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变频技术在物业楼宇中的应用   

2009-09-11 17:27:18|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:刘俊    来源:《中国物业管理》2009年第七期

  变频技术具有优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数、运行平稳、广泛适用等优点。目前,工业发达国家在需要动态管理的电力拖动设备中已广泛采用变频技术,它也成为我国重点推广的节电新技术。

  我国楼宇机电设备应用现状

  在我国20世纪90年代末建造的公共、住宅建筑中的供排水、通风、冷暖、电梯等涉及动态管理的电力拖动设备都广泛应用了变频技术。而20世纪90年代中的公共、住宅建筑中的电力拖动设备,因受当时的技术限制,都采用传统的机电控制技术,在楼宇建筑供排水、通风、冷暖、电梯等设备系统中,要调节输出量,也只能通过调节投入设备的量或通过机械地调节交流电机的磁场极对数、增减电抗器以及通过调节设备系统闸、阀门的开度,来达到调节输出量的目的。用现今技术标准与先进的变频技术应用成果看,这些楼宇设备能耗至少可降低30%左右。

  变频器基本工作原理

  根据电机学理论,交流电动机的转速公式为:n=60×f / p( 1- s)式中:f为定子的电源频率;p为极对数;n为转速;s为转差率。列举二种交流电动机调速方式的特点:

  (1)改变电动机极对数p可以改变电机转速,是交流多速电动机采用的调速方法。由于交流电动机的原理与构造,它的磁场极对数只能成倍数变化如:1、2、3、4,通常我们称为:2、4、6、8极电动机。通过改变交流电动机的磁场极对数来改变电机的转速,即:调极变速。这一传统的机电控制技术虽被广泛应用,但由于这种调速方法的转速会发生如矩形边沿跳跃性的陡变(如图“变极调速曲线”所示)因此也极大地限制了它的应用范围。

  

  

  

  

  (2)通过改变交流电动机定子线圈的电源频率f线性平稳地改变电机转速,(如上图“变频调速曲线”所示),即:无极调速,但f最大不能超过电动机额定频率,作为恒转距负载,调速时为保持最大转距不变,根据转距公式:M=CmφIcosφ,式中:Cm为电机常数;I为转子电流;φ为电机气隙磁通;cosφ为转子功率因数, 必须保持φ恒定。

  又根据电压公式:U=4.44fWkφ。U为定子电压;f为定子电压频率;W为定子绕组匝数;k为电机常数,必须保持U/f为常数。又根据电机拖动原理,转速之比等于频率之比,等于电压之比, 等于功率之比。

  即N0 / N1= f0 / f1 = U0 / U1= P0 / P1,即变频器必须兼备变压、变频两种功能,简称为VVVF(Vary Voltage Vary Frequency)型变频器,这就是变频的基本控制原理。

  变频节能技术在楼宇设备中的应用

  在物业建筑楼宇中,中央空调耗电占年度量的50%-60%左右,由于设计时,系统按最大负荷设计取值,并加约10%的余量(有些高达15%-20%)。然而实际应用中,满负荷峰值运行的天数往往在10天左右(上海的夏季),即使在极端最高温天气,由于早、晚日气温的变化,满负荷运行往往也不足5小时/天,在平时空调主机的负荷往往在30%-70%左右,以致冷媒水温差仅在3℃左右。冷冻主机可以根据负载变化随之加载或卸载,冷冻水泵和冷却水泵却不能随负载变化作出相应调节,存在很大的浪费。大马拉小车的状况普遍存在。

  根据流量q、扬程h、功率p和转速n之间的关系:流量q与转速n的一次方成正比;扬程h与转速n的平方成正比;轴功率p与转速n的立方成正比,即功率与转速成3次方的关系下降。如果不用关小阀门的方法,而是把电机转速降下来,那么在转运同样流量的情况下,原来消耗在阀门的功率就可以避免,这就是变频技术控制水泵调速节能原理。

  以笔者所在公司管理的60000多平方米××商务大厦的中央空调供水系统为例:系统由三台60kW水泵组成(两用一备),春、秋季节时负荷量低,投入一台冷冻水泵供水压力差与温度差仍有较大余量,以每天工作10小时计算,大厦每周六上午加班运行,仅以夏季6个月150天计。

  频率由50 Hz调低为40Hz,p电机则降至为:60kW ×(40/50)=30.6kW;

  f为50 Hz时耗电:60kW×10×150=90000度;

  当f为40 Hz时耗电:30.6 kW×10×150=45900度;

  一台冷冻水泵半年节约用电量为:90000-45900=36900度,节电达41%,节电率达48.8%;如将频率由50Hz调低为30Hz,节电率可达78.4%。

  由此可见,采用变频技术对传统的机电控制技术进行改造,就能对原恒定功率水泵电机的功率、流量根据需求进行动态控制,其节能效果是十分显著的。在楼宇生活供水系统与送排风系统,采用变频技术同样也可实现、保持水(风)管网中的稳定压力,当水(风)管网水的压力达到或接近设定值时,传动电机就处于低速运行;当用水(风)量增大时,电机运转速度加快,以保持管网恒定(设定)的压力。也同样达到显著的节能效果。

  变频节电技术在楼宇扶梯(电梯)上的应用

  以公司管理的一幢大厦裙房商厦中10台扶梯运行情况为例,每部扶梯电功率10kW,每天10小时(10:00-20:00)恒定速度运行,由于商场经营不佳,扶梯运行人流量远小于电梯负荷量,扶梯每天无人空载时间累计约5小时。

  如将恒速运行改成变频调速运行(原交流电机不加改动),在无人时,经过延时,系统自动转入爬行运行,以达到节能的目的。有乘客时光电开关发出信号,扶梯经变频调速至额定速度,当全部乘客离开扶梯后,扶梯又自动进入低速运行状态待客。

  扶梯电机2p,U=380V,f= 50Hz,根据公式n=60×f/p(1- s),当转差率变化不大时,n 基本上正比于f。

  根据公式计算:n=60×50/2电机同步转速每分钟为1500转;

  当调整f=20Hz,n=60×20/2=600,电机同步转速每分钟600转;

  原f调整40%,f=20Hz时,电机的电压则变成:U1=(380V×20Hz) /50Hz=152V;

  根据公式U0/U1=P0/P1得出P1=0.4P0,因而电机所耗费的功率则为原功率的40%。

  根据推算,一台10kW的扶梯电机,每天运行10小时,10×10×0.8=80度/台;

  如每天慢速运行的时间占50%,那么,每天耗电5×10×0.4×0.8=16度/台;

  每天实际运行耗电为:80/2+16=56度/台,则每天节电为:80- 56=24度/台;年节电计:8760度/台。

  上述情况通过变频调速可达到节能效果。当前,在各种电梯变频器中处理再生电能的方法有制动电阻、吸收电容、回馈制动等,较为先进的方法则是在电梯释放能量状态时,由回馈变频器将这部分能量变成与电网电压同步、同相位的正弦波,经过滤波后回馈电网。国内、外一些品牌电梯,以广泛应用此项技术,以此,使电梯节电率提高达30%-60%。

  楼宇设备应用变频技术的优点

  凡动态管理的楼宇电力拖动设备应用变频技术后,除了可以节省大量的电能外还具有以下优点:电机起动实现了软起动,电流从0A到额定电流变化,减小了大电流对电机、电网的冲击;电机软起动转速从0开始缓慢升速,保证了负载启动、运行的平滑、稳定,抗干扰能力强,保护功能完善;具有较强的电机保护功能,提高了电机运行的可靠性,延长系统各部件的使用寿命;提高了电机的功率因数,减少了无功功率消耗;具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相以及故障检测、诊断、数字显示等自动保护报警功能,可远程控制;超静音优化设计,降低电机噪声。

  变频技术在楼宇设备系统中的应用,使电梯设备的传动构造发生质的变化,使曳引主机更趋小型化,各种小型永磁碟式曳引电机的投入,取消了楼顶上的机房;变频技术在楼宇供水系统中的应用,使水泵出口阀全开,消除了阀门因节流而产生的噪音,改善了环境,减少了系统磨损与设备的维修维护量,延长了设备使用寿命。

  据报道:在2003年的中国电力消耗中,60—70%为动力电,而在总容量为5.8亿千瓦的电动机总容量中,只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的,在我国带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦。中国电梯行业协会认为,2005年我国所有楼宇建筑中如果有80%采用节能电梯,全年可节电122亿度;如果2015年全部采用节能电梯,将节电800亿度,几乎相当于三峡大坝一年的发电量。而我国于20世纪改革开放以来所建的楼宇中涉及动态管理的电力拖动设备,基本上也都采用传统的机电控制技术,也都面临改造。◇

  作者单位:上海锐翔物业管理有限公司




引文来源  中国物业管理杂志 2009年第07期(总第76期)
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