篇名 : 節約能源 - 變頻式冷氣機 作者 : 劉士軒 苗栗農工 冷凍空調科 三年甲班 指導老師 : 林孟郁老師
壹 前言 近年來氣候變遷劇烈, 全球暖化導致 聖嬰現象 的出現, 造成各地氣候異常 ; 再加上民生物資飛漲, 環保意識抬頭下, 節能減碳 不再是口號, 更是攸關荷包的關鍵 每年到了熾熱的夏天, 家家戶戶都會把冷氣開關調到最強, 此時電費就像溫度一樣的向上竄升 隨著科技的日新月異, 冷氣機經過不斷的改良, 目前就以變頻冷氣機最引人注目, 雖然價格比一般冷氣機型貴上許多, 但長期累積下來, 就能省下不少的電費也能達到節省能源的目的, 而且變頻式冷氣的壽命也比傳統舊機型高出很多, 有鑑於此, 能大大降低對地球暖化的影響 本篇主要探討變頻冷氣機的省電原理 優點及未來趨勢 貳 正文 一 變頻基本原理 變頻器是將固定頻率與電壓的交流電源整流經轉換為直流電後, 將直流電轉換為電壓與頻率均為可變之交流電源的電能轉換裝置 在台灣地區, 電源頻率為 60Hz, 所以要改變交流電的頻率就需要一個變頻器, 利用變頻器來改變交流電頻率進而改變交流馬達的轉速 變頻器可大量應用於如冷凍空調 高鐵及捷運等應用以達到變速或增加電動機使用效率以提昇能源使用效率 二 變頻器 1 發展歷史背景 ( 註一 ) 變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的 傳統的直流調速技術因體積 大 故障率高而應用受限 以下為發展歷史簡述 : A.20 世紀 60 年代以後, 電力電子器件普遍用於晶閘管 電晶體及升級產品上, 但其變頻調速性能遠遠無法滿足我們的需求 B.20 世紀 70 年代開始, 脈寬調製變壓變頻 (PWM-VVVF) 調速研究引起了人們的高度重視 C.20 世紀 80 年代, 作為變頻技術核心的 PWM 模式優化問題吸引著人們的濃厚興趣, 並得出諸多優化模式, 其中以鞍形波 PWM 模式效果最佳 後半期開始, 美國 日本 德國 英國等發達國家的 VVVF 變頻器已投入市場並獲得了廣泛應用 1
2 直流變頻器簡述直流變頻器轉子部分使用釹鐵硼磁鐵 (NdFeB Magnets), 改善馬達的效能與扭力 ; 定子部分產生旋轉磁場, 有了旋轉磁場, 轉子才會被吸著轉, 為使得運轉平順及減少噪音, 製造出旋轉磁場的電源, 通常還是用交流三相電源 一般家庭的電源不是三相電源, 通常家裡的電源是單相三線式 110V-220V 想要取得三相電源, 必須把單相電源整流濾波成直流電, 此直流電在經 PWM 的基礎技術調變出三相電源, 而此調變技術換個名稱叫做 PAM( 脈衝振幅調變 Pulse Amplitude Modulation) ( 註二 ) 直流電藉由 PAM 技術調變出交流電時, 也改變了頻率, 所以馬達轉速也就受此控制, 直流變頻 這個名詞就是因此而來 3 變頻器的應用 變頻器廣泛應用於電力 冶金 石油 化工 市政造紙 食品飲料 煙草等行業以及公用工程 ( 中央空調 供水 水處理 電梯等 ) 中, 變頻器都在發揮著重要作用 ( 註三 ) 以電力行業為例, 由於中國地廣物博, 電力短缺問題嚴重, 電力投資將會持續增長, 同時, 國家電改方案對電廠的成本控制提出了要求, 降低內部電力耗損成為電廠關注焦點, 因此變頻器在電力行業有著巨大的發展潛力, 尤其是高壓變頻器和大功率變頻器 4 變頻器未來發展趨勢 未來變頻器的發展除了繼續朝向更高階的控制理論發展, 以下簡述為未來發展的 主軸方向 : 變頻器未來發展趨勢表 表一 項 目 簡 述 人性化的設計 增加飛梭使變頻器便於操作, 增加脫式端子使變頻器容易維修 保養 更換 環境的適切性 變頻器雜訊 諧波的抑制方案, 是一個重要的課題, 為了使整個電源 電路系統的可靠度更加提升 網路的對應性 使變頻器與系統的結合性更高 ( 包含 Device-NET LonWorks) 等 變頻器是最佳省能控制理論的發展, 並搭配 IPM(Interior Permanent 變頻器的軟體提 Magnet) 馬達, 以發揮馬達的最高效率, 來達到 節能減碳 的終極目升及馬達的改善的 2
變頻器及馬達的 整合設計 變頻器搭配馬達的整合設計是另一個發展趨勢, 變頻器及馬達組成單 一產品後, 可降低產品成本, 還可以吸引客戶的使用意願, 擴大節能 的應用範圍 資料來源 : 自行整理 三 變頻式冷氣機的概略 1 變頻式冷氣機的原理 ( 註四 ) 變頻式冷氣機主要是利用 頻率器 的電力電子技術, 來改變提供給壓縮機的電源不同的頻率, 進而控制壓縮機的運轉速度, 以此來調節冷氣機之冷房輸出 壓縮機就等於冷氣機的心臟, 以馬達為動力, 將低壓低溫之氣態冷媒壓縮成高壓高溫之氣態冷媒, 也是冷媒在系統中循環之動力來源 公式 :n= 120 f / P (rpm) < n > 表示轉速 < P > 表示極數 < f > 表示電源頻率 < rpm > 表示轉速之單位 ( 註五 ) 變頻式冷氣啟動時, 壓縮機可由低轉速穩定的加速, 並在短時間內將轉速提升至最高, 來迅速降低室內溫度, 當室內溫度到達使用者設定溫度時, 壓縮機則以較慢轉速運轉, 讓冷氣輸出和室內溫度達到平衡, 可省下一般壓縮機開開關關的電力損耗, 且變頻控制可將室內的溫度變化範圍縮小, 而提供使用者需求的舒適環境 2 變頻式與傳統式優缺點比較 ( 註六 ) 變頻式冷暖氣機安靜無聲 節省消耗電力, 在負載變動大的情況下, 省電效果顯著 低載時冷氣機仍能連續運轉 不必用恆溫器 (Thermostat) 作開 關控制, 可保持定溫 啟動後快速達到設定溫度 暖氣功能不受外氣低溫影響 傳統式冷暖氣機震動噪音大 週期運轉時造成啟動損失 低載時則 OFF 造成週期運轉之啟動損失 用恆溫器 (Thermostat) 作室溫控制 啟動電流大, 僅能以額定轉速運轉 外氣溫度低時暖氣功能降低 3
3 直流變頻式和交流變頻式比較 直流變頻式和交流變頻式比較 表二 DC 直流變頻式 AC 交流變頻式 馬達 無刷馬達 ( 效率高 ) 三相交流感應馬達 ( 效率低 ) 噪音 較低 較高 空間 適合較寬敞的場合 適合空間較小的場合 省電 可省 20%~30% 以上 較低 成本 稍高 較低 1 直流馬達的效率為交流馬達的 2 倍 結論 2 直流變頻舒適性 靜音 壽命 控制精度, 優於交流變頻 3 直流變頻噪音的減少和延長空調使用壽命, 有相當明顯的省電作用 4 DC 直流變頻式較 AC 交流變頻式更略勝一籌, 較受大眾歡迎 資料來源 : 自行整理 4 變頻冷氣與非變頻冷氣比較之比較 變頻式冷氣與非變頻式冷氣, 其冷氣運轉情形大致如下 : A. 啟動時 變頻式與非變頻冷氣啟動時比較 表三 類 別 特 點 變頻式 起動運轉時, 壓縮機平滑起動, 可在短時間內運轉至最高轉速 非變頻式 起動運轉時, 須相當大的力量, 才能形成起動電流 一般的起動電流約為運轉電流的四至六倍 B. 運轉時 變頻式與非變頻冷氣運轉時比較 表三 類 別 特 點 變頻式 運轉中, 如果達某一定的溫度時, 將降低壓縮機轉速於最低轉速運轉, 以保持穩定的室溫 非變頻式 運轉中, 實際溫度超越設定溫度時, 才能停止壓縮機運轉 若溫度不夠時, 壓縮機又會再度啟動, 非常耗損能源 資料來源 : 自行整理 4
以下為變頻式與非變頻冷氣運轉時的情況 : ( 圖一 ) 變頻運轉情形 ( 圖二 ) 非變頻運轉情形 ( 註七 ) C. 環保 由於變頻式冷氣不必反覆開機關機, 自然可省下可觀的電力資源, 完全符合世界節約能源的潮流, 而且可以隨時對內外溫差變化作相對的調整, 保持最佳冷房狀況 而空氣清靜與微電腦除濕設計, 能讓室內環境保持清爽, 能讓使用者生活在低汙染 無負擔的環境之下 D. 舒適 變頻式冷氣在開機時利用高頻率快速強力運轉, 急速達到冷房效果, 比一般的冷氣機快 2 倍達到涼爽, 然後頻率穩定一段時間後, 再用低頻率長時間運轉, 維持您所設定的溫度 這種 高功率啟動 快速達到最大輸出 平穩運轉 的運作模式, 就像汽車在高速公路順暢奔馳, 當然舒適又省電 E. 省電 一般傳統型冷氣機只能以固定的功率輸出, 靠壓縮機開機與關機來控制溫度, 打開冷氣之後便開始進進出出, 室內的溫度與濕度也隨之忽高忽低, 不僅容易減少壓縮機壽命, 而且每次重新啟動所耗費的電力, 比持續低速運轉的變頻是冷氣高很多, 長期累積的電費更是相當驚人 變頻式冷氣突破傳統式冷氣的運轉方式, 可隨意變換交流電的頻率, 以達省電 30% 的高效率運轉 5
5 電費比較 變頻式與非變頻式電費比較 表四 變頻式規格 非變頻式規格 電壓 單相 220V 單相 220V 運轉電流 6A 6.5A 冷凍能力 3.6KW 4.1KW 消耗功率 1128W 1380W 資料來源 : 自行整理 電費計算公式 :KW-hr=P(kw) t(hr), 一度電 =1KW-hr=3.6 10 6 焦耳 ( 註四 ) 電費 = 8hr 200 0.65 kw 3 < 8hr > 表示一天平均使用時間 < 200 > 表示一年平均使用天數 < 0.65 > 表示壓縮機運轉速率 < 3 > 表示平均電費 變頻式冷氣機經計算一年電費為 3519 元, 非變頻式一年電費為 4305 元, 一年差 價為 786 元 如果十年後, 省下的電費是相當可觀的, 數字會說話, 所以使用變 頻冷氣是最明智的選擇 參 結論 隨著世代的變遷, 幾乎所有石油 煤炭等天然資源等均仰賴進口, 如何有效的節約能源為當前最重要的課題 變頻式冷氣不需反覆開 關機, 長時間可省下可觀的電力, 符合目前世界節約能源的潮流, 而且可以隨時因應室內外的溫差變化做為調整, 保持最佳的冷房狀況 再加上空氣清淨等設施, 可讓室內環境保持在最為清爽的條件下, 提供給使用者最舒適的空間 由於溫室效應, 導致全球暖化平均溫度升高, 炎炎夏日越來越長 未來, 每戶家庭家中, 都勢必會加裝冷氣機來面對這 嚴酷 的考驗! 選擇變頻式冷氣機, 在享受的同時, 也可以做到節約能源, 可以說是一舉兩得 肆 引註資料 ( 註一 ) 聚盛科技有限公司 http://www.chusheng.com.tw/cv-theorem.html( 檢索日期 2009/10/31) 6
( 註二 ) 黃國倫工作室編著 (2008) 專題製作- 使用 CPLD 台北市: 文魁 (12-4 頁 ) ( 檢索日期 2009/11/07) ( 註三 ) 蕭明哲 陳國龍 沈志秋編著 (2009) 冷凍空調工程 Ⅰ 台北縣: 全華 (152~153 頁 ) ( 檢索日期 2009/10/31) ( 註四 ) 蕭明哲編著 冷凍空調概論 (2008) 台北縣 : 全華 (43 頁 ) ( 檢索日期 2009/11/01) ( 註五 ) 胡阿火編著 (2007) 電工機械 II 台北市 : 華興 (22 頁 )( 檢索日期 2009/11/02) ( 註六 ) 中國冷凍空調雜誌社編著 (1994) 中國冷凍空調雜誌- 變頻式空調控制系統 台北市 : 中國空調雜誌社 ( 檢索日期 2009/11/06) ( 註七 ) 謝進發 鄭榮貴 鄭錦鈞編著 (2008) 基本電學實習 II 台北縣: 台科大 (112~113 頁 ) ( 檢索日期 2009/10/31) ( 圖一 )( 圖二 ) 變頻式空調 吹吹涼酷酷冷 http://e-info.org.tw/column/epenergy/2004/ep04121301.htm( 檢索日期 2009/11/02) 7