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案例頻道 一、變頻器工作原理及技術(shù)規(guī)范
1、變頻器原理介紹
變頻器是利用電力半導(dǎo)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(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、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(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。通過(guò)變頻器可以自由調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。如圖1為變頻器內(nèi)的控制電路框圖。
圖1 變頻器內(nèi)的控制電路框圖
2、變頻器技術(shù)規(guī)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(shè)定分辯率 |
數(shù)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(shù)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(zhuǎn)矩補(bǔ)償 |
手動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 (0 - 20 %), 自動(dòng)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償 | ||||
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運(yùn)行 |
輸入信號(hào) |
運(yùn)行方式 |
鍵盤(pán)/ 端子 /RS485 通訊 | ||
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頻率設(shè)定 |
模擬 : 0 - 10V / 4 - 20 mA /, 子板的另外端口(0 - 10V/4 - 20 mA)
數(shù)字 : 鍵盤(pán)/RS485 通訊 | ||||
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啟動(dòng)信號(hào) |
正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn) | ||||
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多段速度 |
至多可以設(shè)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(yùn)行 | ||||
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自動(dòng)運(yùn)行 |
通過(guò)設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行(7段速度) | ||||
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故障復(fù)位 |
當(dāng)保護(hù)功能處于有效狀態(tài)時(shí)，可以自動(dòng)復(fù)位故障狀態(tài)。 | ||||
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輸出信號(hào) |
運(yùn)行狀態(tài) |
頻率檢測(cè)等級(jí)，過(guò)載報(bào)警，過(guò)電壓，欠電壓，變頻器過(guò)熱， 運(yùn)行，停止，恒速，自動(dòng)程序運(yùn)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(yùn)行功能 |
直流制動(dòng)，頻率限制，跳頻，滑差補(bǔ)償，反轉(zhuǎn)保護(hù)，PID 控制等 | ||||
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保護(hù)功能 |
變頻器保護(hù) |
過(guò)電壓，欠電壓， 過(guò)電流， 保險(xiǎn)絲斷，接地故障， 變頻器過(guò)熱， 電機(jī)過(guò)熱， 缺相，過(guò)載保護(hù)，外部故障1,2， 通訊錯(cuò)誤，速度指令丟失， 硬件故障， 選件錯(cuò)誤等。 | |||
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變頻器報(bào)警 |
堵轉(zhuǎn)防護(hù)，過(guò)載報(bào)警， 溫度傳感器故障。 | ||||
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瞬間掉電 |
小于15 毫秒：連續(xù)運(yùn)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(yùn)行信息 |
輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，設(shè)定頻率，運(yùn)行速度，直流電壓 | ||
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錯(cuò)誤信息 |
當(dāng)故障保護(hù)時(shí)的運(yùn)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(chǔ)存溫度 |
-20 ℃ ～ 65 ℃ | ||||
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環(huán)境濕度 |
最大90 % RH .(不結(jié)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(yīng)用地點(diǎn) |
無(wú)腐蝕氣體、易燃?xì)怏w、油霧或粉塵及其它 | ||||
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冷卻方式 |
強(qiáng)制風(fēng)冷 | ||||
二、中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中所存在的問(wèn)題及解決方案
（1）電機(jī)及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高，負(fù)荷強(qiáng)度重，電能浪費(fèi)嚴(yán)重；
（2）電氣控制直接起動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流對(duì)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(jī)械沖擊大,設(shè)備使用壽命低；
（4）電氣保護(hù)特性差，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)不能瞬間動(dòng)作保護(hù)設(shè)備等。
（5）設(shè)備在全電壓?jiǎn)?dòng)、運(yùn)行、停止的過(guò)程中，由于無(wú)法進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)節(jié)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘、機(jī)械噪音增加、震動(dòng)加劇等現(xiàn)象，這些現(xiàn)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(duì)于中央空調(diào)水泵系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于交流電動(dòng)機(jī)自身沒(méi)有功耗調(diào)節(jié)裝置，不能象中央空調(diào)主機(jī)一樣自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入輸出功率，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷下降以后，循環(huán)水泵系統(tǒng)仍不得不以最大浪費(fèi)的現(xiàn)象。如果安裝變頻器以后就能根據(jù)實(shí)際負(fù)荷量的大小，動(dòng)態(tài)地自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)水泵系統(tǒng)的流量和消耗功率，把系統(tǒng)不需要的那部分耗電節(jié)省下來(lái)。（一般節(jié)電率可達(dá)25%-60%左右）。
三、節(jié)能分析
變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)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(jī)、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(jī)、泵類(lèi)所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1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(jī)、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(jī)、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(jī)、泵類(lèi)所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡(jiǎn)單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運(yùn)行成本換取簡(jiǎn)單控制方式。
n1-代表電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的特性；
n2-代表電機(jī)降速運(yùn)行在n2轉(zhuǎn)速時(shí)的特性；
R1-代表風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)管路阻力最小時(shí)的阻力特性；
R2-代表風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)管路阻力增大到某一數(shù)組時(shí)的阻力特性。
若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(diào)速后風(fēng)機(jī)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(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低10%（輸出頻率45HZ時(shí)），則功率P2=（0.9）3*P1=0.729P1,節(jié)電27.1%。假設(shè)將水泵轉(zhuǎn)速降低20%（輸出頻率40HZ時(shí)）則功率P2=（0.8）3*P1=0.512*P1，節(jié)電48.8%。由于功率與轉(zhuǎn)速成三次方的關(guān)系，因此，轉(zhuǎn)速變化越大，功率的消耗將呈幾何級(jí)數(shù)減少。
四、中央空調(diào)現(xiàn)狀所設(shè)計(jì)的方案及推薦使用
由于中央空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)備的設(shè)計(jì)和選用是根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)在外部環(huán)境、溫度條件最差，設(shè)備的各支路負(fù)荷最大，再加上一定的設(shè)計(jì)余量來(lái)確定的，但實(shí)際使用中，絕大多數(shù)時(shí)間空調(diào)系統(tǒng)是在非滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，這樣空調(diào)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作于低效率狀態(tài)，造成很大的能源浪費(fèi)，因此，具有極大的節(jié)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(tái)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(tái)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(tái)15KW采暖水泵的運(yùn)行，在水泵循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)自動(dòng)監(jiān)控空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷狀況，使系統(tǒng)在滿(mǎn)足負(fù)荷要求的前提下運(yùn)行在節(jié)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(tái)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(tái)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(tái)15KW采暖水泵的運(yùn)行，在水泵循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)自動(dòng)監(jiān)控空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷狀況，使系統(tǒng)在滿(mǎn)足負(fù)荷要求的前提下運(yùn)行在節(jié)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(jī)的轉(zhuǎn)速，取消擋板調(diào)節(jié)，降低了設(shè)備的故障 率，節(jié)電效果顯著；
(2)、采用變頻器控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽 命，避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊；
(3)、電機(jī)將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，減少了噪聲對(duì)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(hù)功能；
(5)、變頻具有工/變頻切換功能，能夠保證生產(chǎn)的連續(xù)性。
實(shí)踐證明，變頻改造具有顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝要求，并且還大大減少了設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用，另外當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，由于變頻裝置內(nèi)的直流電抗器能很好的改善功率因數(shù)，也可以為電網(wǎng)節(jié)約容量。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。
附一：電氣圖
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)