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变频技术应用专题

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◇发展背景◇

       传统大发快乐8系统按照建筑物的最大冷/热负荷来确定系统中的冷水机组参数、水泵参数、冷却塔参数等,然而实际情况却是大发快乐8系统在一年中处于最大负荷运行状态一般只有几十天时间,大部分运行是处于动态变化的状态之中,据统计一般情况下在10%~80%范围内波动。由于传统系统负载不具备随室内冷/热负荷等变化而变化的特性,不论季节或用户负荷如何变化,冷水机组、水泵等都一直在工频状态下运行,传统大发快乐8系统中通过调整档板开度来实现流量的调节,这样实际需要冷负荷与最大功率输出之间的矛盾,造成巨大电能浪费,给用户带来巨额电费支出,增加经营者的成本,所以降低空调系统能耗日益成为建筑物迈向绿色节能的重要一步。在公共建筑用电中,暖通和照明用电占比(如下图),数据源自《公共建筑节能设计标准》。

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提交变频技术的起源

    变频技术起源于日本,日本于1983年首先在世界上推出第一台变频空调器, 到21世纪初, 变频空调器已占日本市场(家用机)的99%以上, 日本各著名公司的家用空调器中变频空调的生产量也已占90%以上。在欧美等发达国家, 变频空调普及率也在70%以上。

    从20世纪90年代中期开始, 变频空调作为节能产品以其高技术、高性能而逐渐得到空调行业及用户的关注, 一些外国品牌以合资或独资的方式, 逐渐将一批变频技术和产品引入中国。从 21世纪之后, 各空调品牌开始建设自己的变频产品生产线,以丰富各自的变频产品阵容, 由于各空调企业不断向市场推出变频系列产品, 而且在变频机的宣传推广方面各厂家也开始加大力度, 至此变频节能的概念开始慢慢被市场认可。

 

变频技术的类别及工作原理

    “变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念,所谓变频技术就是通过控制电机的输入频率,从而达到改变其转速的技术。众所周知,我国的电网电压为 220V、50Hz,在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”,而“变频空调”是可根据实际需求冷量,通过变频器改变压缩机供电频率,调节压缩机转速,依靠压缩机转速的快慢调节制冷量,从而达到控制室温的目的,实现节能。

    变频器:利用电力电子器件的通断作用,将工频电源变换为另一可变频率的电能控制装置,是改变供电频率和电压的设备。Variable Frequency Drives 简称VFD。

    物理本质:是一种能量转换装置,通过“整流→逆变”这一过程,把定压定频的市电转换为用户所需要的变频的交流电。

提交

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交流变频空调

    异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用而产生的。定子绕组渡过电流时产生旋转磁场,在转子绕组内感应出电动势,因而产生了感应电流,该电流与定子旋转磁场相互作用,便产生了磁场力。而实际上对于异步电动机,旋转磁场的转速(通常称为同步转速)与转子的转速是有差别的,两者之差与同步转速的比值,我们称之为转差率。现在变频空调的控制方法基本上都是采用这种方法来实现变频调速的。220V、50Hz的市电经整流滤波后得到310V左右的直流电,此直流电经过逆变后,就可以得到用以控制压缩机运转的变频电源。

直流变频空调

    关于直流变频存在以下误区:直流电原本无频率,为何有直流变频一说?

    有些变频家用电器,变频器驱动的是无刷直流电机,为了与采用异步机的变频家电进行区别,人们习惯上把使用了无刷直流电机的变频家电称为直流变频家电。对于大型冷水机组而言,因功率较大不可采用无刷直流电机,人们将采用永磁同步机的变频称为直流变频;将采用异步机的变频称为交流变频。所以,是否是直流、交流变频,是根据电机的不同形式区分的。直流变频并不是说压缩机是直流电供电,它的转化方式上与交流变频一样,都是采用交-直-交的方式。供给压缩机的电压还是交流的信号。这种电机实际也是一种交流电动机。


◇未来发展◇


变频技术对生活的影响

    随着电力电子、计算机技术的迅速发展,变频调速以其优异的调速和启、制动性能被国内外公认为是最有发展前途的调速方式,广泛应用与机电一体化、电机传动、航空航天等领域,而变频技术就是变频调速的核心技术。

变频技术的优点

    1.变频技术可有效控制电机速度,具有调速范围广、调速精度高、动态响应快等优势;

    运行速度可调:变频技术在调整输出频率的同时按照比例调整输出电压,从而改变电机转速,实现无级调速;

    加速可控:变频调速能够在零速状态下启动,并按照需求进行相应的加速,加速曲线可根据设计需求变动选择;

    转矩可控:原有的工频状态下,电机只能通过检测电流值或热保护来对电机进行控制,而变频控制可设置精确的转矩值来调整电机动作。

    采用微机控制技术对变频器进行控制,可实现多种传动调速功能:各种频率设定和执行、启动、运行方式选择、转矩控制设定与运行、加减速设计与运行、制动方式设定和执行,使变频技术更加智能,应用领域更加广阔。

    2.变频技术保护功能较为完善,对电机的保护监控、机械部件寿命、电网的电流和电压波动都能做到有效控制;

    电流电压方面,变频启动较工频直接启动相比,启动电流仅工频启动的1/8到1/7,减小启动电流对电网系统的冲击。同时,电流引起的电机绕组电应力和热量大大降低,延缓电机寿命的损耗。电机工频启动时,电流剧增的同时,电压也会大幅度波动,电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量,电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常。而变频调速由于能在零频零压时逐步启动,则能最大程度上消除电压下降。

    控制方面,结合接口电路、外部传感器、微机构可构成完善的监测保护系统,完成多种自诊断保护方案。可实施的保护包括:a)主电路、控制电路的欠压、过电压保护;b)输出电流的欠电流、过电流保护;c)电动机或逆变器的过载保护;d)电气元件的过热保护;e)电机失速保护。

    机械部件损耗方面,变频调速对电机停止方式的选择(减速停止、自由停止、减速停止配合直流制动等)能够减少电机和其联动机械部件的冲击;对转矩极限动态调整,避免机械不减少损伤。

    3.变频技术在节能、维护方面有着显著的优势。

    第一,变频技术实现软启动,启动电流小。电机功率与电流和电压的乘积成正比,通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率;

    第二,变频调速电机在低转差率运行状态,减小电机自身损耗,工作效率高。同时,随应用需求的变化,变频调速系统可快速动态调整转速,以最低的电耗满足当时的应用需求;

    第三,变频器体积小,用变频调速代替机械变速,可以省去负责的齿轮变速箱,在降低成本和空间的同时还提高了控制精度和稳定性。

变频技术的劣势

    变频技术已经走进我们的生活,给大众带来便捷和实惠。在节能、提高产品质量、自动智能控制、延长设备使用寿命、增加环境舒适性等方面发挥了巨大的作用。单变频技术并非没有缺点,它也产生了负面作用。    

    变频技术是利用电机的转速和电源频率的线性关系,将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调方向的交流电源。而整流电路和逆变电路都是由非线性元件组成,在开断过程中,其输入端和输出端都会产生高次谐波。变频器从电网吸收非正弦电流,引起电网电压畸变,既充当一个谐波源,又是一个谐波接受者。作为谐波源,变频器对各种电气设备有不同程度的影响:—增加了电网中发生谐振的可能性,从而造成很高的过电流易引发事故;

    —增加附加损耗,降低输电及用电设备的效率和设备利用率;

    —使电气设备(电机、电容、变压器等)运行不正常,加速绝缘老化,缩短使用寿命;

    —使许多用电设备运转不正常或者不能正常动作或操作;

    —干扰通信系统,降低信号的传输质量,破坏信号的正常传递甚至破坏通信设备;

    —某些情况下可能引起供电电压波动和闪变,甚至引起三相电压不平衡,会危及电网安全经济运行,并影响电气设备或周边用户的正常用电。

 

变频空调技术的未来发展

    空调中关于变频技术的引进,主要是瞄准高能效和智能化。采用变频技术后,压缩机的工作范围得以扩宽,不需要压缩机在断续状态下运行,通过变频调速是压缩机可高低速平滑切换,既降低电力消耗,又消除因压缩机频繁启动引起的噪音,同时还避免了室内温度因压缩机启停波动造成的不舒适。变频技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术,既要处理电能的转换,又需处理信息的收集、变换和传输,因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题,后者要解决基于现代控制理论的智能控制策略的软硬件开发问题。那么依赖与变频技术的变频空调的走向也受其影响,我们认为变频空调技术有三个方面的趋向:

    稳定性和结构方面。“无电网污染”的变频空调,通过变频电路的改进和新技术的引进,使空调变频器的谐波抑制能力大大加强。同时,提高变频器的控制柔性和可靠性。结构上,缩小变频器尺寸,节省安装空间。

    高能效方面。通过变频器硬件电路优化、软件驱动方式改良、电机性能提高,使变频空调具备变频调速时高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点。

    智能方面。主要是更加快捷的高速度数字控制,通过采用人工智能技术对变频器即其整个空调系统进行运行监控和控制调整。整个调控系统由监控、检测、数据库、推理机构和人机对话接口等部分组成,不仅能够在工作时对个检测点进行循环查询、实施监控空调运行状况,智能推断机组制冷制热效果,还可判断机组“健康情况”,提前预测机组发生故障的可能和自我调整防止故障发生,即使在故障发生之后,也能准确提示故障性质、部位,甚至针对较低的故障等级,自行处理故障,再次自启。若故障等级无法自行排除,系统会发出“呼救”,通过调用数据库进行分析推理,准确告知维护人员故障原因和部位,以及处理方式。


◇变频机组◇


麦克维尔齐全的变频机组

磁悬浮变频离心式水冷机组

型号:WME

制冷量:400-1500RT

制冷剂:R134a

能效等级:一级

IPLV:12.3

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    2003年,麦克维尔率先在全球推出磁悬浮变频离心式冷水机组,开创了冷水机组的崭新时代。2012年,麦克维尔再度领先推出行业更大冷量更高能效的第二代磁悬浮变频离心式冷水机组,继续引领冷水机组技术发展的先潮。截止2013年12月31日,麦克维尔已有2557台磁悬浮变频离心式冷水机组服务于世界各地的知名楼宇。一直在进步,从未被超越,麦克维尔专注磁悬浮,领先不变。





WMC/WME磁悬浮变频离心式冷水机组主要由磁悬浮压缩机、变频驱动器、蒸发器、冷凝器、节流阀、操作屏等组成。采用磁悬浮压缩机,无需润滑油,真正实现断电“0”S再启动;特殊的设计,保证断电时的安全停机。

超高能效值

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 WMC/WME系列磁悬浮变频离心机满负荷能效值(COP)最高达6.9,综合部分负荷能效值(IPLV)高达12.3,高于传统的离心式冷水机组,亦远远高于国家标准。    

第二代磁悬浮技术由麦克维尔中国自主研发,其采用的单压缩机制冷能力高达700RT,为行业领先。


  以一台500冷吨WME与普通高效离心机为例做比较,年运行时间1800小时,电费按1元/度,计算可得:


始终保持高效

    磁悬浮机组在节约能源方面还体现在效率不会随着使用年限的增加而衰减。传统空调,因为润滑油侵入换热器、以及不凝性气体进入机组等,效率都会逐年衰减。

    一项来自AHRI的数据表明,当离心机蒸发器润滑油的侵入量达到3.5%时,COP会衰减8%以上。使用润滑油的 传统离心机,油侵入换热器是不可避免的过程。磁悬浮离心机,轴承因为磁力而悬浮,整个系统因此不需要润滑油,也就不存在油入侵现象,效率亦不会衰减。此项变革可以额外减少冷机实际电耗10%以上。


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电机直驱&变频

    传统电机在驱动过程中,由于电机本身的无用功、摩擦损失、齿轮传动损失等,会导致电机效率较低。麦克维尔磁悬浮离心式机组叶轮依靠同步永磁无刷直流电机直接驱动,无磨损,拥有更高的效率。

     机组采用变频驱动,启动电流仅为2安培。变频器在200-500HZ的范围内可自由调节叶轮的转速,同时与吸气导叶联锁控制,使机组实现无级能量调节,始终保持高效运行。

全直流变频降膜式单螺杆机组

型号:PFSV

制冷剂:R134a

能效等级:一级

IPLV:11.0

    作为单螺杆压缩机技术的领导者,麦克维尔单螺杆压缩机具有高效、节能、稳定、安静、使用寿命长的特点,而受到市场的认可。现在麦克维尔更是将直流变频技术融合单螺杆压缩机技术,研发出全球首创的直流变频单螺杆降膜式冷水机组,机组集直流变频技术、降膜式蒸发器、智能控制及环保冷媒于一身。是继PFSV系列交流变频单螺杆冷水机组之后,再一经典之作。

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降膜式蒸发器

    机组采用自主专利技术的降膜式蒸发器,换热效率更高,可使主机的制冷剂充注量减少30%以上。同时采用自主研发的旋风式油分,制冷剂和润滑油的分离效率高达99%,润滑油的充注量较传统机组降低50%以上,降低维护费用。

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直流变频高效节能

    麦克维尔自主研发技术,首创直流变频单螺杆冷水机组,传承了变频机组在部分负荷高效节能运行的特点之外,直流变频搭配降膜式高效换热器使全负荷节能效果再创巅峰,机组一级能效的同时IPLV高达11.0,大幅提高了系统运行的经济效益,助您将运行费用降低40%以上。

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    PFSV变频单螺杆式冷水机组在变负荷高标准空调市场的应用中最大限度的降低了项目的运营费用。用低碳、环保、高效、节能的机组特点,为项目提供了最优质的空调系统解决方案,助力绿色建筑及LEED的认证。

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直流变频水冷多联机组

型号:MDS-W

制冷量:11.2~67.0kW

制热量:12.5~75.0kW

制冷剂:HFC-410A

IPLV:7.85

    麦克维尔直流变频水冷多联机组集直流变频多联技术、水冷换热和环保制冷剂等特点于一身,IPLV值高达7.85,最高能效成就了多联机领域的巅峰之作。可利用楼宇水环、地下水、地表水和土壤源等低品位热源中的热能进行制冷/制热,进一步拓宽了多联机系统的应用范围。

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     麦克维尔直流变频水冷多联机组采用先进的直流变频技术,通过精心设计与国家认可实验的匹配测试后,机组综合能效系数IPLV值最高可达7.85,达到多联机行业最高水平,为客户带来更加丰厚的节能回报 。

高效率直流变频压缩机

    转子电机采用超强力钕磁铁,可产生强力永久磁场,大幅增加压缩转力矩,保证压缩机高效率运行。

定子铁心齿形优化设计:CAE软件进行铁芯磁场分析,优化铁芯的形状,改善马达的性能。


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领先的矢量变频控制技术

    全新的直流变频控制器,输出平滑180°正弦电压波形,使压缩机定子线圈始终形成稳定的旋转磁场,从低速到高速始终处于平稳运转


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