1 引言
隨著第一座智能建筑1984年在美國誕生以來，智能建筑的概念逐漸被世人所理解并在世界范圍內普及起來。我國自從20世紀90年代第一座智能大廈金貿大廈(如圖1所示)落成以來，智能大廈、智能建筑在各地不斷涌現。智能建筑中的機電設備系統中應用到很多交流電動機，如空調系統、給水排水系統中有許多風機、泵類負載，電梯系統(如圖2所示)中的曳引電機和門機。如何提高系統的效率，減少消耗，達到節能環保的目的，是目前關注的熱點。如何使電機平穩運行，提高其運行過程中的舒適感也是目前人性化服務的要求。目前發展十分迅速的變頻調速技術是一個不錯的解決方案。
圖1 上海金貿大廈
圖2 某智能建筑的電梯門廳
2 變頻調速
2.1 變頻調速的發展
現代變頻技術是交流電動機控制的核心技術，變頻技術的核心是功率變頻器件和微電子控制技術。電力電子器件和微電子技術的發展，推動了變頻技術的發展[1]。
2.2 變頻調速原理
異步電動機的轉速:
式中:n—電動機轉子轉速，r/min;
f1—電動機定子電源頻率，hz;
s—轉差率;
p—極對數。
從式(1)可得，連續改變供電電源的頻率，即可連續平滑的調節電動機的轉速，這種方法稱為變頻調速。變頻調速具有良好的調速性能，異步電動機變頻調速具有調速范圍廣，平滑性較高，機械特性較硬的優點，方便地實現恒轉矩或恒功率調速。風機、泵類、壓縮機類機械采用變頻調速的主要目的是為了節能[2]。
2.3 變頻調速節能原理
變頻調速節能的基本原理以水泵為例，當一臺水泵以不同轉速運行時，水泵的流量q，揚程h，軸功率p與轉速n有如下關系:
流量與轉速成正比,揚程與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的立方成正比。由此可見,降低轉速時,功率的減少量遠比流量的減少量大得多。風機也遵循這個規律,即風量與轉速成正比,風壓與轉速的平方成正比,軸功率與轉速的立方成正比。因此,降低水泵或風機的轉速,就能使單位供水量或風量的耗電量降低。圖3所示為風機、泵類揚程與流量關系曲線。
圖3 風機泵類揚程與流量關系曲線
3 空調系統中的變頻調速
能源緊缺致使節能的重要性凸顯,建筑節能特別是建筑中的空調系統節能很關鍵。我國建筑能耗約占全國總能耗的35%,而空調能耗又約占建筑能耗的50%~65%左右。暖通空調能耗占總能耗的比例可高達22.75%。按終端節能的概念,空調節能對節約能源有著實際意義[3]。據粗略估算，如果將空調的平均效率提高10％，每年就可節省3.7gw的發電量，為國家節約160 億元人民幣;而如果將全國在用空調全部換成變頻空調，則空調的平均能效至少可提高30％，每年可為國家節約480億元人民幣[4]。
中央空調系統主要用來實現室內的恒溫,為人們提供舒適宜人的工作和生活環境,在樓宇大廈中得到了廣泛的運用。
中央空調系統通過壓縮機將冷凍水制冷,冷凍水泵將冷凍水送到各房間的末端裝置,由風機吹送冷風達到降溫的目的。冷卻水泵將帶有熱量的冷卻水送到冷卻塔中進行噴淋冷卻,與大氣之間進行熱交換,將熱量散發到大氣中去。
[NextPage]
3.1 空調水系統
空調系統中泵類負載主要是冷凍水和冷卻水系統。空調系統選型配備時，其冷凍泵和冷卻泵選取原則是容量均按最大負荷選定且留有余量。因此泵組在大部分時間處于大流量運行狀態，系統的能源利用率降低，造成了大量能源浪費。同時，設備長期高速運轉，大大縮短了使用壽命，增加了維護費用[5]。
由式(1)和式(4)可知，采用變頻調速技術進行節能改造的關鍵在于可使電機轉速連續可調。因此可以根據實際需要的大小設定其轉速，從而節約了能量。因此,在冷卻水系統、冷凍水系統和冷卻塔風機上分別采用變頻調速控制都可以達到節能的目的。
3.2 空調風系統
降低空調系統能耗的另一關鍵是降低風系統的能耗。風系統決定了空調系統中的空氣品質和室內人員的舒適度，尤其是自從sars以后，人們更加注重室內的空氣品質。因此，需要增大新風量來加以改善，變風量空調越來越受到矚目。
變風量空調系統，可根據室內冷、熱負荷的變化，通過變頻器無級調節風機的轉速，從而達到改變風量的目的。若風機的運行時間10%按照設計負荷運行，20%的運行時間按照設計負荷的80%運行，70%的運行時間按照設計負荷的50%運行，其節約的能源是相當可觀[6]。
4 給水系統中的變頻調速
變頻調速供水技術是在20世紀80年代逐漸發展起來了供水新技術,其原理是變頻器根據管網需要供水量的變化,無級調節水泵電機的轉速以調節輸出流量,并保證管網壓力恒定。由于水泵的軸功率與轉速的三次方成正比,因而變速調節流量在提高效率和節能方面是最為經濟合理的。
4.1 生活給水系統
工程設計中，給水系統水泵的選取是根據最大設計流量和所需最大揚程。在智能建筑中，各個時間段的用水量不同，白天工作時間用水量大，晚上及非工作時間用水量小。即使在白天工作時間，也會出現用水高峰期和低峰期。大部分時間里，實際用水量小于最大設計流量。而水泵的特性為出水量降低，揚程提高，供水泵經常處于揚程過剩狀態。
圖4所示為變頻恒壓供水原理圖。變頻恒壓供水，可根據供水管網中的流量變化(即供水管網中的壓力變化)控制變頻器調整水泵電機輸入頻率,從而使水泵轉速改變。例如,在非高峰供水時,水泵減速運行,從而使水泵輸入功率減少,達到節能的目的。這就是變頻調速供水節能的基本原理[7]。
圖4 變頻恒壓供水系統原理圖
控制變頻調速的方法由pid控制、 模糊控制、直接轉矩控制法等。
4.2 消防給水系統
《高層民用建筑設計防火規范》gb50054-95規定:高層建筑應保證室內消防給水管網有滿足消防需要的流量和水壓,并應始終處于臨戰狀態。高壓消防給水系統指管網內經常保持滿足滅火時所需的壓力和流量,撲救火災時,不需啟動消防水泵加壓而直接使用滅火設備進行滅火。
智能建筑消防給水系統的控制方式有:
(1) 穩壓泵變頻、主泵工頻;
(2) 穩壓泵工頻、主泵變頻;
(3) 變頻全控[8]。
在消防給水系統中，由于消防管網平時滲漏降壓，通過補壓泵變頻控制補水，從而節能。消防主泵功率一般較大，啟動電流大，沖擊電網，變頻軟啟動。流量變化大，采用恒壓變頻消防管路理想特性曲線最好。
5 電梯系統中的變頻調速
高層建筑，尤其是智能建筑中，垂直運輸的交通工具—電梯系統是必不可少的。電梯系統應該具有高的安全性、可靠性和舒適感。
5.1 電梯運行特性
圖5所示為一個電梯運行速度變化曲線，整個過程共分9段。為了保證電梯的安全穩定可靠的運行、保證乘客乘坐的舒適感和平層精度，要求電梯運行的每一段均能進行精確的速度控制，在加速、減速、平穩運行階段能平滑過渡。
圖5 電梯運行速度變化曲線
在0~t1，電梯啟動階段，加速度慢慢增加;
t1~t2階段，恒加速度運行;
t2~t3階段，加速度逐漸減小到零;
t3~t4階段，電梯恒速穩定運行;
t4~t5階段，電梯減速運行，減速度逐漸增加;
t5~t6階段，恒減速度運行;
t6~t7階段，減速度逐漸降低;
t7~t8階段，電梯緩慢運行進入平層區; t8~t9階段，平層裝置動作，電梯停止。
由圖5可知，為保證快速性必須盡快使電機加速達到它所許可的最大速度并在此速度下穩速運行,而制動減速階段,關鍵要實現定位控制,以保證平層的精度。
5.2 變壓變頻控制
電梯是恒轉矩拖動系統，要獲得很好的舒適感，應采用恒轉矩調速方式。電動機轉矩用(5)式表示:
式中:k—常數;
m—電動機轉矩;
u—電壓;
f—頻率。
由式(5)可得，為了獲得最佳的舒適感，必須保證u/f不變。因此在變頻的同時改變電壓，即采用變壓變頻(vvvf)調速。
圖5所示電梯的運行曲線從電梯運行可分為啟動階段、平穩運行階段和制動運行階段。
(1) 啟動階段:vvvf控制從頻率低時開始，隨著曳引電機的速度升高，頻率不斷升高。啟動電流減小，能耗降低;
(2) 平穩運行階段:vvvf控制曳引電機為再生發電制動狀態，不從電網中吸收能量;
(3) 制動運行階段:工作在再生發電制動狀態。
電梯的曳引系統影響電梯的舒適感和平層精度，電梯的門機系統影響電梯的安全性和可靠性。
傳統的門機系統結構復雜、效率低、調速性能差，尤其在低速運行時，機械特性軟，造成電梯門不能可靠到位。采用vvvf控制門機，低頻時能保證高的輸出轉矩，從而保證可靠開關門。
6 結束語
變頻調速目前的應用十分廣泛，是目前異步電動機理想的調速方法。變頻調速有效率高、調速范圍寬、精度高、平滑性好等優點。尤其是針對空調系統、給水系統中風機和泵類負載時，可以獲得很好的節能效果。對電梯恒轉矩負載可以保證電梯的舒適感和安全可靠的平層。因此，變頻調速在智能建筑中的應用將越來越廣泛。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
