（天津市津安热电有限公司 300384）
摘要：本文探讨了变频调速控制技术在集中供热系统中的应用情况，并介绍了变频自动控制的工作与节能原理，并对其实际应用情况及社会经济效益进行了分析。
关键词：变频器；集中供热系统；应用
一、热力站的作用
热力站的主要作用是根据热力管网的实际情况和用户的不同条件，采用不同的连接方式，将热网输送的供热介质加以调节、转换，向用户系统分配，以满足用户需要，并集中计量、检测供热介质的数量和参数。
二、变频调速原理
三相异步电动机转速满足如下的关系式：n=（1-s）n0=（1-s）
式中：n为电动机转速r/min；s为电动机运行转差率；n0为同步转速r/min；f1为电源频率；p为电动机磁极对数。变频调速是通过改变电机频率f1从而改变同步转速n0来实现调速的。改变频率f1有两种方式，如图（a）、（b）所示。
①f1<fN时，要保持U1/f1=常数以电动机拖动恒转矩负载为例，它们的机械特性和负载特性如图（a）所示。调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。频率改变的瞬间，因机械惯性，转速来不及改变，工作点由a平移到人为特性上的b点。
由于此时T<TL，n下降，工作点沿人为特性由b移至新交点c为止。系统重在比原来低的转速下稳定运行。显然，f1越小，n越低。
②f1>fN时，要保持U1=UN机械特性和负载特性如图1（b）所示。
调速前系统工作在固有特性和负载特性的交点a上。f1改变的瞬间，工作点平移到人为特性上的b点。由于T>TL，n上升，工作点沿人为特性b移至新交点c为止，系统重新在比原来高的转速下稳定运行。可见，fL增加时，转速n随时增加。
三、集中供热系统中变频的节能原理
变频器广泛应用于热源及热网系统的风机，水泵的控制。风机泵类负载是变转矩型负载，其负载的阻转矩TL和转速nL的二次方成正比，即TL=KLnL2。式中KL为二次方率负载的转矩常数。负载功率Pl与转速nL关系式为：Pl=KTnL3可得功率消耗与转速的立方成正比。
离心式风机、泵类设备的流量与转速成正比Q∝N，压力与转速平方成正比H∝N2，功率与转速的立方成正比P∝N3（Q为流量；N为转速；H为压力；P为功率）。
风机水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非满负荷状态。而压力、流量都有富裕度，即计值偏大，使用时偏小。
由于交流电机调速很困难，人工的调节压力或流量的控制方法，常用挡风板、回流阀或开/停机时间，调节风量或流量，因此大部分的能量都消耗在挡板及阀门上，造成能量浪费。同时大电机在工频状态下频繁开/停比较困难，电力冲击较大，势必造成电能损耗和开/停机时的电流冲击。
变频器风机泵类专用的一控二功能，可根据反馈量大小自动控制两台电机运行。首先启动一台电机使之变频运行，当满足输出频率等于或大于上限频率且持续时间达到加泵延时时间设定值或反馈值小于或等于下限值且持续时间达到加泵时间的设定值，则增加另一台电机进行工频运行。
在加泵动作瞬间，对变频电机进行减速处理，可有效平滑加泵时的水压突升。当满足输出频率等于或下限频率且持续时间达到减泵延时时间设定值，或反馈值大于或等于上限值且持续时间达到减泵延时时间的设定值，则停止正在进行的工频运行的电机。在减泵动作瞬间，对变频电机进行加速处理，可有效平滑减泵时的水压突降。
经大量实践证明采用变频器直接控制风机、泵类负载是一种最科学的控制方法，当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的（80%）三次方，即51.2%（去除机械损耗电机铜、铁损等影响）。节能效率也接近40%，同时可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。
四、变频器在集中供热系统中的应用
在锅炉鼓引风系统中，关键在于保证经济燃烧，即进煤量和进风量的配比问题，如空气量不足造成不完全燃烧，产生一氧化碳，除污染环境外还造成严重的热能损失；反之，空气量过多，将带走大量的热量，造成过剩的空气损失。如能保证适当的风煤比，就可实现经济燃烧。
现阶段检测手段和设备尚不能方便地测得准确的进煤量和进风量，给自动控制造成一定的难度，但进煤量与炉排转速、煤层厚度存在对应的函数关系，而进风量也与鼓风机的转速存在对应关系，变频器根据锅炉工作的实际需要调节鼓、引风的风量，调解鼓风风量时，引风自动跟踪，使风煤比在整个运行过程中始终保持在最佳或次最佳。变频器还可设定跳跃频率，可有效避免在风机系统内产生的共振频率带，进一步提高系统的稳定性。
在换热系统中，变频器用于循环系统中可实现软启、软停、调节循环量；用于补水系统中可实现恒压补水。变频器自动根据输出频率，调解给定值对不同流量下的管路压降进行补偿；当水泵干转或管道泄漏时，变频器发出报警、睡眠停机或其他指令；当变频器即将进入休眠状态时，自动提高运行频率，增加睡眠压力，以换取更长的休眠时间节约能源，还可有效地减轻系统中启、停机对设备的冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时降低对电网的容量要求和无功损耗。
实践证明，在集中热行业上推广应用变频技术，一般能节电20%～60%投资回收期为1～3年，不仅节能效果显著，而且保护功能齐全，运行平稳，为系统正常供热提供保障。
五、变频技术的节能效益
5.1通过控制循环泵来节能
在常规的运行系统中，循环泵电机长期恒定在额定转速，当需要的温度较低时，常通过调节管道进出口阀门开度或者挡板来调节水流速度，这样就造成了能源在阀体或者挡板上的浪费。
一般来说，水泵类电机为平方转矩负载，轴功率和转速成立方关系，当电机的转速下降时，所消耗的功率也大大下降，所以采用降低电机转速来节能会有很好的效果。而变频器恰恰可以做到这点，若采用变频技术进行改造，则可以使管网水流量根据需要的压力来自动调节，在保证系统正常运行的情况下，减少了能量损失。另外，在通常的设计中，设计电机功率都有一定的余量，要高于其所带负荷，效率达不到100％，如果这个时候改用变频驱动，节能效果会更加明显。
5.2通过控制补水泵来节能
热力站除了循环泵，还有一个不可缺少的调节部分——补水泵，补水泵同样可以用变频器来控制，使其补水压力达到一个恒定值。
变频补水系统是通过一个压力变送器来实时监测热力站内二次管网循环泵出口侧的压力，根据实际需要进行设定后，变频器就会根据压力变送器反馈的压力信号来获取管网压力的变化，这样变频器就可通过控制补水泵的启停来控制补水的快慢及量度，从而达到恒压的目的。
结语
集中供热系统电能的消耗占到热力站运行能耗的60％，因此，变频调速控制技术在集中供热系统中的应用具有极为显著的经济效益。集中供热作为一个系统工程，变频调速控制技术在节能方面发挥的作用，还依赖于集中供热自控系统及温度采集系统。
参考文献：
[1]蒋琳琳．变频器及自控系统在集中供暖系统里换热站控制中的应用[J]．科学时代，2010.
[2]韩国新.变频器自动控制在1880M3高炉循环水系统中的研究与应用[J].电子测试.2013.
作者简介：
张润丰（1990.7-），男，天津人，辽宁工程技术大学热能与动力工程学学士，单位：天津市津安热电有限公司，研究方向：变频器在供热行业的应用
刘扬（1988.1-），男，天津人，哈尔滨工程大学控制理论与控制工程专业硕士，单位：天津市津安热电有限公司，研究方向：自动控制在供热中的应用
论文作者:张润丰,刘扬
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/21
标签：转速论文; 变频器论文; 系统论文; 负载论文; 电机论文; 集中供热论文; 频率论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;