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(nèi)普及起來。我國自從20世紀(jì)90年代第一座智能大廈金貿(mào)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(xiàn)。智能建筑中的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)中應(yīng)用到很多交流電動機(jī)，如空調(diào)系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng)中有許多風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，電梯系統(tǒng)(如圖2所示)中的曳引電機(jī)和門機(jī)。如何提高系統(tǒng)的效率，減少消耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的，是目前關(guān)注的熱點(diǎn)。如何使電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，提高其運(yùn)行過程中的舒適感也是目前人性化服務(wù)的要求。目前發(fā)展十分迅速的變頻調(diào)速技術(shù)是一個不錯的解決方案。

圖1 上海金貿(mào)大廈

圖2 某智能建筑的電梯門廳

2 變頻調(diào)速
2.1 變頻調(diào)速的發(fā)展
現(xiàn)代變頻技術(shù)是交流電動機(jī)控制的核心技術(shù)，變頻技術(shù)的核心是功率變頻器件和微電子控制技術(shù)。電力電子器件和微電子技術(shù)的發(fā)展，推動了變頻技術(shù)的發(fā)展[1]。
2.2 變頻調(diào)速原理
異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速:

式中:n—電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min;
f1—電動機(jī)定子電源頻率，hz;
s—轉(zhuǎn)差率;
p—極對數(shù)。
從式(1)可得，連續(xù)改變供電電源的頻率，即可連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速具有良好的調(diào)速性能，異步電動機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣，平滑性較高，機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速。風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)類機(jī)械采用變頻調(diào)速的主要目的是為了節(jié)能[2]。

2.3 變頻調(diào)速節(jié)能原理
變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理以水泵為例，當(dāng)一臺水泵以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，水泵的流量q，揚(yáng)程h，軸功率p與轉(zhuǎn)速n有如下關(guān)系:

流量與轉(zhuǎn)速成正比,揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。由此可見,降低轉(zhuǎn)速時,功率的減少量遠(yuǎn)比流量的減少量大得多。風(fēng)機(jī)也遵循這個規(guī)律,即風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比,風(fēng)壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比,軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此,降低水泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,就能使單位供水量或風(fēng)量的耗電量降低。圖3所示為風(fēng)機(jī)、泵類揚(yáng)程與流量關(guān)系曲線。

圖3 風(fēng)機(jī)泵類揚(yáng)程與流量關(guān)系曲線

3 空調(diào)系統(tǒng)中的變頻調(diào)速
能源緊缺致使節(jié)能的重要性凸顯,建筑節(jié)能特別是建筑中的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能很關(guān)鍵。我國建筑能耗約占全國總能耗的35%,而空調(diào)能耗又約占建筑能耗的50%~65%左右。暖通空調(diào)能耗占總能耗的比例可高達(dá)22.75%。按終端節(jié)能的概念,空調(diào)節(jié)能對節(jié)約能源有著實(shí)際意義[3]。據(jù)粗略估算，如果將空調(diào)的平均效率提高10％，每年就可節(jié)省3.7gw的發(fā)電量，為國家節(jié)約160 億元人民幣;而如果將全國在用空調(diào)全部換成變頻空調(diào)，則空調(diào)的平均能效至少可提高30％，每年可為國家節(jié)約480億元人民幣[4]。
中央空調(diào)系統(tǒng)主要用來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的恒溫,為人們提供舒適宜人的工作和生活環(huán)境,在樓宇大廈中得到了廣泛的運(yùn)用。
中央空調(diào)系統(tǒng)通過壓縮機(jī)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(fēng)機(jī)吹送冷風(fēng)達(dá)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(jìn)行噴淋冷卻,與大氣之間進(jìn)行熱交換,將熱量散發(fā)到大氣中去。

[NextPage]

3.1 空調(diào)水系統(tǒng)
空調(diào)系統(tǒng)中泵類負(fù)載主要是冷凍水和冷卻水系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)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(fù)荷選定且留有余量。因此泵組在大部分時間處于大流量運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的能源利用率降低，造成了大量能源浪費(fèi)。同時，設(shè)備長期高速運(yùn)轉(zhuǎn)，大大縮短了使用壽命，增加了維護(hù)費(fèi)用[5]。
由式(1)和式(4)可知，采用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造的關(guān)鍵在于可使電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。因此可以根據(jù)實(shí)際需要的大小設(shè)定其轉(zhuǎn)速，從而節(jié)約了能量。因此,在冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)和冷卻塔風(fēng)機(jī)上分別采用變頻調(diào)速控制都可以達(dá)到節(jié)能的目的。

3.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)
降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的另一關(guān)鍵是降低風(fēng)系統(tǒng)的能耗。風(fēng)系統(tǒng)決定了空調(diào)系統(tǒng)中的空氣品質(zhì)和室內(nèi)人員的舒適度，尤其是自從sars以后，人們更加注重室內(nèi)的空氣品質(zhì)。因此，需要增大新風(fēng)量來加以改善，變風(fēng)量空調(diào)越來越受到矚目。
變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，可根據(jù)室內(nèi)冷、熱負(fù)荷的變化，通過變頻器無級調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變風(fēng)量的目的。若風(fēng)機(jī)的運(yùn)行時間10%按照設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行，20%的運(yùn)行時間按照設(shè)計(jì)負(fù)荷的80%運(yùn)行，70%的運(yùn)行時間按照設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%運(yùn)行，其節(jié)約的能源是相當(dāng)可觀[6]。

4 給水系統(tǒng)中的變頻調(diào)速
變頻調(diào)速供水技術(shù)是在20世紀(jì)80年代逐漸發(fā)展起來了供水新技術(shù),其原理是變頻器根據(jù)管網(wǎng)需要供水量的變化,無級調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)輸出流量,并保證管網(wǎng)壓力恒定。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,因而變速調(diào)節(jié)流量在提高效率和節(jié)能方面是最為經(jīng)濟(jì)合理的。

4.1 生活給水系統(tǒng)
工程設(shè)計(jì)中，給水系統(tǒng)水泵的選取是根據(jù)最大設(shè)計(jì)流量和所需最大揚(yáng)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(xiàn)用水高峰期和低峰期。大部分時間里，實(shí)際用水量小于最大設(shè)計(jì)流量。而水泵的特性為出水量降低，揚(yáng)程提高，供水泵經(jīng)常處于揚(yáng)程過剩狀態(tài)。
圖4所示為變頻恒壓供水原理圖。變頻恒壓供水，可根據(jù)供水管網(wǎng)中的流量變化(即供水管網(wǎng)中的壓力變化)控制變頻器調(diào)整水泵電機(jī)輸入頻率,從而使水泵轉(zhuǎn)速改變。例如,在非高峰供水時,水泵減速運(yùn)行,從而使水泵輸入功率減少,達(dá)到節(jié)能的目的。這就是變頻調(diào)速供水節(jié)能的基本原理[7]。

圖4 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理圖

控制變頻調(diào)速的方法由pid控制、 模糊控制、直接轉(zhuǎn)矩控制法等。

4.2 消防給水系統(tǒng)
《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》gb50054-95規(guī)定:高層建筑應(yīng)保證室內(nèi)消防給水管網(wǎng)有滿足消防需要的流量和水壓,并應(yīng)始終處于臨戰(zhàn)狀態(tài)。高壓消防給水系統(tǒng)指管網(wǎng)內(nèi)經(jīng)常保持滿足滅火時所需的壓力和流量,撲救火災(zāi)時,不需啟動消防水泵加壓而直接使用滅火設(shè)備進(jìn)行滅火。
智能建筑消防給水系統(tǒng)的控制方式有:
(1) 穩(wěn)壓泵變頻、主泵工頻;
(2) 穩(wěn)壓泵工頻、主泵變頻;
(3) 變頻全控[8]。
在消防給水系統(tǒng)中，由于消防管網(wǎng)平時滲漏降壓，通過補(bǔ)壓泵變頻控制補(bǔ)水，從而節(jié)能。消防主泵功率一般較大，啟動電流大，沖擊電網(wǎng)，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(tǒng)中的變頻調(diào)速
高層建筑，尤其是智能建筑中，垂直運(yùn)輸?shù)慕煌üぞ摺娞菹到y(tǒng)是必不可少的。電梯系統(tǒng)應(yīng)該具有高的安全性、可靠性和舒適感。

5.1 電梯運(yùn)行特性
圖5所示為一個電梯運(yùn)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(wěn)定可靠的運(yùn)行、保證乘客乘坐的舒適感和平層精度，要求電梯運(yùn)行的每一段均能進(jìn)行精確的速度控制，在加速、減速、平穩(wěn)運(yùn)行階段能平滑過渡。

圖5 電梯運(yùn)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(yùn)行;
t2~t3階段，加速度逐漸減小到零;
t3~t4階段，電梯恒速穩(wěn)定運(yùn)行;
t4~t5階段，電梯減速運(yùn)行，減速度逐漸增加;
t5~t6階段，恒減速度運(yùn)行;
t6~t7階段，減速度逐漸降低;
t7~t8階段，電梯緩慢運(yùn)行進(jìn)入平層區(qū); 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(jī)加速達(dá)到它所許可的最大速度并在此速度下穩(wěn)速運(yùn)行,而制動減速階段,關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)矩拖動系統(tǒng)，要獲得很好的舒適感，應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。電動機(jī)轉(zhuǎn)矩用(5)式表示:

式中:k—常數(shù);
m—電動機(jī)轉(zhuǎn)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(diào)速。
圖5所示電梯的運(yùn)行曲線從電梯運(yùn)行可分為啟動階段、平穩(wěn)運(yùn)行階段和制動運(yùn)行階段。
(1) 啟動階段:vvvf控制從頻率低時開始，隨著曳引電機(jī)的速度升高，頻率不斷升高。啟動電流減小，能耗降低;
(2) 平穩(wěn)運(yùn)行階段:vvvf控制曳引電機(jī)為再生發(fā)電制動狀態(tài)，不從電網(wǎng)中吸收能量;
(3) 制動運(yùn)行階段:工作在再生發(fā)電制動狀態(tài)。
電梯的曳引系統(tǒng)影響電梯的舒適感和平層精度，電梯的門機(jī)系統(tǒng)影響電梯的安全性和可靠性。
傳統(tǒng)的門機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、調(diào)速性能差，尤其在低速運(yùn)行時，機(jī)械特性軟，造成電梯門不能可靠到位。采用vvvf控制門機(jī)，低頻時能保證高的輸出轉(zhuǎn)矩，從而保證可靠開關(guān)門。

6 結(jié)束語
變頻調(diào)速目前的應(yīng)用十分廣泛，是目前異步電動機(jī)理想的調(diào)速方法。變頻調(diào)速有效率高、調(diào)速范圍寬、精度高、平滑性好等優(yōu)點(diǎn)。尤其是針對空調(diào)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載時，可以獲得很好的節(jié)能效果。對電梯恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載可以保證電梯的舒適感和安全可靠的平層。因此，變頻調(diào)速在智能建筑中的應(yīng)用將越來越廣泛。