1%。假設將水泵轉速降低20%（輸出頻率40HZ時(shí)）則功率P2=（0.8）3*P1=0.512*P1，節電48.8%。由于功率與轉速成三次方的關(guān)系，因此，轉速變化越大，功率的消耗將呈幾何級數減少。
四、中央空調現狀所設計的方案及推薦使用
由于中央空調系統中設備的設計和選用是根據空調系統在外部環(huán)境、溫度條件最差，設備的各支路負荷最大，再加上一定的設計余量來(lái)確定的，但實(shí)際使用中，絕大多數時(shí)間空調系統是在非滿(mǎn)負荷狀態(tài)下運行，這樣空調系統長(cháng)時(shí)間工作于低效率狀態(tài)，造成很大的能源浪費，因此，具有極大的節能潛力。
控制方案：（電路圖見(jiàn)附圖）
選用一套CDI9100-G037T4德力西變頻柜（一拖三）可“工頻——變頻”切換控制三臺37KW冷卻水循環(huán)水泵、一套CDI9100-G045T4德力西變頻柜（一拖三）可“工頻——變頻”切換控制三臺45KW冷媒水循環(huán)水泵和一套CDI9100-G15T4德力西變頻柜（一拖三）可“工頻——變頻”切換控制三臺15KW采暖水泵的運行，在水泵循環(huán)系統運行的同時(shí)自動(dòng)監控空調系統負荷狀況，使系統在滿(mǎn)足負荷要求的前提下運行在節能狀態(tài)。
五、元器件清單
控制方案：（電路圖見(jiàn)附圖）
選用一套CDI9100-G037T4德力西變頻柜（一拖三）可“工頻——變頻”切換控制三臺37KW冷卻水循環(huán)水泵、一套CDI9100-G045T4德力西變頻柜（一拖三）可“工頻——變頻”切換控制三臺45KW冷媒水循環(huán)水泵和一套CDI9100-G15T4德力西變頻柜（一拖三）可“工頻——變頻”切換控制三臺15KW采暖水泵的運行，在水泵循環(huán)系統運行的同時(shí)自動(dòng)監控空調系統負荷狀況，使系統在滿(mǎn)足負荷要求的前提下運行在節能狀態(tài)。
五、元器件清單
七、采用變頻器控制的優(yōu)點(diǎn)
(1)、采用變頻器控制電機的轉速，取消擋板調節，降低了設備的故障 率，節電效果顯著(zhù)；
(2)、采用變頻器控制電機，實(shí)現了電機的軟啟動(dòng)，延長(cháng)了設備的使用壽 命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；
(3)、電機將在低于額定轉速的狀態(tài)下運行，減少了噪聲對環(huán)境的影響；
(4)、具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護功能；
(5)、變頻具有工/變頻切換功能，能夠保證生產(chǎn)的連續性。
實(shí)踐證明，變頻改造具有顯著(zhù)的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝要求，并且還大大減少了設備維護、維修費用，另外當采用變頻調速時(shí)，由于變頻裝置內的直流電抗器能很好的改善功率因數，也可以為電網(wǎng)節約容量。直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯。
附一：電氣圖
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號