【裝置】變頻技術在節能工程上的應用-國際節能環保網-行業資訊

自1956年世界上第一個晶閘管誕生到現在曆時近半個世紀，隨著電子技術的飛速發展，變頻控製器從控製模塊、功率輸出和控製軟件都已完全成熟，在提高性能的同時，功能上也有較大的擴展，很多專用變頻設備附帶簡易PLC功能，再加上產品價格的降低，為變頻器的應用打開了廣闊的市場。
對於異步電動機通過調速達到節能目的方法很多，如：調壓調速,又稱為滑差調速；變bian極ji對dui數shu調tiao速su和he品pin閘zha管guan串chuan極ji調tiao速su等deng等deng，根gen據ju不bu同tong的de負fu載zai性xing質zhi，有you針zhen對dui性xing的de選xuan擇ze。在zai各ge種zhong調tiao速su節jie能neng中zhong，利li用yong變bian頻pin調tiao速su，是shi異yi步bu電dian動dong機ji調tiao速su效xiao果guo最zui好hao、最成熟、最有發展前途的節能技術。

1 、低壓變頻器是指400V工(gong)控(kong)變(bian)頻(pin)器(qi)。電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)中(zhong)將(jiang)交(jiao)流(liu)變(bian)成(cheng)直(zhi)流(liu)稱(cheng)順(shun)變(bian)，也(ye)稱(cheng)整(zheng)流(liu)。交(jiao)流(liu)變(bian)直(zhi)流(liu)的(de)變(bian)頻(pin)器(qi)通(tong)常(chang)稱(cheng)整(zheng)流(liu)器(qi)。將(jiang)直(zhi)流(liu)變(bian)為(wei)頻(pin)率(lv)可(ke)調(tiao)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)流(liu)就(jiu)稱(cheng)逆(ni)變(bian)。把(ba)工(gong)頻(pin)電(dian)源(yuan)（50Hz）交流變成任意頻率、任意電壓的逆變裝置稱為變頻器。從其電路的結構上分為交―直―交和交―交變頻器。交―直―交變頻器按照交流電機電源電壓的控製方法的不同，分為電壓型和電流型兩種。
改變變頻器的輸出電壓或輸出電流有二種不同的方法，即PAM脈衝幅值調製控製和PWM脈衝寬度調製控。
PAM因為受晶閘管換流時間的限製不能工作在高頻下，PWM輸出脈衝的幅值恒定，通過控製逆變器輸出電壓的導通脈衝頻率和寬度來同時改變輸出頻率和電壓，運用晶體管、可關斷晶閘管具有高速開關特性和自關斷特性，來做逆變器開關元件，采用PWM方式變得更容易實現，為此大多數逆變器都采用PWM控製方式。

2、中、高壓變頻器：所謂中高壓變頻器，指應用在600V以上的至10KV運轉調速設備上的變頻控製器。中壓有600V、1000V。3000V、6000V和10KV等deng屬shu於yu中zhong高gao壓ya變bian頻pin器qi。因yin為wei其qi輸shu入ru輸shu出chu電dian壓ya等deng級ji較jiao高gao，在zai結jie構gou上shang必bi需xu有you整zheng套tao高gao壓ya投tou入ru切qie換huan設she備bei，采cai用yong功gong率lv單dan元yuan串chuan聯lian疊die加jia的de高gao壓ya輸shu出chu方fang式shi，借jie助zhu計ji算suan機ji控kong製zhi，經jing高gao壓ya母mu線xian、斷路器移相變壓器、功率單元、控製器等組成完整的高壓變頻控製係統。
交流變頻調速控製器是集電力電子、自動控製、微電子學、電機學等各種技術於一身的高新技術，變頻的調速技術是現代IT產業尖端技術，涉及到光纖通訊、計算機、數據並行處理等是多種高新技術的結合，與傳統行業耗能大、應用最廣泛的電力拖動、風機、水泵等多種行業應用異步電動機的設備，進行節能改造實現完美結合。

變頻器應用，可分為兩大類：一種是用於傳動調速，另一種是各種靜止電源（靜止電源暫且不講）。變頻傳動調速，其應用目的就是通過對電機調速來達到節約能源。控製對象就是在動力設備上實現電―機ji轉zhuan換huan的de電dian動dong機ji。這zhe是shi由you感gan應ying式shi異yi步bu電dian動dong機ji的de性xing能neng和he特te征zheng決jue定ding，其qi次ci是shi由you於yu所suo帶dai的de負fu載zai對dui電dian機ji調tiao速su的de負fu荷he適shi應ying性xing所suo決jue定ding。由you電dian機ji轉zhuan速su的de數shu學xue公gong式shi我wo們men知zhi道dao，電dian機ji的de實shi際ji轉zhuan速su，主zhu要yao取qu決jue於yu電dian機ji定ding子zi的de旋xuan轉zhuan磁ci場chang（ n1=t*f/p）。對一個繞製好的電機，其旋轉磁場轉速完全取決供電頻率，t 為時間常數，P為電機的極對數，n1正比電源頻率f，從電機的結構上我們看到定、轉子之間沒有任何電的連接，基於磁場感應和機械慣性，轉子的轉速和定子旋轉磁場的轉速總是不同步，差一個轉差數（一般為n1的1%――1.8%,）稱為轉差率S，由此可見電機的轉速也正比於電源的頻率。n2=t*f(1-s)/p從(cong)異(yi)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)變(bian)頻(pin)時(shi)機(ji)械(xie)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)中(zhong)，我(wo)們(men)不(bu)難(nan)看(kan)出(chu)轉(zhuan)速(su)的(de)變(bian)化(hua)對(dui)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)矩(ju)影(ying)響(xiang)較(jiao)小(xiao)，對(dui)於(yu)傳(chuan)動(dong)機(ji)械(xie)功(gong)率(lv)要(yao)求(qiu)完(wan)全(quan)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)。變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)控(kong)製(zhi)是(shi)在(zai)降(jiang)低(di)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)的(de)同(tong)時(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)也(ye)相(xiang)應(ying)降(jiang)低(di)，轉(zhuan)矩(ju)正(zheng)比(bi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。轉(zhuan)矩(ju)也(ye)會(hui)有(you)些(xie)減(jian)少(shao)。這(zhe)種(zhong)純(chun)電(dian)氣(qi)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)是(shi)人(ren)為(wei)地(di)改(gai)變(bian)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)機(ji)械(xie)特(te)性(xing)來(lai)獲(huo)得(de)不(bu)同(tong)的(de)轉(zhuan)速(su)，直(zhi)接(jie)與(yu)拖(tuo)動(dong)機(ji)械(xie)相(xiang)連(lian)接(jie)不(bu)需(xu)原(yuan)機(ji)械(xie)設(she)備(bei)做(zuo)任(ren)何(he)調(tiao)整(zheng)，這(zhe)對(dui)於(yu)節(jie)能(neng)改(gai)造(zao)成(cheng)本(ben)，保(bao)持(chi)原(yuan)有(you)機(ji)械(xie)性(xing)能(neng)都(dou)大(da)有(you)好(hao)處(chu)。變(bian)頻(pin)傳(chuan)動(dong)調(tiao)速(su)的(de)特(te)點(dian)是(shi)：

1 、不用改動原有設備包括電機本身；
2、可實現無級調速，滿足傳動機械要求；
3、變頻器軟啟、軟停功能，可以避免啟動電流衝擊對電網的不良影響，減少電源容量的同時還可以減少機械慣動量，減少機械損耗；
4、不受電源頻率的影響，可以開環、閉環手動/自動控製；
5、低速時，定轉矩輸出、低速過載能力較好；
6、電機的功率因數隨轉速增高功率增大而提高。使用效果較好。

三、風機、水泵節能-----變頻控製

    機電設備配合設計原則：電機的最大功率必須滿足負載下的機械功率和轉矩，對於不同的負載，最大值並非時時刻刻都發生、負fu載zai的de變bian化hua是shi非fei線xian性xing的de，而er電dian機ji的de輸shu出chu功gong率lv卻que是shi恒heng定ding的de，這zhe就jiu意yi味wei著zhe在zai非fei最zui大da負fu載zai時shi電dian機ji輸shu出chu了le相xiang當dang一yi部bu分fen多duo餘yu功gong率lv，電dian能neng也ye就jiu白bai白bai浪lang費fei掉diao了le。風feng機ji、水泵類就是較典型例子。

    風機、shuibengleifengliangheliuliangdekongzhizaiguoquhenshaocaiyongzhuansukongzhifangshi，jibenshangdoushiyoushulongxingyibudiandongjituodong，jinxinghengsuyunzhuan，dangxuyaogaibianfenglianghuoliuliangshi，shishishangdoucaiyongtiaojiedangfengbanhuojieliufa。zhezhongkongzhisuiranjiandanyixing，nengmanzuliuliangyaoqiu，danduidianjilaijiang，congjieshengnengyuandejiaodulaikanshifeichangbujingjide。shengchanzhonghenrongyijiancechulai。

    這類設備一般都是長時間運行，甚至很久不停機。在實際檢測中發現，除在極短時間流量最大值外，近90％時間運行在中等或較低負荷狀態，總用電量至少有40％以上被浪費掉。采用變頻調速控製，對風機、水泵類機械進行轉速控製來調節流量的方法，對節約能源，提高經濟效益具有非常重要意義。

四、風機、水泵的節能方法

從流量控製原理上講，風機、水泵的結構和工作原理基本相同.

1、具體測試某工廠爐底風機散熱控製係統，冶煉爐根據不同材料、需要不同的爐底冷卻溫度，設計滿足最大冷卻風量設計為四台18.5KW4極葉輪式風機，全功率運轉，但用最大冷卻風量的概率極低。冶煉常用幾種材料，四台風機對開風量過大；對開兩台時，達不到冷卻要求；對開一對再側開一台，冷卻不均、無法滿足工藝要求；原設

計4台對開風機靠調節擋風板可滿足冷卻要求，但對電機來講，浪費電能。風板全開時，運行電流24A，全關閉時22A，輸入功率從17.0KW―18.5KW變化，節電率不足8％。針(zhen)對(dui)這(zhe)一(yi)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)製(zhi)定(ding)方(fang)案(an)，對(dui)其(qi)中(zhong)兩(liang)台(tai)對(dui)開(kai)電(dian)機(ji)進(jin)行(xing)開(kai)環(huan)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)控(kong)製(zhi)，配(pei)合(he)兩(liang)台(tai)全(quan)速(su)風(feng)機(ji)，即(ji)滿(man)足(zu)不(bu)同(tong)材(cai)料(liao)的(de)溫(wen)控(kong)要(yao)求(qiu)，又(you)能(neng)節(jie)約(yue)電(dian)能(neng)。按(an)照(zhao)這(zhe)一(yi)方(fang)案(an)進(jin)行(xing)改(gai)造(zao)後(hou)，節(jie)電(dian)效(xiao)果(guo)非(fei)常(chang)明(ming)顯(xian)。針(zhen)對(dui)其(qi)中(zhong)一(yi)種(zhong)材(cai)料(liao)需(xu)固(gu)定(ding)頻(pin)率(lv)控(kong)製(zhi)進(jin)行(xing)冷(leng)卻(que),幾個月才換一次，設定頻率在25―35之間，完全滿足冷卻要求。工頻下運行時一台18.5KW風機（經變頻器輸出），每小時耗電為11.9度/小時，日耗電量為：285.6度/24小時。在正常運行時根據不同材料的溫度要求，設定頻率分別為：25Hz、30 Hz、35 Hz、40 Hz和45 Hz。運行測定參數如下：

設定頻率（Hz）	運行電流(A)	負載率	輸入功率(Pin[1])	24小時耗電量 (KWh)	與工頻下輸入功率比較：節電率
25	8.0	0.25	1.03	24.72	(285.6-24.72)/285.6Ⅹ100%=91.34%
30	10.6	0.30	2.13	51.12	(285.6-51.12)/285.6 Ⅹ100%=82%
35	14.2	0.37	4.0	96.00	(285.6-96)/285.6Ⅹ100%=66.4%
40	17.4	0.40	6.4	153.60	(285.6-153.6)/285.6Ⅹ100%=46.22%
45	20.0	0.45	9.0	216.00	(285.6-216)/285.6Ⅹ100%=0.244%
50	24.0	0.55	11.9	285.60	(285.6-285.6)/285.6Ⅹ100%=0

    需要指出的是：變bian頻pin器qi當dang輸shu出chu頻pin率lv降jiang低di時shi，輸shu出chu電dian壓ya也ye相xiang應ying降jiang低di，輸shu入ru功gong率lv明ming顯xian減jian少shao，對dui應ying頻pin率lv降jiang低di時shi電dian壓ya降jiang低di電dian機ji不bu會hui有you溫wen升sheng，若ruo頻pin率lv不bu變bian時shi電dian壓ya降jiang低di至zhi浮fu動dong電dian壓ya下xia限xian值zhi時shi，電dian機ji就jiu會hui有you溫wen升sheng。

    2、水泵節電：同風機原理很相近。以某酒店750TRT中央空調冷水機組水係統90KW冷凍泵和55KW冷卻泵為例：主機製冷是根據溫度的變化而工作，是非線性負荷，而水泵電機基本上是線性恒功率輸出。1台55KW冷卻水泵靠調整閥門來改變流量，雖然能滿足主機運行要求，但對於電機來講節電意義不大，閥門的全開和全閉，電流從107A―97A之間變化，平均節電不足7％。通過改造采用溫度控製為主，壓力控製為鋪進行閉環變頻控製水泵電機，水泵電機平均節電率都在30％以上；90KW冷凍水泵電機靠調節閥門電流在163―148A之間變化，平均節電不足6％，經閉環控製變頻調速改造後，節電率平均也在30％以上。為什麼會有這麼大節電空間呢，因為中央空調係統設計時的最大容量是以人流、氣溫、空間散熱三項極限指標為依據計算的（即人流最大、氣溫最高、空間散熱最差），平時出現這種情況的概率極低，從經驗上講不到10%，空調係統大部分運行時間都在中、低di負fu荷he狀zhuang態tai，空kong調tiao主zhu機ji的de負fu荷he曲qu線xian是shi非fei線xian性xing的de，而er水shui係xi統tong的de水shui泵beng負fu荷he是shi線xian性xing恒heng功gong率lv的de，以yi滿man足zu主zhu機ji的de最zui大da負fu荷he為wei標biao準zhun。這zhe樣yang在zai主zhu機ji非fei最zui大da負fu荷he時shi水shui泵beng就jiu必bi然ran存cun在zai著zhe電dian能neng浪lang費fei空kong間jian。通tong過guo變bian頻pin調tiao速su控kong製zhi使shi水shui泵beng電dian機ji的de負fu載zai曲qu線xian符fu合he或huo接jie近jin空kong調tiao主zhu機ji的de負fu載zai曲qu線xian。

    3、高壓變頻控製傳動調速控製設備都是在3KV以上大容量電機，一般都在幾百KW到幾千KW，負載率大於0.5,節電效率較低壓變頻控製略低，在18―25%zuoyou，dianjirongliangdahaodianyeduo，suiranjiedianlvjiaodi，danyongdianjishuda，yeshifeichangkeguan，gaoyabianpinshebeijishufuzashebeitijida，chengbenjiaogao，caozuobixuzhuanyejishurenyuan，danzhengtixiaoyihaishihenkeguande。

    五、變頻控製技術的顯性和隱性效益及利弊分析：

    顯性效益就是指節電效益。變頻控製傳動調速對於負載性質和負載率的不同，節電率也是不同，低壓變頻控製設備，一般負載率在0.5左右時，節電率在20―47％左右。比如定量泵注塑機、排汙填水池電機、給氧風機等等，空調水泵基本上平均節電率都在25―60％左右。低壓設備變頻調速改造投資少、見效快，投資回報期基本上在一年左右。

    隱性效益主要體現：

1、實現了電機的軟啟軟停，消除電機啟動電流對電網的衝擊，減少了啟動電流的線路損耗；
2、消除了電機因啟停所產生的慣動量對設備的機械衝擊，大大降低了機械磨損，減少設備的維修，延長了設備的使用壽命；
3、空調水泵的軟啟、軟停克服了原來停機時的水槌現象。

     除chu上shang述shu的de有you利li一yi麵mian，同tong時shi也ye存cun在zai一yi些xie問wen題ti。任ren何he事shi物wu都dou不bu是shi絕jue對dui的de，都dou要yao辨bian證zheng去qu看kan去qu分fen析xi，低di壓ya變bian頻pin器qi輸shu出chu波bo型xing為wei脈mai衝chong形xing式shi，會hui產chan生sheng一yi些xie幹gan擾rao，實shi際ji運yun行xing中zhong單dan台tai幹gan擾rao不bu嚴yan重zhong，以yi30KW容量為例，幹擾福射基本在10米之內，在設計電路中加裝陷波電路或磁環或陷波線圈就可以將幹擾減少到最少，一般使用時盡量遠離電腦等怕幹擾設備，對於多台集中安裝時安裝位置要盡量拉開距離，還需專門加裝陷波電路屏蔽接地，將幹擾減少到最低。

      高壓變頻設備幹擾性很小，控製技術較高，輸出電壓波形近似正弦波形，但設備體積較大，安裝調試都比較複雜。

六、變頻技術目前市場應用情況

經市場調查，2000年前變頻器使用率不足10％，到二零零七年上半年增加超過35%，很多生產商生產的風機、shuibengleidedianjikongzhixitongdoupeizhuanglebianpinqidongxitong，shuomingzhexiangjienengjishuyuelaiyuebeirenmensuorenshi。suizheshichangzhanyoulvdebuduantigao，chengbenjiagejiaoqianxieniandafuxiajiang。diyabianpinqifenguochan、合資、yuanzhuangsandazhonglei，wanquanshiyigetongyongdegongkongchanpin。hezichanpinxiangduijiagedizhilianghao，xingjiabiheli。congshiyongqingkuangkan，zhiyaobuchaofuheyunxing，henshaofashengguzhang。congshejishiyongshangkan，jienenggaizaoshejishuipingcanchabuqi，yaoxiangjiangjienenggaizaogongchengzuohao，xuyaozhuanyejishurenyuanbaguan。yongdianshebeinengfoujiedian，bunengbufenqingkuangyigaierlun，bushisuoyouyongdianshebeidouyoujiediankongjian，jutiqingkuangbixujutifenxi，zhuyinaxiejiangmouyiteshuyongdianshebeidejiedianlvshuochengpubiandesuoyouyongdianshebeidounengdadaodeqingkuangchuxian。jiedianlvzaijiediangongchengzhongshiyixiangfeichangzhongyaodezhibiao，danjueduibushiweiyidezhibiao。gongchenggaizaoqianhoudianjidegonglvyinshu、溫升及效率等都是不可忽略的運行數據。不同的節電設備節電率、使用壽命、性能都有不同，要科學分析，科學運用。

我(wo)國(guo)工(gong)業(ye)技(ji)術(shu)雖(sui)然(ran)有(you)了(le)較(jiao)大(da)的(de)發(fa)展(zhan)，但(dan)目(mu)前(qian)仍(reng)是(shi)處(chu)於(yu)一(yi)個(ge)工(gong)業(ye)化(hua)中(zhong)期(qi)社(she)會(hui)，技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)還(hai)不(bu)平(ping)衡(heng)，在(zai)很(hen)多(duo)企(qi)業(ye)生(sheng)產(chan)中(zhong)，表(biao)現(xian)出(chu)來(lai)最(zui)明(ming)顯(xian)的(de)特(te)征(zheng)依(yi)舊(jiu)是(shi)能(neng)源(yuan)消(xiao)耗(hao)多(duo)，生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)較(jiao)低(di)，產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)參(can)差(cha)不(bu)齊(qi)；能效比不高，陳、舊、老設備在國民生產中仍舊占較大的比重。變頻調速的應用，就是要改造這些設備，以達到節約能源的目的。有國家、省、市政府的大力支持，有成熟的技術基礎理論，縱觀節能改造市場，潛力巨大。節約能源，保護環境，造福子孫，利國利民。