淺析變頻器的工作原理和節(jié)能原理

隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的迅速發(fā)展，交流調速取代直流調速、計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。電機變頻技術也隨著交流電機無級調速的需要而發(fā)展。一提起變頻調速，大家就能和節(jié)能掛起鉤來。近年來，盡管我國在能源開發(fā)方面進展迅速，但還是跟不上需求的增長，節(jié)能問題始終處于相當突出的位置。變頻調速以其優(yōu)異的調速起動、制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，得到廣泛應用。下面就變頻器應用在電動機中的工作原理及節(jié)能原理進行了簡要闡述。

變頻器的工作原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

我們知道，交流電動機的同步轉速表達式為：

n＝60f(1－s)/p

式中n為異步電動機的轉速;f為異步電動機的頻率;s為電動機轉差率;p為電動機極對數(shù)。

由式可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。變頻器利用電力電子半導體器件的通斷作用來實現(xiàn)電力電能大功率的變換及控制，使電力電路實現(xiàn)電子化，可直觀地進行控制和顯示。由于變頻器的這個優(yōu)越性，使得其適用領域越來越寬廣，所采用技術也不斷拓寬，同時也為追求變頻器的小型化，人們也一直在不斷和減少元器件的發(fā)熱做斗爭。由于新一代的IGBT采用了漏極-控制極新技術，使集電極-射極間的飽和電壓(Ucesat)大為降低，因而采用這種新器件損耗低，有降低發(fā)熱消除損耗的效果。

目前，380V小容量通用變頻器應用較為廣泛；但用電量比較大，節(jié)能效果最為顯著的還是高壓大容量變頻器。隨著變頻調速技術的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻調速技術得到了廣泛的應用，使用范圍基本上覆蓋了我國各主要行業(yè)，如:電力、冶金、石油、化工、造紙等。產(chǎn)品電壓等級包括3kV、6kV和 10kV以及油田專用潛油電泵使用的1，600V-2，400V產(chǎn)品，基本可拖動風機、水泵、壓縮機等各類負載。高壓電動機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調速，既可滿足生產(chǎn)工藝過程對電動機調速控制的要求，又可大幅度的節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。隨著以GTO、IGBT、IGCT等為代表的自關斷器件的發(fā)展， 人們對各種適合高壓變頻的主電路拓撲結構的研究得到進一步深入，以DSP為代表的智能控制芯片的迅速普及，為高壓變頻調速技術應用研究也打下了堅實的基礎。高壓變頻器作為一個節(jié)約資源型的產(chǎn)品，隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的不斷改進，概念的深入，市場的拓展，將會顯示出巨大的技術發(fā)展前景和市場需求量.相應地，對變頻器的節(jié)能要求也相應地提高了。

變頻器的節(jié)能原理

變頻節(jié)能

變頻調速之所以節(jié)能，主要在于把全速運行中浪費的電能節(jié)約了下來。尤其是閉環(huán)調速系統(tǒng)，如恒壓供水系統(tǒng)等，實現(xiàn)了按需拖動，幾乎完全消除了拖動系統(tǒng)在運行過程中的浪費。變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機類水泵類負載的應用上。這類負載由流體力學可知，p(功率)＝Q(流量)€譎(壓力)，流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速N的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。所以當所要求的流量Q減少時，可調節(jié)變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低，轉速控制方式在低速小流量時，仍可使泵機高效率運行。這時，電動機的功率p將按三次方關系大幅度地降低，比調節(jié)擋板、閥門節(jié)能 40％～50％，從而達到節(jié)省電能的目的。例如: 一臺離心泵電機功率為55千瓦，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8％，當轉速下降到原轉速的l/2時，其耗電量為 6.875千瓦，省電87.5％。變頻器在某些情況下可以節(jié)電40%以上，但是某些情況還會比不接變頻器浪費！變頻器是通過輕負載降壓實現(xiàn)節(jié)能的， 拖動轉距負載由于轉速沒有多大變化，即便是降低電壓，也不會很多，所以節(jié)能很微弱。但是用在風機環(huán)境就不同了，當需要較小的風量時刻，電機會降低速度，我們知道風機的耗能跟轉速的1.7次方成正比，所以電機的轉距會急劇下降，節(jié)能效果明顯。當然，如果環(huán)境要求必須調速，變頻器節(jié)能效果還是比較明顯的。不調速的場合變頻器不會省電，只能改善功率因數(shù)。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統(tǒng)的調速方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(jié)給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。

功率因數(shù)補償節(jié)能

無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

軟啟動節(jié)能

電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設備的維護費用。

結論

變頻器具有調壓、調頻、穩(wěn)壓、調速等基本功能，變頻器可以使電機以較小的啟動電流，獲得較大的啟動轉矩，即變頻器可以啟動重載負荷。在許多場合，還存在著大馬拉小車的現(xiàn)象， 在這一方面，還大有潛力。變頻器應用了現(xiàn)代的科學技術，價格昂貴但性能良好，內部結構復雜但使用簡單，所以不只是用于啟動電動機，而是廣泛的應用到各個領域。隨著技術的發(fā)展，成本的降低，變頻器一定還會得到更廣泛的應用，同時也能為我國的節(jié)能事業(yè)做出一定貢獻。

（作者單位：山西省晉城市陽城國際發(fā)電有限責任公司）