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变频空调能效计量及谐波检测整体解决方案

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  • 发布时间:2013/10/29 12:25:11
  • 作者:AnyWay中国

变频空调与定频空调的区别

  空调的作用是将室内温度调节至相对固定的温度,比如说26℃,而室外的温度变化范围较大,比如说在28~40℃之间。室内外温差越大,空调需要的需要制冷量越大,反之越小。而空调的制冷量与压缩机转速有关,转速越低,制冷量越少,需要用电量也越少。
  定频空调压缩机不能改变转速,输出制冷量不能随室内外温差减小而改变,空调只能以开停机形式稳定室内温度;而变频空调可以根据不同温差改变压缩机转速,调节制冷量,基本不停机,提升了压缩机寿命。
  此外,变频空调与定频空调相比还有一个很大的好处就是没有开停机之间的温差,可基本维持温度的恒定,不需要或减少开停机也降低了空调的噪声,提高了舒适度。

变频空调能效计量原理

1引用标准

  GB 12021.3-2010 房间空气调节器能效限定值及能源效率等级
  GB 21455-2013 转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级
  GB/T 7725 房间空气调节器
  GB/T 17758 单元式空气调节器
  GB/T 22670-2008变频器供电三相笼型感应电动机试验方法
  GB 17625.1-2003电磁兼容限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)

2变频空调能效比

  变频空调能效比APF是指空调器全年运行期间从室内交换的热量总和与消耗电量总和之比。变频空调能效比数值越大,表示空调越节能。
  变频空调能效比SEER是指空调器制冷季节运行期间从室内除去的热量综合与消耗电量总和之比。变频空调能效比数值越大,表示空调越节能。
  最新国家强制标准《GB 21455-2013 转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级》对转速可控型房间空调调节器能效等级分为3级,其中1级能效等级最高,最节能。
  单冷式变频空调各等级实测制冷季节能效比(SEER)应不低于表1的规定。
表1、单冷式变频空调能效限定值及能效等级
单冷式变频空调能效限定值及能效等级
  热泵式变频空调各等级实测全年能效比(APF)应不低于表2的规定。
表2、热泵式变频空调能效限定值及能效等级
热泵式变频空调能效限定值及能效等级
  下图为变频家电的能效标识
变频洗衣机能效标识、变频空调能效标识、变频冰箱能效标识
图1 变频洗衣机能效标识、变频空调能效标识、变频冰箱能效标识。

3变频空调能效计量主要测试参数

  目前变频空调能效计量主要测试参数为固定制冷量时的输入有功功率及待机运行时的待机功率。
  上述方法只能获取变频空调的能效比,却无法知道能效低的原因或提高能效的方法。
  如何提高变频空调的能效比,如何将3级能效的变频空调能效提高到2级甚至1级,才是变频空调厂家真正应该关心的事情。
  如何提高变频空调的能效比呢?
  变频空调的能效主要取决于变频器的能效、电机的能效及压缩机的能效。
  假设外部电源输入功率为P1,变频器输出功率为P2,电机输出功率为P3,制冷功率为P4
  变频空调的能效与一般电器不同,一般电器采用输出功率与输入功率的比值衡量效率,基于能量守恒定律,效率永远小于1。
  而变频空调的能效是输出制冷量与输入电量的比值,其比值大于1。提高能效比的途径主要是,一方面,加大压缩机输出机械功率与制冷量的转换率,另一方面,提高所有耗能设备的运行效率。
  就提高耗能设备运行效率而言,仍可采用输出功率与输入功率比值判断耗能设备(主要是变频器和电机)的能效。根据能量守恒定律,转换过程中损耗越小,效率越高,但损耗必然存在,能效必然小于1。
  如图2所示,测量出P1和P2,即可计算出变频器的能效,而计算电机的能效,还需要测量P3,P3为机械功率,通常做法是采用扭矩仪测量出扭矩和转速,再依据下式(1)计算出功率。
  P=πTn/30000  (1)
  注:P为机械功率,单位变为kW;T为扭矩,单位为N.m;n为转速,单位为r/min。
变频空调各部件及整机能效计量示意图
图2 变频空调各部件及整机能效计量示意图
  变频空调的电机与压缩机之间采用固定连接,无法接入扭矩仪,因此,通常变频空调厂家都不对该项参数进行测试。
  事实上,由于变频器和电机及压缩机通常由不同的厂家提供,由于匹配不当或控制方式没有最优化等原因,上述设备的实际运行能效往往与厂家出具的参数存在较大的差异。尤其是变频空调的实际运行频率范围宽,而厂家提供的数据一般都是额定频率或有限几个工作点的参数,不能准确反映全频段的运行效率。因此,对电机和压缩机的实际效率进行评定是非常有必要的。
  由于变频器运行在设定的制冷量下,输出功率P4已知。只要知道电机的输出功率P3,结合输入电源端输入功率P1和变频器输出功率P2,即可根据式(2)~(5)对变频器、电机、压缩机及整机进行全面的能效评定。
  η1=P2/P1     (2)
  η2=P3/P2     (3)
  SEER′=P4/P3  (4)
  SEER=P4/P1    (5)

变频空调能效计量整体解决方案

  如图3所示,采用WP4000变频功率分析仪测量电源端输入功率P1、变频器输出功率P2。
  电源端输入功率P1可以采用二瓦计法测量,根据被测电量量程选用两台相关型号的DT数字变送器
  按照“GB/T 22670-2008变频器供电三相笼型感应电动机试验方法”的要求,变频器输出功率也就是电机的输入功率P2推荐采用三瓦计法测量,根据被测变频电量量程选用三台相关型号的DT数字变送器。
  本文不推荐采用WP3000变频功率分析仪,是因为考虑到变频空调的基波频率可能较低,比如说1Hz。
  注:WP3000变频功率分析仪可准确测量的最低基波频率为4Hz,WP4000变频功率分析仪可准确测量的最低基波频率为0.1Hz,详见银河电气官网产品栏目“WP3000变频功率分析仪”及“WP4000变频功率分析仪
  如何准确测量电机的输出功率及压缩机的输入功率P3,是本方案的关键所在!
  本方案采用银河电气自主研发的新型电机轴功率测量仪器——TN4000电子式扭矩仪的测量原理,通过WP4000变频功率分析仪的相关测试参数,结合转速和温度等参量,利用专门定制的变频空调能效计量检测软件可准确计算出电机的输出轴功率P3。从而对变频空调各部件及整机的能效进行全面的测试评估。详见银河电气官网产品栏目“TN4000电子式扭矩仪”。
  电机转速测量也是业界的难题,难就难在转速传感器的安装!
  本方案采用银河电气自主研制的新型感应式转速计,只需将转速计摆放在电机附近,即可通过磁场感应测量出电机的准确转速。详见银河电气官网产品栏目“DM4022感应式转速计”。
  电机相关温度测量采用银河电气的DMC300分布式测控系统DM4031四通道温度测试子站
变频空调能效计量整体解决方案
图3 变频空调能效计量整体解决方案
  从变频空调节能原理可知,变频空调节能主要体现其可更加需要调节制冷量,因此,严格考核变频空调能效,应该在输出不同制冷量的情况下进行,作为变频空调研制厂家,建议在变频空调运行的全频段范围内采用上述方案对变频空调的各部件及整机进行全面的能效评定,绘制相关能效曲线,供研发及市场宣传用。

变频空调谐波发射限值检测

  变频空调除了满足国家能效标准的要求外,还应满足国家强制标准“GB 17625.1-2003电磁兼容限值 谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A”对谐波发射的要求。
  第三节所述的变频空调能效计量整体解决方案中WP4000变频功率分析仪除了实现能效计量所需的功率测量之外,还可提供标准要求的相关谐波特征值及各次谐波参数。
  图4为普通二极管整流变频器的输入电压、电流波形图。
变频空调输入电压、电流波形图
图4、变频空调输入电压、电流波形图
  由图可知,对于普通二极管整流的变频器,输入电流谐波较大,需要采取相关措施进行抑制。抑制谐波得当的话,还可提高变频器的输入功率因数,减小电网供电线路损耗,进一步达到节能的目的。