变频器在中央空调系统的应用.docx

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变频器在中央空调系统的应用

××××学院毕业设计（论文）

变频器在中央空调系统节能改造中的应用研究

学生：

×××

学号：

专业：

电气工程及其自动化

班级：

指导教师：

××××学院自动化与电子信息学院

二00九年六月

摘要

中央空调系统已广泛应用于工业与民用领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房中的中央空调系统，在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，能量的浪费是显而易见的。

近年来由于电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升。

据统计，中央空调的用电量占各类建筑大厦总用电量的70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20%～40%，故节约低负荷时压缩机系统和水系统的消耗的能量，具有很重要的意义。

近年来随着IC产业的迅猛发展，变频器的价格大幅下降，采用变频器对风机、水泵类机械进行调速来调节风量、流量，已变得越来越现实，其对节约能源、提高经济效益具有重要意义。

关键词：

变频器中央空调系统节约能源

ABSTRACT

Thecentralair-conditioningsystemhaswidelyappliedintheindustryandthecivildomain,intheguesthouse,thehotel,theoffice,themarket,in-patientdepartmentbuilding,theindustryworkshopcentralair-conditioningsystem,indoesnothavetheusetohaveintheloadfollow-upadjustmentcharacteristiccontrolsystem,regardlessoftheseason,howthedayandnightandtheuserdoshoulderchange,variouselectricalmachineryallforalongtimefixunderthepowerfrequencyconditionthefullspeedmovement,theenergywasteareobvious.Inrecentyearsasaresultoftheelectrovalenceunceasingrise,createdthecentralair-conditioningsystemoperatingcosttorisesuddenly.Statisticshaveindicated,thecentralairconditioningelectricityconsumptionoccupieseachkindofbuildingbuildingtotalelectricityconsumptionabove70%,inwhichcentralairconditioningwaterpumppowerconsumptionapproximatelycomposesthetotalair-conditioningsystempowerconsumption20%~40%,whensavesthelowloadthecompressorsystemandtheaqueoussystemconsumptionenergy,hastheveryvitalsignificance.InrecentyearsalongwiththeICindustryswiftandviolentdevelopment,thefrequencychangerpricelargedrop,usedthefrequencychangertotheairblower,thewaterpumpclassmachinerycarriesonthevelocitymodulationtoadjusttheamountofwind,thecurrentcapacity,hasbecomemoreandmorerealistic,ittosavedtheenergy,enhancestheeconomicefficiencytohavethevitalsignificance.

Keywords：

FrequencychangerCentralair-conditioningsystemSavestheenergy

第1章引言

能源的利用情况标志着一个国家科技进步的水平。

在我国大力推广节能产品，禁止使用耗能过大的设备，提高能源的利用率，以缩短与世界先进国家的差距，为中国的现代建设提供能源的保证。

但是，近年来，随着经济的进一步发展，大量的公共建筑如宾馆、写字楼、商场、餐饮酒店、运动场馆等拔地而起，中央空调系统也就成为了现代大型建筑物不可缺少的配套设施之一。

由于近年来电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，加之目前各生产、服务业竞争激烈，多数企业利润空间不够理想。

因此电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。

据统计，中央空调的用电量占各类建筑大厦总用电量的70%以上，其中中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的20%-40%，故节约低负荷时压缩机系统和水系统的消耗的能量，具有很重要的意义。

国家“十一五”规划纲要中明确提出要把节约资源和保护环境基本国策，建设低投入、高产出，低消耗、少排放，能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会。

提出了“十一五”期间单位国内生产总值能源消耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%等目标。

这是针对资源环境压力日益加大的突出问题提出来的，体现了建设资源节约型、环境友好型社会的要求，是现实和长远利益的需要，具有明确的政策导向。

中央空调在各大中型民用、商用建筑中的普及，带来了严重的能耗问题。

中央空调系统的电耗一般占整座建筑电耗的50%～60％，建筑能耗则占全国总能耗的1/3左右，因此提高能源利用率是我国能源可持续发展的方向。

中央空调系统的设计通常按建筑物所在地的极端气候条件来计算其最大冷负荷，并由此确定空调主机的装机容量及空调水系统的供水流量。

然而，实际上每年只有极短时间出现最大冷负荷的情况。

因此，中央空调系统在绝大部分时间里，都是在部分负荷（远小于其额定容量）条件下运行的。

据统计，实际空调负荷平均只有设备能力的50%左右，这无疑造成了大量的能源白白浪费。

而且，空调水系统的水泵、风机等机电设备，长期处在工频额定状态下高速运行，机械磨损严重，导致设备故障增加和使用寿命缩短。

另一方面，空调负荷又具有变动性。

由于季节交替、气候变幻、昼夜轮回、使用变化（如旅游旺、淡季）及人流量增减（如宾馆入住率的变化）等各种因素变化的影响，中央空调系统的负荷具有起伏变化和不恒定的特点，如果中央空调的运行方式不能根据负荷的变化而调节，始终在额定容量（即满负荷状态）下运行，也势必造成巨大的能源浪费。

近年来随着IC产业的迅猛发展，变频器的价格大幅下降，同时，可靠性增强，容量增大，采用变频器对风机、水泵类机械进行调速来调节风量、流量，已变得越来越现实，其对节约能源、提高经济效益具有重要意义。

所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频空调水系统和自适应智能负荷调节的压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的优越性，而且得到越来越多的被广泛推广与应用。

采用变频调速技术不仅能使空调系统发挥更加理想的工作状态，更重要的是通常其节能效果高达30%以上，能带来良好的经济效益。

中央空调系统设计首先是根据室外气象参数和室内空调设计参数计算冷负荷，按分区结构特点，根据产品样本选择相应的设备，组合成一个系统。

但空调系统绝大部分时间是在不满负荷的情况下工作。

在不满负荷工作的控制方式不合理，系统能效比会大大降低。

现在空调系统在运行调节方式上，风水系统主要是阀门（手动、自动阀门调节），主机利用卸荷方式，而这些方式是牺牲了阻力能耗来适应末端负荷要求，造成运行成本居高不下。

若采用变频控制，能量的传递和运输环节控制为变水量（VWV）和变风量（VAV），使传递和运输耦合并达到最佳温差置换，其动力仅为其它控制系统的30%～60%，而且节能是双效的，因为对制冷主机的需求能耗同时下降。

主机采用变频节能控制，保持设计工况下的制冷剂运动的物理量（如温差、压力等）变化，节能较其它调荷方式明显，如约克（YORK）的YT型离心式冷水机组，配置变频机组在部分负荷下能效比可降至0.2kw/冷吨，可见变频控制方式在空调系统中应用前景十分广阔。

过去由于价格的原因，在中央空调系统中应用变频技术推广较难。

在变频技术、计算机自动化控制技术非常成熟的今天，用此技术与暖通空调专业技术相结合，它并不是一门高价的技术，在小功率空调中其经济性都可承受，在中央空调系统中更不应该成问题：

（1）中央空调运行时间更长，节能问题更突出；

（2）变频控制在整个系统中所占的造价比例不高；（3）变频控制器的容量越大，每千瓦功率单价越低。

中央空调系统采用变频器是可行的，其投资回收一般在6～12个月，以变频控制器使用寿命10年计，其净收益在10倍投资额以上。

第2章变频器的基础知识

2．1变频器的概述

变频技术是应交流电动机无级调速的需要而诞生的。

变频器的问世，使电气传动领域发生了一场技术革命，即交流调速取代直流调速。

交流电动机变频调速技术具有节能、改善工艺流程、提高产品质量和便于自动控制等诸多优势，被国内、外公认为最有发展前途的调速技术。

2．1．1变频器的定义、分类及结构

变频器的定义：

变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置。

变频器的基本类型：

1.按变换的环节分类：

（1）交—交变频器：

交—交变频器是将工频交流直接变换成频率电压可调的交流电（变换前后的相数相同），又称直接式变频器。

（2）交—直—交变频器：

交—直—交变频器是先将工频交流通过整流器变换成直流电，然后再将直流电变换成频率电压可调的交流电，又称间接式变频器。

交—直—交变频器是目前广泛应用的通用变频器。

2.按直流电源的性质分类：

（1）电流型变频器：

电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波。

由于该直流环节内阻较大，故将其称为电流型变频器。

电流型变频器的特点是能扼制负载电流频繁且急剧地变化，常应用于负载电流变化较大的场合。

（2）电压型变频器：

电压型变频器的特点是中间直流环节采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，内阻较小，相当于电压

源，故将其称为电压型变频器，常应用于负载电压变化较大的场合。

3.按电压的调制方式分类：

（1）脉宽调制（SPWM）变频器：

脉宽调制（SPWM）变频器电压的大小是通过调节脉冲占空比来实现的，中、小容量的通用变频器几乎全都是采用此类调制方式。

（2）脉幅调制（PAM）变频器：

脉幅调制（PAM）变频器电压的大小是通过调节直流电压的幅值来实现的。

4.按输入电源的相数分类：

（1）三进三出变频器：

三进三出变频器的输入侧和输出侧都是三相交流电。

绝大多数变频器都属此类。

（2）单进三出变频器：

单进三出变频器的输入侧为单相交流电，输出侧是三相交流电。

家用电器里的变频器都属此类，通常容量较小。

变频器的结构：

1.主电路：

变频器给负载提供调压调频电源的电力变换部分。

典型的电压型变频器主电路如图2-1所示，

图2-1典型的电压型变频器的主电路

其主电路由整流器、平波电路和逆变器组成。

若负载为异步电动机，则在变频调速系统需要制动时，还需要附加制动回路。

（1）整流器：

变频器一般使用的是二极管整流器，它将工频电源变换为直流电源。

也可用两组晶体管整流器构成可逆变整流器，因为可逆变整流器的功率方向可逆，故可以进行再生运行。

（2）平波电路：

在整流器整流后的直流电压中含有电源6倍频率的脉动电压。

此外，逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。

为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。

变频器容量小时，如果电源和主电路的构成件有余量，则可以省去电感而采用简单的平波回路。

（3）逆变器：

同整流器相反，逆变器是将直流电变换为所要求的可变压变频的交流，控制电路以所确定的时间控制6个开关器件导通、关断就可以得到3相变压变频交流输出。

（4）制动回路：

异步电动机负载的再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存在平波回路电容器中，使直流环节电压升高。

一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积累的能量比电容储存的能量大，故为抑制直流电路电压上升，需采用制动力回路消耗直流电路中的再生能量。

制动回路也可采用可逆整流器把再生能量向工频电网反馈。

2.单相逆变主电路：

（1）半桥逆变电路：

半桥逆变电路具有结构简单、功率开关器件数目最少、成本低廉及稳定性高等优点。

但是，回馈电流会使得前级变频器输出电压波动加大，使电源输出电容容量增大；同时，使得中点电位向正（或负）方向持续漂移，给供电带来极大影响。

（2）全桥逆变电路：

普通全桥逆变电路共需8只功率开关器件，如图2-2（a）所示。

图2-2（a）双桥逆变电路

与半桥逆变电路相比，两者的功率开关器件数量比为2:

1，直流电压利用率更高，但是结构更复杂，稳定性和经济性不如半桥逆变电路；在实际应用中，将中间两桥臂保二为一，构成两相三桥臂逆变电路，如图2-2（b）所示。

图2-2（b）两相三桥臂变电路

两相三桥臂全桥逆变电路继承了全桥逆变电路的优点，同时有效地减少了开关器件的数目其输出电压值可达到全桥电路的70%以上。

3.变频器的功率开关器件：

（1）门极可关断晶闸管（GTO）：

门极可关断晶闸管是目前能承受电压电高和流过电流电大的全控型开关器件。

具有电流密度大、管压降低、导通损耗小和耐压高等突出优点，适合大功率应用。

但是，驱动电路复杂，驱动功率大，开关频率低。

（2）门极换流晶闸管（GCT）：

门极换流晶闸管（GCT）具有GTO高电压、大电流及低导通压降的优点，同时改善了开通和关断性能，使工作频率有所提高。

（3）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）：

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种复合型全控器件，具有MOSFET（输入阻抗高、开关速度快）和GTR（耐压高、电流密度大）二者的优点，驱动功率小，开关损耗小，工作频率高，没有二次击穿，不需缓冲电路，是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。

4.控制电路：

变频器的控制电路是给变频器主电路提供控制信号的回路，其控制电路如图：

2-3所示，

图2-3变频器控制电路

由运算电路、电压（电流）检测电路、驱动电路、I/O（输入/输出）电路、速度检测电路组成。

（1）运算电路：

运算电路的功能是将变频器的电压、电流检测电路的信号及变频器外部负载的非电量信号（速度、转矩等经检测电路转换为电信号）与给定的电流、电压信号进行比较运算，决定变频器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路：

采用电隔离检测技术来检测主回路的电压、电流。

检测电路对检测到的电压、电流信号进行处理和转换，以满足变频器控制电路的需要。

（3）驱动电路：

驱动电路的功能是在控制电路的控制下，产生足够功率的驱动信号使主电路开关器件导通或关断，控制电路采用电隔离技术实现对驱动电路的控制。

（4）I/O（输入/输出）电路：

I/O（输入/输出）电路的功能是使变频器能更好的实现人机交互。

（5）速度检测电路：

速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器为核心，将检测到的电动机速度信号进行处理和转换，送入运算回路，根据指令和运算参数可使电动机按指令速度运转。

5.保护电路：

变频器的保护电路是通过检测主电路的电压、电流等参数来判断变频器的运行状况。

当发生过载或过电压等异常时，保护电路可使变频器中的逆变电路停止工作或抑制变频器的输出电压、电流值。

保护电路可分为变频器保护和负载（异步电动机）保护两种。

表2-1为保护功能一览表。

表2-1保护功能一览表

保护对象

保护功能

保护对象

保护功能

变频器保护

瞬时过电流保护

异步电动机保护

过载保护

超频（超速）保护

过载保护

再生过压保护

瞬时停电保护

其他保护

防止失速过电流

防止失速再生过电流

接地过电流保护

冷却风机保护

6.单向逆变控制电路：

（1）半桥SPWM控制：

单相电动机采用SPWM控制时，由于要保证两相绕中的电流相位差为90°，所以两路调制信号的相位相应地也要设定为相差90°。

SPWM控制的优点是谐波含量低，滤波器设计简单，容易实现调压、调频功能；缺点是直流电压利用率低，适合模拟电路，不便于数字化方案的实现。

（2）半桥：

电压空间矢量同气隙磁场之间的关系：

U=dΦ/dt式（2-1）

可通过控制电压空间量来控制电动机气隙磁场的旋转，故SVPWM控制又称为磁链轨迹控制。

半桥逆变电路在采用SVPWM控制时，输出相电压的最大值为Ud/2。

（3）两相三桥臂全桥逆变SPWM控制：

在载波相同的情况下，A相和B相调制波为正弦波，在相位上A相超前B相90°；公共桥臂则采用恒定占空比的方法调制，上、下桥臂占空比均为50%。

如此，在A和B绕组上得到幅值相等、相位相差90°的正弦电压。

电压幅值与调制度m成正比，当m=1时，输出电压峰值达到最大，为Ud/2。

依据电动机的u/f曲线与输出电压和m的关系，即可实现两相电动机的变压变频调速控制。

7.变频器基频设置参数：

（1）基频参数：

变频器基频参数的示意图如图2-4所示。

图2-4变频器基频参数示意图

①在基频以下，变频器的输出电压随输出频率的变化而变化，u/f为常数，适合变频调速系统的恒转矩负载特性。

②在基频以上，变频器的输出电压维持电源额定电压不变，适合变频调速系统的恒功率负载特性。

（2）如何设置基频：

基频参数设置应该以负载的额定参数设置。

（3）基频设置注意事项：

基频参数直接反映变频器输出电压和输出频率的关系，如果设置不当，则容易造成负载的过流或过载。

2．1．2变频器的应用：

变频调速已被公认为最理想、最有发展前途的调速方式之一，其主要应用在以下几个方面：

1.变频器在节能方面的应用：

风机、泵类负载的耗电功率基本与转速的三次方成比例，当采用变频调速后，节电率可以达到20%～60%。

据统计，风机、泵类电动机用电量占全国用电量的31%，占工业用电量的50%，因此，在此类负载上采用变频调速具有非常重要的意义。

目前，应用较成功的恒压供水，各类风机、中央空调和液压泵的变频调速。

2.变频器在自动化系统中的应用：

由于变频器内置有32位或16位的微处理器，具有多种算术逻辑运算和智能控制功能，输出频率精度高达0.1%～0.01%，还设有完善的检测、保护环节，因此在自动化系统中获得广泛的应用。

3.变频器在提高工艺水平和产品质量方面的应用：

变频器还可以广泛应用于传送、超重、挤压和机床等各种机械设备控制领域，可以提高工艺水平和产品质量减少设备的冲击和噪声，延长设备的寿命。

采用变频调速控制后，使机械系统简化，操作和控制更加简便，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高整个设备的性能。

2．2变频器的工作原理和控制方式

2．2．1变频器的工作原理

变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。

由电机学可知，交流电动机的转速公式为：

n＝60f（1－s）/p式（2-2）

式中：

n——异步电动机的转速（每分钟旋转次数）；

f——电源频率；

s——电动机转差率；

p——电动机极对数。

由式（1-2）可知，转速n与频率f成正比，只要均匀地改变电源频率f，则可以平滑地改变电动机的转速n。

当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。

由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定不变的。

由于电机的磁极对数1个磁极对数等于2极，电机的极数不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。

另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

因此，以控制频率为目的的变频器，是作为电机调速设备的优选设备。

然而，只调节频率f是不行的，因为

E=4.44fNKΦm≈U式（2-3）

式中：

E——磁感电动势；

f——电源频率；

N——定子绕组匝数；

K——与绕组结构有关的常数；

Φm——每极磁通量；

U——定子相电压。

当定子电压U不变时，Φm与f成反比，f的升高或降低，会导致磁通Φm的减小或增大，从而使电动机最大转矩减小，严重时将导致电动机堵转，甚至将电机烧毁，或者使磁路饱和，铁耗急剧增加。

为此，在调节电源频率的同时，要调节电压的大小，以维持磁通的恒定，使最大转矩不变。

2．2．2变频器的控制方式

异步电动机调速传动时，变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当控制，不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途是不同的。

控制方式大体可分为开环控制（U/f控制方式）和闭环控制（转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制）两种。

1．变频器的U/f控制：

U/f控制多用于通用变频器、风机、泵类机械的节能运行、生产流水线的工作台传动及一些家用电器等。

（1）普通功能型的U/f控制通用变频器：

此控制方式具有优异的功能和性能，有较强的通用性，应用广泛；但是，静态稳定性不高，当转速很低时，其转矩不足。

（2）新一代高功能型通用变频器：

运算速度大幅度提高，且采用了磁通补偿器、转差补偿器和电流限制控制器，以实现转矩控制功能。

采用此控制方式，可使极低速度下的转矩过载能力达到或超过150%，频率设定范围达到1:

30，且具有足够的响应速度。

2．转差频率控制：

与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流能力得到了提高，速度的静态差小，适用于自动控制系统，常用于单运转。

如果保持电动机的气隙磁通一定，则电动机的转矩和电流由转差角频率决定，因此控制电动机转差角频率，就可以控制异步电动机的转矩。

转差频率控制系统的突出优点就在

于频率控制环节的输入频率信号是由转差信号和实测转速信号相加后得到的，在转速变化过程中，实际频率随着实际转速同步上升或下降。

3.矢量控制：

以产生同样的旋转磁动势为准则，将三相坐标系下的交流电

机等效为两相旋转坐系下的直流电动机。

矢量控制系统的结构如图2-5所示。

图2-5矢量控制系统原理框

给定和反馈信号经过类似直流调速系统所用的控制器，产生励磁电流的给定信号im1*和电枢电流给定信号it1*，经过逆变换得到和ia1*，iβ1*再经过2/3变换得到iA*、iB*和iC*。

把这三个电流控制信号和由控制器直接得到