变频器在暖通空调的能源节约上的应用

一般空调设计时是以最高尖峰负载为设计依据，然而最高尖峰负载大约只占整体运转时间的5%左右，也就是说大部分都在部分负载下运转，相对地就有很大的节约能源空间。近年来由于电力电子控制技术的快速进步，使得变频器成为目前空调系统上节能的重要工具，因此本文即针对变频器之节能应用加以介绍。

前言‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧

人类对自然资源无止尽取用及排放大量污染物的情形，已远超过自然循环自净作用所能应付，持续恶化的生态所引发的大自然反扑，已严重影响到后代子孙的生存环境。

在环保人士多年的努力呼吁下，地球村共生共荣的观念已逐渐被接受，除着重节能、再生能源、能源新利用等技术的研发推广外，改善长时间居处的环境亦是各国的发展重点，无论是北京，悉尼的奥运村、荷兰的无传统能源街，及如雨后春笋般建设的各式生态绿色建筑，都以环保、节能、舒适及无污染等设计，为永续生态尽一份心力。

我国当前面临能源环境的问题有二：一为全球二氧化碳排放浓度增加的温室效应；二为国内经济持续发展以致电力需求日增，但在环保意识抬头下，电源开发不易之电力短缺。因此未来如何抑制能源使用，以降低环境污染及维持高度经济成长是大家的共同问题，目前全世界公认除了开发再生能源外，节约能源是主要的解决方法。

认识变频器

一、变频器之原理

变频器主要可分成控制及电力驱动二部份，如图1。电力的转换方式是先将三相电源经整流后，形成直流电压跨于主电路电容器上，再藉控制部份送出的六个闸极控制讯号，将直流电压切割成三相脉波宽度调变的电压送给电动机，因电动机线圈的电感效应，充放电形成连续锯齿波形的三相正弦波电流波形，使电动机能平滑的运转。

图1. 变频器电路架构

变频器是以频率之变化来控制马达转速，而频率与马达转速二者之关系如下列公式所示：

﹝N：转速(rpm)； P：马达极数； F：频率； S：马达之转差率﹞

二、变频器的型式

由于电路结构不同，一般使用的变频器大概有以下三种型式：

1.可变电压源变频器(Variable Voltage Input)
	其输出相电压波型为六阶型态，故又称为六阶VVI。当速度变化时，其输出电压及频率亦跟着变化，此电压变化乃是借着直一流电(DC)电压的高低来达到维持频率变化的需求。
2.电流源变频器(Current Source Input)
	其输出电压及频率的大小是利用电流源来控制的。
3.脉波宽度调变频器(Pulse Width Modulation)
	其本质上亦为电压源变频器，利用高速切换变频器的导通率来控制输出压的变化，其调变方式有方波调变和正弦波调变二种，图2即以方波调变来说明。 Vd为输入电压，Vo为输出电压，可藉由调整Vd、S.W开关时间及电阻值大小来改变输出电压，而其输出电压平均值为：
	﹝Vo：输出电压；Vd：输入电压；Ton：S.W on的时间；Ts：周期﹞

图2.方波调变电路图

三、变频器控制感应马达所需注意事项

尽管变频器在空调节约能源应用控制上有莫大的成效，但应用在标准型马达和高效率马达时，仍有以下二个问题须加以注意，才可以达到既节能又安全之目标。

1.马达温度上升
	马达的实际散热能力是随着转速的降低而下降，这是因为装在马达上的冷却风扇风量会随着转速的降低而减少，当马达转速降低到某种程度后，马达的散热能力会比满载运转时还小，所以马达转速降低后，马达温度会上升。 为改善此现象，可以使用高效率马达，因高效率马达在做变速运转时，比标准型马达有利，主要原因是高效率马达在定子、转子和铁心方面都采用低损失设计，且耐热性方面采用较高的安全系数，故可以提供比标准型马达更宽广的连续转矩，或者亦可在标准型马达加装固定转速的散热风扇，不因转速降低而降低风扇转速，以保持良好的散热能力。
2.变频器本身的负载能力
	不论任何型式的电源驱动装置都有其电流供给能力的限制，所以在应用时有必要对最大转矩、起动转矩和运转转矩等需求加以规范。在满载转矩的150%以下范围，马达的电流和转矩大致上是成正比，但是超过150%全载转矩时，电流和转矩便分道扬镳了。对标准型马达而言，崩溃转矩等于全载转矩的230%，产生此转矩所需要的电流是全载电流的340%；对高效率马达而言，崩溃转矩等于全载转矩的243%，所需电流则为全载电流的374%。一般而言，变频器的最大供电容量是全载的150%，因为在此范围内，转矩/电流的比值相对地维持在定值的关系。

变频器在空调系统中应用‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧

由于空调系统用电量甚巨，若能有效降低电力消耗将会有相当大的节能成效。而目前变频器于空调系统上的使用日渐增加，使用变频器控制转速不仅可以节省部分负载电力，又具有下列优点：

1. 由于马达、风机在较低转速运转，因此 所产生的机械噪音较低。
2. 因变频器具有缓启动(Soft Start)功能，所以会降低瞬间启动转矩。
3. 由于马达运转在低转速，其轴承寿命较长。
4. 系统控制较传统(on-off)稳定。

一、风车定律

风车之体积流量率(Q)与风车转速(N)成正比，静压(SP)与风车转速之平方成正比，马力(P)则与风车转速之三次方成正比。此些定律以方程式表示如下(α表示二者之正比关系)：

1.改变转速(空气密度维持不变)

Q	α	N
SP	α	N^2
P	α	N^3

2.改变空气密度(风量维持不变)

SP	α	ρ
P	α	ρ

3.改变空气密度(静压维持不变)

Q	α
N	α
P	α

〔Q：体积流量率(m³/sec)；N：风车转速(rpm)；SP：风车出入口端静压差(Pa)；P：风车制动功率(Watt)；ρ：空气密度(kg/m³)〕

二、水泵相似定律

相似定理不仅可应用于水泵液态系统，只要是离心设备操作流体介质均适用，当系统流量变化时，静压水头、摩擦损失及其它系统因素均会影响水泵的性能，其关系如下：

1.改变水泵转速(叶轮直径不变)

Q	α	S
H	α	S^2
P	α	S^3

2.改变水泵叶轮直径(水泵转速不变)

Q	α	D
H	α	D^2
P	α	D^3

〔Q：水泵流量(m³/sec)；S：水泵转速(rpm)；D：水泵叶轮直径 (mm)；P：水泵制动功率 (Watt)；H：扬程 (m)〕

三、应用变频器控制水泵

泵是以压力加诸流体使其流动之机器，可分为涡轮型及容积型。一般使用的水泵多为涡轮型，主要可分为离心式、斜流式及轴流式，其中以离心式构造最简单，价格最便宜，在空调使用也最为普遍。

以往水泵均为定速运转，若是要做流量之调整则须使用控制阀来控制流量，但节省能源有限，因此，近年来大都采用变频器控制水泵马达转速，以达节约用电的目的。尤其是一般大楼空调均使用密闭冷水系统，所需之静扬程几乎为零，绝大部分所需均为动扬程，包括水流速度所需及克服管路设备摩擦所需之动扬程，均与流速之平方成正比，即与水流量之平方成正比，故使用变频器节能效果更易显现。

图3所示为水泵特性曲线，由图可知水泵转速由100%降低至50%，此时流量亦由100%降低至50%；扬程由100%降低至25%时，水泵制动功率只要12.5%时即可。换言之，以变频器控制转速调整流量至1/2时，理论上轴动力则仅需1/2的三次方，亦即只要12.5%之轴动力就够了。实际上若考虑变频转变效率约5%之全载损失因素后，估计约需20%的轴动力，由此可知其节省电力之功效。

图3. 水泵特性曲线

四、应用变频器控制风机

送风机所需之动力与风量三次方成正比，所以空调的送风系统在部分负载时，若能采用VAV系统(Variable Air Volume)改变送风机之风量，将可节省许多不必要之电力浪费。一般大楼空调常见之风量控制方法有下列三种：

1. 入口风门控制(inlet vane control)
2. 出口风门控制(discharge damper control)
3. 改变马达转速控制(variable speed motor control)

上述控制方法之风机动力消耗与风量的关系曲线如图4所示，由图可知使用变频器来控制风机，以改变马达转速为最佳而有效的节能方法。

图4. 风扇动力消耗与风量的关系曲线

当系统需求风量减少时，需要控制马达降低送风机转速，而当送风机转速降低时，其性能曲线会降低至较低静压之曲线，每一个不同的转速会有一条新的性能曲线且相互平行。一般而言，风量降低时系统之静压损失减少，而送风机因转速降低也降低其产生之静压，图5所示为变速风机系统曲线与耗电量变化。

图5. 变速风机系统曲线与耗电量变化

结论‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧

空调系统已成为日常生活必需品，尤其是最近几年空调系统成长的速度更是惊人，除了公共场所及家中所使用的空调机之外，工厂内为了配合人员舒适需求或是因应生产制程环境要求所使用的空调机组更是大幅成长，当产品要求愈精致，空调的用电量就愈大。例如，以前的纺织厂是在门口喷水来增加厂房湿度就能满足生产的需求，但如今因产品的精致化及机台产量的增加，不仅是需要空调来排除机台热负载，对厂内空气温湿度的要求更是愈来愈严格，其结果是造成空调负载及空调用电的增加。

又如目前最热门的IC产业，根据调查在同一厂房面积下，洁净度每升高一级（例如由100级升为10级），其空调耗电量约增加三倍。因此，若能在不影响空调质量的情况下，减少空调耗电量，即可达到空调节能的目标，而在众多节能的方法中，变频器的应用亦是空调节能的利器之一，值得参考学习。