變頻就是改變供電頻率，從而調節負載，起到降低功耗，減小損耗，延長設備使用壽命等作用。變頻調速在空調節能中被廣泛應用。本變頻論文闡述了變頻調速節能的原理，并對各種空調系統的變頻調速進行了闡釋和設計，分析各種空調系統適合什么樣的變頻調速系統，為變頻調速系統的市場前景提供依據。

　　推薦期刊：《暖通空調》(Journal Heating Ventilating and Airconditioning)(月刊)曾用刊名：(建筑技術通訊-暖通空調)1971年創刊，始終以“新穎、實用、準確、精練”為辦刊方針，以提高全行業素質、推動全行業技術交流與發展為宗旨，及時報道國家有關建筑節能和環境保護的重大技術政策，建筑環境與設備工程中供暖、通風、空調、制冷及潔凈技術方面的研究成果、學術論文、先進技術、工程總結、設計經驗、設備開發與運行管理以及行業學術活動與設備市場信息。

　　文章闡述了變頻節能的原理，并以電信大廈的中央水冷空調為例介紹使用變頻器后取得的良好節能效果，同時提出了應用變頻節能可能存在的問題及相應的處理方法，為今后推廣使用變頻技術提供依據。

　　關鍵詞：變頻調速;中央空調;節能;耗電量計算

　　隨著經濟的發展，現代建筑越來越多地采用高層設計。其中中央空調用電占總用電的50%～60%左右，用電成本的居高不下，導致運行費用非常高昂。根據國家倡導創建低碳社會的要求，節約用電是節能的一個重要環節，因此如何有效地降低空調的運行費用成為目前迫切需要解決的問題，從目前國內外高層建筑空調運行技術來看，較為有效的節能措施就是采用變頻調速技術。

　　一、變頻調速原理

　　從原理上變頻器結構比較簡單，變頻器先將直流電轉換為交流電，然后用逆變橋將其再轉換為變頻、變壓的交流電源。三相電源在全波整流器整流后變成直流電，在直流回路的電容器能夠降低電壓波動，且在短時間的電源斷路情況下能夠繼續提供能量。直流電壓運用脈寬調制(PWM) 技術被轉換為交流。通過改變IGBT的開關時間，能夠得到理想的電流。輸出電壓為一系列的方波脈沖，電機繞組的電感使其變成正弦的電機電流。

　　二、變頻調速的節電原理

　　由于中央空調系統在設計時是按現場最大需求量來考慮的，冷水機組是按照最大負荷配置并有一定富裕，其冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔風機和空調末端也是按照最大工況來考慮的，在實際使用中有90%多的時間，冷水機組、冷卻泵和冷凍泵都工作在非滿載狀態下;通過調速方法來調節流量，由于風機、水泵類負載，軸功率與轉速成立方關系(公式1)：

　　式中：n1，n2——電機轉速;G1，G2——水流量;H1，H2——水泵揚程;N1，N2——水泵軸功率。

　　由上可見，風機、水泵類負載，軸功率與轉速成立方關系，當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降。另外變頻器的軟啟動功能及平滑調速的特點可實現對系統的平穩調節，使系統工作狀態穩定，并延長設備的使用壽命。

　　三、變頻調速系統的選擇和設計

　　(一)大樓空調系統組成

　　1.冷凍機組。冷凍機組是中央空調的制冷源，通過各個房間的循環水由冷凍機組進行內部熱交換，降溫為冷凍水。如大廈的中央空調系統由8臺YORK離心式冷水機組組成，冷凍站總制冷量為4300Rt/h。

　　2.冷凍水循環系統。冷凍水循環系統由冷凍泵及冷凍水管道組成。從冷凍機組流出的冷凍水由冷凍泵加壓送入冷凍水管道，在各個機房內進行熱交換，帶走設備和房間的熱量，保證機房合適的溫度。從冷凍機組流出，進入機房的冷凍水簡稱為出水，流經機房后回到冷凍機組的冷凍水簡稱回水。大廈冷凍水系統分為低區、中區、高區三個系統，低、中區為機房，高區為辦公區，冷凍水總循環量2610m3/h。

　　3.冷卻水循環系統。冷卻水循環系統由冷卻泵、冷卻水管道及冷卻塔組成。冷凍機組進行熱交換，使水溫冷卻的同時，放出大量熱量，這些熱量被冷卻水吸收，使得冷卻水溫升高。冷卻泵將升了溫的冷卻水壓入冷卻塔，在冷卻塔內與大氣進行熱交換，然后再將降了溫的冷卻水，送回到冷凍機組。大廈冷卻水總循環量 3260m3/h，設計為單環路系統。

　　4.中央空調變頻調速系統的控制依據。如果將上述系統改造為變頻調速的系統，則可節約大量的能量，并且溫度調節的手段和方法也大為增加。冷凍泵和冷卻泵是中央空調的重要組成部分，中央空調系統的外部熱交換由兩個循環水系統來完成。循環水系統的回水與出水溫度之差，反映了需要進行熱交換的熱量程度，因此，根據回水與出水溫度之差來控制循環水的流動速度，從而控制進行熱交換的速度，是比較合理的控制方法。

　　(二)空調變頻調速系統的設計和選擇

　　1.變頻調速設計原則。空調的水循環系統由若干臺水泵組成，采用全變頻方案，即所有的冷卻泵和冷凍泵都采用變頻調速。

　　2.變頻調速系統設計的基本內容。變頻調速系統是一種電力拖動系統，在中央空調系統中，負載的轉距與轉速的二次

　　方成正比，而且絕大多數的風機和水泵在出廠時都配好了電動機，所以采用變頻調速時，一般不再另配電動機，最主要的問題是如何取得最佳的節能效果，如何預置變頻器的功能也是比較重要的。

　　變頻調速系統的應用設計主要涉及以下內容：(1)確定負載性質和負載范圍，明確工藝過程對調速系統性能指標的要求，并根據工藝過程對調速系統性能指標的要求，并根據這些要求確定拖動系統的結構性方案;(2)根據電動機的類型、容量和負荷性質選擇變頻器的類型、容量和型號，由于變頻器廠家大多提供風機、水泵專用變頻器，選用非常方便;

　　(3)選擇變頻器運行的相關參數，給出設定值或調試建議值;(4)選擇變頻器的外圍設備，確定外圍選配件的規格型號;(5)設計相關的控制電路;(6)完成接線圖、布置圖、設備清單、設計說明和使用操作說明等電力拖動系統設計所要求的各項內容。

　　3.變頻調速系統設計的要求。一個變頻調速系統的設

　　計，需要明確生產過程的工藝對系統拖動的要求。這些要求基本有以下幾個方面：(1)工藝對調速范圍的要求;(2)負載的性質和調速范圍那負載的機械特性;(3)電動機在變頻調速后的機械特性：該機械特性在保證穩定運行下所具有的轉距和功率，應比對應情況下負載的轉距和功率要大一些，即電動機在調速范圍內具有帶載能力;(4)機械特性的硬度和轉差率要求。

　　4.變頻器的選擇。變頻器的選擇要根據負荷的類型和環境來進行，變頻器不是在任何情況下都能正常使用，必須對負載、環境要求和變頻器進行充分了解，電動機所帶動的負載不一樣，對變頻器的要求也不一樣。 (1)風機和水泵是最普通的負載：對變頻器的要求最為簡單，只要變頻器容量等于電動機容量即可(空壓機、深水泵、泥沙泵、快速變化的音樂噴泉需加大容量);(2)起重機類負載：這類負載的特點是啟動時沖擊很大，因此要求變頻器有一定余量。同時，在重物下放肘，會有能量回饋，因此要使用制動單元或采用共用母線方式;(3)不均行負載：有的負載有時輕，有時重，此時應按照重負載的情況來選擇變頻器容量，例如軋鋼機機械、粉碎機械、攪拌機等;(4)大慣性負載：如離心機、沖床、水泥廠的旋轉窯，此類負載慣性很大，因此啟動時可能會振蕩，電動機減速時有能量回饋。應該用容量稍大的變頻器來加快啟動，避免振蕩。配合制動單元消除回饋電能;(5)另外，變頻器安裝地點必需符合標準環境的要求，否則易引起故障或縮短使用壽命;變頻器與驅動馬達之間的距離一般不超過 50m，若需更長的距離則需降低載波頻率或增加輸出電抗器選件才能正常運轉。

　　根據上述要求，考慮大廈中央空調系統的11臺冷卻水泵和11臺冷凍水泵均是普通負載，其中冷卻水泵電機功率為75kW，冷凍水泵電機為55kW;現場全部選用了三菱F500系列的變頻器，具體資料如下：

　　三菱FR-F500系列(水泵、風機專用型)

　　型號：FR-F540-75K-CH

　　適用電機容量(kW)：75?;適用類型：風機、水泵

　　額定容量(kVA)：110，額定電流(A)，144

　　輸過載能力(注3)：120% 60s，150% 0.5s (反時限特性)

　　出電壓(注4)：三相，380～480V，50Hz/60Hz

　　再生制最大值/時間：15%

　　動轉矩允許使用率：連續

　　額定輸入交流電壓，頻率：三相，380～480V，50Hz/60Hz

　　交流電壓允許波動范圍：323～528V，50Hz/60Hz

　　電源允許頻率波動范圍：±5%

　　5.變頻器數據設置和調整。三菱F500系列的變頻器運行參數調整如下：

　　(1)最高頻率(FUN04)是變頻器所能輸出的最高頻率。設定最高頻率時，要注意不要超過電機所能承受的最高頻率。最高頻率一般設定為電機的額定頻率，考慮電信大廈的冷卻泵和變頻器功率一樣，為了防止變頻器過負荷工作，最高頻率統一設置為45Hz;冷凍泵功率由于比變頻器功率小，所以最高頻率統一設置為50Hz。

　　(2)轉折頻率(FUN05)是變頻器開始輸出額定電壓的最低頻率。從轉折頻率起輸出電壓保持不變，可在最高頻率范圍內設定，所以大廈的冷凍泵和冷卻泵變頻器設置均為30Hz。(3)起始頻率(FUN06)是變頻器開始輸出電壓的最低頻率。大廈的冷凍泵和冷卻泵變頻器設置均為30Hz。(4)變頻器的PID功能設置：大廈空調水系統選用電流(4～20mA)傳感器，由溫度傳感器反饋的水信號(4～20mA)直接送入PLC的A/D口(可以通過手持編程器)，設定給定值(冷凍水進水為12℃，出水為7℃，冷卻水水溫度為30℃)，PID其余參數值采用變頻器默認值，通過PLC計算完成系統控制;運行模式則通過設定參數P128來確定，P128=0為普通的V/F控制方式，P128=20或21為PID控制方式，現場設置為P128=20;系統參數在實際運行中略作調整，使系統控制響應趨于完整。

　　四、變頻器在空調系統的應用效果

　　(一)變頻器應用實例

　　電信大廈就是比較具有代表性的一幢高層建筑。樓高232m，地下2層、地上41層，建筑面積約80000m2，集機房和辦公功能于一體，其中1樓到21樓為機房，機房設備發熱量大，空調負荷很大，同時要求空調系統連續運行，不容許間斷，對空調的運行要求非常苛刻;22樓以上為辦公用房，夏天要求制冷，冬季要求供暖。

　　為了滿足上述的要求，大廈的中央空調根據冷凍水系統分為低區、中區、高區三個系統，低、中區為機房，高區為辦公區。系統由8臺YORK離心式冷水機組組成(高、低區各三臺冷水機組，中區兩臺冷水機組)，冷凍站總制冷量為4300Rt/h(1 Rt/h≈3.52kW)，冷凍水總循環量2610m3/h，冷卻水總循環量3260m3/h，冷凍水系統和冷卻水系統均設計為變流量系統。低區系統如圖 1所示：

　　圖1 大廈低區空調系統圖

　　目前，變頻器的控制方法來看，大體分為壓力控制法和溫度控制法兩大類，它們的特點是：壓力法技術較低，成本較高，節電率為20%～30%，溫度法由于要涉及純滯后等問題，技術要求高，但成本低，節電率為45%～55%。

　　大廈中央空調主要是水泵類負載，所以可以采用普通功能型U/f控制變頻器，現場選用了22臺三菱F500變頻器，現場安裝了溫度閉環控制系統，變頻器會根據溫度探頭監測到水溫數據改變輸出頻率，控制所以水泵的循環水量，達到“節省能耗”的目的。

　　大廈中央空調變頻器具體配置情況見表1：

　　表1 大廈中央空調變頻器具體配置表

　　功率 臺數 選用變頻器型號 變頻器臺數

　　低區 YORK機組 580RT 3

　　冷卻水泵 75kW 4 F500 4

　　冷凍水泵 55kW 4 F500 4

　　中區 YORK機組 530RT 2

　　冷卻水泵 75kW 3 F500 3

　　冷凍水泵 55kW 3 F500 3

　　高區 YORK機組 580RT 3

　　冷卻水泵 75kW 4 F500 4

　　冷凍水泵 55kW 4 F500 4

　　從實際運行情況來看，變頻器頻率可調范圍為50～30Hz，所以變頻的范圍為100%～60%，耗電指標范圍為100%～30%，耗電可節約60%左右，如圖2所示：

　　圖2 水泵耗電量變化曲線

　　我們知道，冷卻塔風機在單一工頻運行情況下，會造成水溫過低，造成不必要的能源浪費;目前電信大廈中央空調系統有8臺冷卻塔，可以考慮節能改造，采用一臺變頻、多臺定頻控制的方式，即第一臺風機變頻運行，當負荷不夠時，第二臺風機定頻啟動，第一臺繼續變頻運行，如果負荷還不夠，繼續啟動涼水塔風機，如此可以使風機和水溫較好的匹配，達到節能目的，此項工程在條件具備情況下可以進行實施。

　　(二)采用變頻技術后的節能效果

　　通過大廈的變頻節能情況進行了跟蹤測試和數據分析，以下是我們對低區空調系統的測試數據分析情況：

　　1.6月26日變頻運行，6月27日進行定頻運行，當時的室外溫度條件基本一致，主機在工頻運行與變頻運行時耗電量，只有約1.06%的差別，可以當成誤差，也就是兩種工況下對主機運行功率沒有太大的影響。冷凍泵在變頻運行時節電約42.23%，冷卻泵在變頻運行時節電約30.94%，如圖3所示;一天內可以節能電1296度，折合合電費1114元，總節電率為13.28%。

　　圖3 節電情況比較一

　　圖4 節電情況比較二

　　6月29日變頻運行，6月30定頻運行，兩天內室外溫度條件基本一致，主機在工頻運行耗電量，比在變頻運行高出9.8%，也就是兩種工況下變頻運行時主機運行耗電量還要小點。冷凍泵在變頻運行時節電約44.14，冷卻泵在變頻運行時節電約26.57%，如圖4所示;一天內可以節能電1900度，折合電費1634元，總節電率為19.63%。

　　由此可見，采用變頻技術后，節能效果非常可觀。

　　(三)對循環水泵實施變頻調速后的優點

　　1.對空調系統而言，確保冷水機組進出水溫差、壓差在最佳工作范圍，流量可根據負荷需要自動調節，并消除截留損失，消除系統的瞬流干擾，消除系統的有害超負荷，不但能有效節能，而且能有效地控制主機及空調系統工作效率，大大減少設備發生故障的次數，改善整個空調系統的工作狀況。

　　2.實現電機軟啟動和設備軟運行，并實現了過壓、過流、缺相等多種保護功能，消除了電流、電弧沖擊，大幅度減少了設備損耗和降低了溫升及噪音，從而保護了電網系統，延長了設備壽命，減少了可能發生事故的次數，減少了維修費用。

　　五、測試分析

　　1.從大廈的測試數據可以看出，空調水泵的耗電量在工頻運行狀況下，可占中央空調空調系統總耗電量的33.92%～39.33%，在變頻狀態下，占中央空調空調系統總耗電量降到30%以下，所以水泵節能非常重要，節能潛力也比較大。

　　2.大廈只是對冷卻水泵及冷凍水泵加裝了變頻器，空調主機并沒有裝變頻器，在記錄數據時同時將空調主機的運行參數及電流也記錄下來就是為了對比水泵在變頻運行及工頻運行時對主機的影響。從以上測試數據可以看出，主機的能耗在變頻運行狀態下會略有下降，因此可以證明對水泵加裝變頻器不會增加主機的能耗。主機耗電量的大小與負荷有直接的關系。

　　3.從以上測試數據可以看出，冷卻水泵及冷凍水泵在變頻運行狀態下節能效果明顯，因此可以說明加裝變頻器是有節能效果的。以大廈為例，以一天節省電費1000元計算，大樓空調系統一年360天在運行，一年就可以節能36萬元，這還是以較熱的天氣為基礎估算的，冷天節能效果會更明顯。

　　4.由于空調系統一般是按最大負荷設計安裝，室外環境對空調系統影響很明顯。在夏季空調系統負荷率就高，在冬季空調系統負荷率低，節能效率更明顯，水泵節能率可達60%以上。室外溫度越低，空調系統變頻節電越明顯。同時主機功率及水泵功率冗余越大，變頻節電也越明顯。

　　5.變頻器的運轉對水泵及空調系統可能會產生的負面影響。運行中可能出現的問題主要表現為：諧波問題、噪聲、振動、負載匹配、發熱等問題;應該有從多方面考慮減少這些問題的發生，保證空調系統的穩定正常運行。

　　6.另外不建議對空調主機安裝變頻器，原因是：從成本來考慮，變頻器的選擇是與功率相匹配的，功率越大，成本越高。同時空調主機自身是非常復雜的智能控制系統，它的運轉是隨外界的負荷進行自動調節，對空調主機加裝變頻器有可能會影響主機的正常運行，也得不到空調主機制造商的認同。

　　六、結語

　　從大廈實驗得出的數據可以知道，變頻調速技術是一種有效的空調節能手段。通過采用變頻調速技術，可以有效地降低空調能耗，達到增收節支、降低運營成本的目的。