VFD در HVAC چیست؟ موارد استفاده، صرفه جویی، راهنمای انتخاب

VFD در HVAC چیست؟

یک درایو فرکانس متغیر (VFD) بین منبع برق و یک موتور (معمولاً موتورهای القایی در تجهیزات HVAC) نصب شده است. VFD با تغییر فرکانس توان الکتریکی تحویلی به موتور، سرعت موتور (RPM) را تغییر می دهد. در تهویه مطبوع، VFD ها بیشتر در بارهای با گشتاور متغیر مانند فن های گریز از مرکز و پمپ های گریز از مرکز استفاده می شوند، جایی که کنترل سرعت یک روش کارآمد برای مطابقت ظرفیت با تقاضای بلادرنگ است.

کاری که یک VFD از نظر عملی انجام می دهد

• بر اساس حسگرها (فشار، دبی، دما، CO2 و غیره) موتور فن/پمپ را کاهش داده یا سرعت می بخشد.
• روش‌های کنترل «هدر رفتن» (شیرهای گاز، پره‌های ورودی، حلقه‌های بای پس) را با کنترل سرعت کارآمد جایگزین می‌کند.
• رفتار شروع نرم / توقف نرم را اضافه می کند، استرس مکانیکی و جریان هجومی را کاهش می دهد.

چرا VFD ها در تهویه مطبوع انرژی صرفه جویی می کنند (قوانین قرابت)

برای فن ها و پمپ های گریز از مرکز، قوانین میل ترکیبی چگونگی تغییر عملکرد با سرعت را توضیح می دهند. رابطه کلیدی برای انرژی این است که قدرت تقریباً با مکعب سرعت تغییر می کند. این بدان معناست که کاهش های کوچک در سرعت می تواند کاهش زیادی در قدرت ایجاد کند.

• جریان ∝ سرعت
• فشار/سر ∝ سرعت²
• قدرت ∝ سرعت³

یک قانون کلی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد این است: کاهش 10 درصدی سرعت می تواند قدرت را تا حدود 30 درصد کاهش دهد. بر روی بارهای گشتاور متغیر در شرایط معمولی. در سرعت 50 درصد، قدرت ایده آل فن/پمپ تقریباً است 12.5٪ (یک هشتم) قدرت تمام بار

اینها برآوردها هستند. پس انداز واقعی به منحنی سیستم، استراتژی کنترل و ساعات کار بستگی دارد. با این حال، فیزیک توضیح می دهد که چرا VFD ها اغلب زمانی که بارها در طول روز تغییر می کنند، یک مقاوم سازی HVAC درجه یک هستند.

برنامه های رایج HVAC برای VFD ها

VFD ها بهترین بازده را در جایی که تقاضا متفاوت است و تجهیزات می توانند با خیال راحت با سرعت کاهش یافته برای دوره های طولانی کار کنند، ارائه می دهند.

طرفداران

• فن های تامین AHU (تنظیم مجدد فشار استاتیک، سیستم های VAV)
• فن های برگشتی/اگزوز (کنترل فشار ساختمان)
• فن های برج خنک کننده (کنترل دمای آب کندانسور)

پمپ ها

• پمپ آب سرد (کنترل فشار دیفرانسیل، شیرهای دو طرفه)
• پمپ های آب کندانسور (بهینه سازی جریان، یکپارچه سازی برج)
• پمپ های آب گرم (راهبردهای تنظیم مجدد مرتبط با دمای هوای بیرون)

نکته: VFD ها در برخی از کاربردهای کمپرسور نیز استفاده می شوند، اما کنترل کمپرسور مختص تجهیزات و سازنده است. ساده ترین بردهای تهویه مطبوع معمولاً فن ها و پمپ ها هستند.

استراتژی‌های کنترل VFD که کار می‌کنند (و از چه چیزهایی باید اجتناب کرد)

صرفه جویی توسط توالی کنترل ایجاد می شود، نه تنها توسط VFD. موثرترین سکانس ها سرعت را تا حد ممکن کاهش می دهند و در عین حال راحتی و ثبات را حفظ می کنند.

بهترین راهبردهای عملی

• تنظیم مجدد فشار استاتیک برای فن های منبع VAV (بازنشانی بر اساس "بازترین دمپر" یا تقاضای منطقه بحرانی)
• تنظیم مجدد فشار دیفرانسیل برای حلقه های هیدرونیک با جریان متغیر (بازنشانی بر اساس موقعیت سوپاپ در سیم پیچ های راه دور)
• کنترل سرعت فن برج خنک کننده برای حفظ نقطه تنظیم آب کندانسور با حداقل انرژی فن
• عقب نشینی در شب و شروع / توقف بهینه با حداقل سرعت VFD هماهنگ شده است

دام های رایج

• حفظ یک نقطه تنظیم فشار استاتیکی یا دیفرانسیل بالا غیر ضروری در تمام طول روز (فن/پمپ هرگز کند نمی شود)
• استفاده از حلقه های بای پس که جریان ثابت را مجبور می کند (مقدار سرعت متغیر را تضعیف می کند)
• تنظیم حداقل سرعت بسیار بالا "برای ایمنی"، حذف عملکرد معنی دار بار بخشی
• حلقه‌های کنترل ضعیف تنظیم شده‌اند، که باعث شکار، شکایت از سر و صدا یا سفر می‌شود

VFD در مقابل سایر روش های کنترل ظرفیت HVAC

اگر سیستم شما در حال حاضر جریان را با «ایجاد مقاومت» کنترل می‌کند، یک VFD معمولاً انرژی را کاهش می‌دهد زیرا به جای اتلاف فشار، سرعت را کاهش می‌دهد.

نحوه اندازه گیری و انتخاب VFD برای تجهیزات HVAC

انتخاب صحیح VFD تا حد زیادی یک تمرین الکتریکی و محیطی است: درایو را با موتور، نوع بار، منبع تغذیه و شرایط نصب مطابقت دهید.

چک لیست انتخاب

• پلاک موتور: HP/kW، ولتاژ، آمپرهای تمام بار (FLA)، فرکانس پایه، ضریب سرویس
• نوع بار: گشتاور متغیر (فن ها/پمپ ها) در مقابل گشتاور ثابت (برخی نوار نقاله ها) - فن ها/پمپ های HVAC معمولاً گشتاور متغیر هستند
• منبع تغذیه: 480V/208V، 3 فاز، جریان خطای موجود، زمین، ملاحظات هارمونیک
• محیط: اتاق برق در مقابل پشت بام. دما، گرد و غبار، رطوبت؛ درجه بندی محفظه و الزامات خنک کننده
• کنترل ها: یکپارچه سازی BAS (BACnet/Modbus)، ورودی های آنالوگ، قابلیت PID، اینترلاک های ایمنی
• حفاظت موتور: اضافه بار، افت فاز، ولتاژ زیر/بیش از حد، ورودی های حرارتی

در مقاوم سازی تهویه مطبوع، یک رویکرد رایج اندازه گیری، انتخاب یک VFD با درجه جریان خروجی در یا بالاتر از FLA موتور (با در نظر گرفتن ضریب سرویس و شرایط سایت) است. برای سرنخ‌های موتورهای طولانی، موتورهای قدیمی‌تر یا محیط‌های حساس، فیلتر مناسب (مانند راکتورهای خروجی یا فیلترهای dv/dt) را طبق دستورالعمل سازنده شامل می‌شوند.

مثال: تخمین پس انداز و بازپرداخت با اعداد واقعی

ساده‌ترین مورد تجاری از پایه کیلووات، ساعات کار، مشخصات کاهش سرعت مورد انتظار و نرخ برق استفاده می‌کند. مثال زیر گویا است و باید با داده‌های روند (کیلووات، سرعت، فشار استاتیک/DP، موقعیت‌های شیر) از ساختمان شما اصلاح شود.

نمونه پنکه گویا

• موتور: فن منبع تغذیه 30 اسب بخار (تقریباً 22.4 کیلووات مکانیکی در بار کامل)
• ساعات کار: 4000 ساعت در سال
• میانگین سرعت پس از بهینه سازی: 80% (0.8 در هر واحد) برای اکثر ساعات اشغال
• نرخ برق: 0.18 دلار در هر کیلووات ساعت

اگر توان تقریباً با مکعب سرعت مقیاس شود، میانگین توان در سرعت 80٪ حدود 0.8³ = 0.512 است، به این معنی که حدود 48.8٪ کاهش نسبت به توان تمام سرعت برای آن بخش از زمان اجرا دارد. اگر تقاضای برق با سرعت کامل 25 کیلو وات بود و شما واقعاً 51٪ آن را پس از کنترل VFD به طور متوسط ​​داشتید، انرژی سالانه خواهد بود:

• قبل: 25 کیلووات × 4000 ساعت = 100000 کیلووات ساعت
• بعد از: 25 کیلووات × 0.512 × 4000 ساعت ≈ 51،200 کیلووات ساعت
• صرفه جویی تخمینی: ~48800 کیلووات ساعت در سال
• صرفه جویی در هزینه تخمینی: ~48800 × 0.18 دلار ≈ 8784 دلار در سال

اگر یک بهسازی VFD کلید در دست (درایو، نصب، برنامه نویسی، راه اندازی) 12000 دلار هزینه داشته باشد، بازپرداخت ساده تقریباً تقریباً خواهد بود. 1.4 سال . پروژه های واقعی همچنین باید شامل اثرات تعمیر و نگهداری، کاهش بالقوه تقاضا-هزینه، و هر گونه مشوق های مفید باشد.

چک لیست راه اندازی برای عملکرد پایدار

راه‌اندازی تضمین می‌کند که VFD واقعاً با سرعت کمتری کار می‌کند بدون اینکه باعث راحتی، نویز یا مشکلات قابلیت اطمینان شود.

موارد کلیدی راه اندازی

• چرخش موتور را تأیید کنید و جریان/جریان هوای واقعی را در چند سرعت بررسی کنید.
• حداقل و حداکثر سرعت را بر اساس محدودیت تجهیزات (خطر انجماد سیم پیچ، حداقل تهویه، حداقل جریان پمپ، کنترل حوضه برج) تنظیم کنید.
• حلقه های PID را تنظیم کنید تا شکار را حذف کنید (تأیید مکان سنسور و ثبات).
• منطق تنظیم مجدد نقطه تنظیم (تنظیم مجدد فشار استاتیک / تنظیم مجدد DP) را پیاده سازی کنید و آن را با گزارش های روند تأیید کنید.
• اینترلاک های ایمنی را بررسی کنید: توالی های کنترل دود، یخ زدگی ها، سوئیچ های اثبات، منطق HOA، یکپارچه سازی اعلام حریق.
• کیفیت الکتریکی را بررسی کنید: زمین، محافظ، و هر راکتور/فیلتر مورد نیاز.

اصول تعمیر و نگهداری و عیب یابی

VFD ها زمانی که به درستی نصب شوند قابل اعتماد هستند، اما وسایل الکترونیکی را اضافه می کنند که نیاز به نگهداری پیشگیرانه اولیه دارند.

نگهداری پیشگیرانه

• محفظه ها را تمیز نگه دارید؛ جریان هوای خنک کننده مناسب و دمای اتاق را حفظ کنید.
• فن ها، فیلترها و سینک های حرارتی را بازرسی کنید. فیلترهای مسدود شده را طبق برنامه تعویض کنید.
• به طور دوره ای ترمینال ها را از نظر گشتاور و علائم گرمای بیش از حد بررسی کنید.
• پس از راه اندازی تغییرات، از پارامترها (پیکربندی درایو) نسخه پشتیبان تهیه کنید.

مشکلات مکرر و علل احتمالی

• سفرهای مزاحم: رمپ های تهاجمی شتاب/کاهش سرعت، PID ناپایدار، کیفیت پایین برق، یا خنک کننده نامناسب.
• سر و صدا/ ناله: تنظیمات فرکانس حامل، وضعیت موتور یا رزونانس مکانیکی در سرعت های معین.
• صرفه جویی کم: نقاط تنظیم بازنشانی نشده، حداقل سرعت بسیار زیاد، یا سیستم واقعاً متغیر نیست (شرایط بای پس/جریان ثابت).

نتیجه گیری مستقیم: وقتی یک VFD در HVAC ارزش آن را دارد

هنگامی که تقاضای متغیر، ساعات کار طولانی، و فن‌ها یا پمپ‌های گریز از مرکز که می‌توانند ایمن با سرعت کم کار کنند، VFD در تهویه مطبوع بسیار ارزشمند است. اگر سیستم فعلی شما ظرفیت را با دریچه گاز یا دمپرها کنترل می کند و بار روزانه یا فصلی شما تغییر می کند، یک مقاوم سازی VFD همراه با تنظیم مجدد نقطه تنظیم مناسب می تواند ارائه دهد. کاهش قابل توجه و قابل اندازه گیری انرژی ضمن بهبود قابلیت کنترل و عمر تجهیزات.

مراجع (برای روابط کلیدی انرژی)

• وزارت انرژی ایالات متحده، برگه‌های نوک موتور و گزارش‌هایی در مورد تأثیرات قانون میل جنسی (شامل 10٪ کاهش سرعت ≈ 30٪ کاهش قدرت): گزارش بالقوه صرفه جویی در انرژی موتور
• نمونه برگه نوک وزارت انرژی ایالات متحده (نیم سرعت ≈ یک هشتم توان برای فن ها): راندمان بار بخشی با سرعت قابل تنظیم درایو
• راهنمای مجله ASHRAE در مورد تخمین جذب توان VFD از سرعت و شفاف سازی توان: به قرابت… و فراتر از آن!
• مقاله سفید Eaton خلاصه قوانین میل ترکیبی برای پمپ ها (جریان، هد، روابط توان): درایوهای فرکانس متغیر: صرفه جویی در انرژی برای کاربردهای پمپاژ