淺析變頻調速技術在風機、泵類中的節能應用

張雪蓮

（山西鋁廠設計院，山西 運城 043304）

1 變頻器的作用

在實現電機（一般是交流電機）控制中常用到的工業設備是變頻器，是通過改變電機電源輸出的頻率進行控制。為了更好地控制整個電機的運行，就要通過變頻器來實現被控交流電機的變頻調速、過載保護、過電流過電壓保護，同時變頻器也調節整個系統的工作效率和電能的綜合利用率。

2 變頻器的種類

2.1 按照開關方式分類

按照開關方式，變頻器可分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器、SPWM控制變頻器和SVPWM控制變頻器。PAM控制是脈沖幅度調制，通過改變脈沖列脈沖的幅度，調節輸出量值和波形，實現變頻功能。PWM控制是一種脈沖寬度調制，通過改變脈沖列的脈沖寬度來調節輸出量和波形，進而實現變頻功能。在PWM的基礎上改變調制脈沖的方式叫做SPWM控制，按正弦規率排列的脈沖寬度為了做到正弦波輸出就需要輸出波形經過適當的濾波，在支流交流逆變器中常常得到應用。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，廣泛應用于變頻器領域。空間矢量脈寬調制叫做SVPWM控制，它作為PWM技術調制的方法，在電機三相定子繞組中時介入PWM波，促使定子產生圓形的旋轉磁場，進而帶動電機旋轉。

2.2 按照直流電源性質分類

按照直流電源性質，變頻器分為電流型變頻器和電壓型變頻器。電流型變頻器是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。電流型變頻器儲能元件為電抗器，動態響應快，可直接實現回饋制動，感應電動機電流型變頻調速系統可以頻繁、快速地實現四象限運行，更適宜一臺逆變器對一臺電機供電的單機運行方式。電壓型變頻器是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電壓型變頻器儲能元件為電容器，被控量為電壓，動態響應較慢，制動時需在電源側設置反并聯逆變器才能實現能量回饋，可適應多電機拖動。

2.3 按照工作原理分類

按照工作原理，變頻器可分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器。V/f控制變頻器可保證輸出電壓與頻率成正相關，這樣電動機的磁通就可以實現同步一致，避免發生磁飽和、弱磁和等現象。改變異步電動機的滑差進行調速就叫做轉差調速，如果速度慢，那么滑差就要求大，通過采用轉差頻率控制技術，在一定程度上能夠改善系統的靜態和動態性能。直流電動機調速控制是矢量控制變頻器的特點，按矢量變換的方法將異步電動機定子繞組電流分解，形成直流電動機的轉矩電流分量和磁場電流分量，異步電動機定子繞組電流的大小和相位得到控制后，就能夠控制轉矩電流和勵磁電流，像控制直流電動機一樣控制交流異步電動機的轉速，能夠達到很好的調速控制效果。

3 風機、泵類變頻節能的工作原理

3.1 軟啟動節能

由于電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流為4～7倍的額定電流，這樣會對機電設備和供電電網產生很大沖擊，若對電網供電容量要求過高，啟動時損害性就會很大，如產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害，會使設備、管路的使用壽命大大縮短。在應用變頻節能裝置后，變頻器的軟啟動功能使啟動電流從0開始，這樣一來最大值也不會超過額定電流，從而減輕了對電網的沖擊以及對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，大大節省了設備的維護費用。

3.2 變頻節能

由流體力學可知，P=Q×H，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。

3.3 功率因數補償節能

無功功率不但增加線損和設備的發熱，而且會使功率因數降低，導致電網有功功率降低。大量的無功電能消耗在線路當中，會造成設備使用效率低下，浪費嚴重。由公式P=S×cosφ，Q=S×sinφ（S為視在功率，P為有功功率，Q為無功功率，cosφ為功率因數）可知，cosφ越大，有功功率P越大。普通水泵電機的功率因數在0.6～0.7之間，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，cosφ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。

4 變頻調速與風機、水泵節能

4.1 風機、水泵調節流量的方法

風機、水泵調節流量的方法有很多種，也都有各自的特點，主要有3種：（1）交流電動機變頻調速。（2）采用液力耦合器或電磁轉差離合器調節風機、水泵的轉速，但是在這種情況下電動機是恒速運轉的。（3）利用傳統的機械方法來調節風機的擋板，調節導流器及水泵的閥門開啟度。由于在節電率百分比相同的情況下裝機容量越大，其絕對節電量也越大，所以現如今更應該推廣應用高壓變頻調速節能，將變頻調速應用在大容量高壓電動機驅動的風機、水泵和壓縮機上。

4.2 變頻調速在風機、水泵節能中的應用

以流體理論為出發點，離心式風機、水泵的軸功率和轉速可以用三次方函數表示。如果降低轉速，則消耗功率也會下降很多，假如把轉速降為50%，那么軸機械功率就降低到12%。經研究，調速方案的效率相差很大，滑差后液力調速的效率也不會高，當轉速降到50%時，變頻調速器效率較高，這樣就可以達到近似不變的效果。所以在這么多的調速方案中節能效益最佳的是變頻調速。現舉一例，對同一臺風機、水泵，轉速流量為100%時，軸功率也為100%；轉速流量降到50%時，則軸功率也降為50%。如果采用擋板方法，閥門控制流量在50%時，依然需要從電網吸入75%左右的功率；如果利用滑差低效調速到50%時，則只需從電網吸入約25%的功率；但是如果采用變頻高效調速流量到50%時，則僅僅需從電網吸入10%的功率。經過比較，變頻調速的優勢顯而易見。

4.3 風機、水泵通過變頻調速節能的效益

目前我國的電動機總裝機容量很高，幾乎達到4.54億kW，電動機的運行大概消耗全國總發電量的65%，所以有效實現電機節電成為當前的目標。一般電機節約能源主要有2個途徑：一是提高電機轉速的控制精度，使電機的運行更節能；一是提高電機本身的效率，以達到長期高效的運行。在國民經濟生產中，生產量大、應用面積廣的電機驅動設備主要是風機、水泵和壓縮機，總電機容量高達1.5億，這些機器消耗的電量基本上占全國發電總量的35%，這其中約25%的風機、水泵需要調速。

5 變頻調速與環境保護

電機驅動在電能消耗中占很大比例，電力消耗的過量造成了燃煤、石油、天然氣等燃料的枯竭，與此同時二氧化碳和二氧化氮的無節制排放造成的環境污染，破壞了大氣臭氧層，影響人類的生活甚至生存。人類由于對生存環境的嚴重破壞和對能源資源的過度浪費，已遭受到慘痛的教訓，于是全世界人民共同呼喚保護人類生存環境。目前，變頻調速節能技術得到大力推廣，節電率可達到25%左右，不用煤炭不燒油，牽引變頻機車應用，減少了污染的排放。

6 結語

通過變頻調速技術實現風機、泵類等設備節能運行，受到國家政府的普遍重視。實踐證明，變頻器用于風機、泵類設備驅動控制場合取得了顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。變頻調速技術既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且大大減少了設備維護、維修費用，縮短了停產周期。變頻調速技術越來越受到國內外工程的關注，將在我國的經濟建設中發揮更好的作用。

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