1、变频器节能技术原理分析及应用作者：暴振岭摘要：本文简述了变频器的基本工作原理，详细介绍了变频器调速技术的节能原理和节能方法，并通过变频器在风机和水泵的具体应用，说明了变频器具有较好节能节电的功能。关键词:变频，调速,节能能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。当前全球经济发展过程中，能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。因此，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。在工业生产和产品加工制造业中，风机、泵类等设备应用范围广泛；其电能消耗和诸如阀门、挡板相关设备的
2、节流损失以及维护、维修费用占到生产成本的 7%-25%，是一笔不小的生产费用开支。随着经济改革的不断深入，市场竞争的不断加剧；节能降耗业已成为降低生产成本、提高产品竞争力的重要手段之一。变频调速技术，正是顺应了工业生产现代发展的要求，在我国多种行业的电机传动设备中得到实际应用。卓越的调速性能、显著的节电效果，提高设备利用率，从而降低电机功耗达到系统高效运行的节能降耗目的。一、变频器工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它是按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度或幅度，以调节输出量和波形的,从而实现电动机电压和频率的平滑变化。变频器的调速技术的基本原理是根据
3、电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）/p （式中 n、f、s、p 分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数） ，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交（或交-交）电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。二、节能原理分析2.1、变频降速节能：为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。当电机转速从 N1
4、 变到 N2 时，其电机轴功率 P 的变化关系如下：P2/P1=（N2/N1） 3，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。2.2、动态调整节能：迅速适应负载变动，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000 次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。2.3、通过变频自身的 V/F 功能节电：在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节 V/F 曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。- 1 -2.4、变频器自带软启动节能：在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 6-7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线
5、损和变损。采用软启动后，启动电流可以从 0电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。2.5、提高功率因数节能：电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：ACDCAC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。三、实例分析3.1、节能实例风机是一种传送气体的装置;而水泵是传送水或其它液体的装置。就其结构和工作原理而言，两者
6、基本相同。现先以风机为例加以说明：采用变频器对风机进行控制，属于减少空气动力的节电方法，它和一般常用的调节风门控制风量的方法比较，具有明显的节电效果。由图 1 可以说明其节电原理： （下图：H 表示压力，Q 表示流量）图 1图 1 中，曲线（1）为风机在恒定转速 n1 下的风压-风量（HQ）特性，曲线（2）为管网风阻特性（风门全开） 。假设风机工作在 A 点效率最高，此时风压为 H2，风量为 Q1，轴功率 N1 与Q1、H2 的乘积成正比，在图中可用面积 AH2OQ1 表示。如果生产工艺要求，风量需要从 Q1 减至 Q2，这时用调节风门的方法相当于增加管网阻力，使管网阻力特性变到曲线（3） ，
7、系统由原来的工况点 A 变到新的工况点 B 运行。从图中看出，风压反而增加，轴功率与面积 BH1OQ2 成正比。显然，轴功率下降不大。如果采用变频器调速控制方式，风机转速由 n1 降到 n2，根据风机参数的比例定律，画出在转速 n2- 2 -风压风量（HQ）特性，如曲线（4）所示。可见在满足同样风量 Q2 的情况下，风压 H3 大幅度降低，功率 N3 随着显著减少，用面积 CH3OQ2 表示。节省的功率N=（H1-H3）Q2，用面积 BH1H3C 表示。显然，节能的经济效果是十分明显的。由流体力学可知，风量与转速的一次方成正比，风压与转速的平方成正比，轴功率与转速的三次方成正比。采用变频器进行
8、调速，当风量下降到 80%时，转速也下降到 80%，而轴功率将下降到额定功率的 51.2%，如果风量下降到 60%，轴功率可下降到额定功率的 21.6%，当然还需要考虑由于转速降低会引起的效率降低及附加控制装置的效率影响等。即使这样，这个节能数字也是很可观的，因此在装有风机水泵的机械中，采用转速控制方式来调节风量或流量，在节能上是个有效的方法。同理，水泵的节能原理由图 2 说明： （下图：H 表示压力，Q 表示流量，N：表示轴功率）图 2许多用泵场合都需在维持恒压的情况下改变给水量（流量 Q）从上图可知：当流量 Q1 降至 Q2 若不改变水泵转速，扬程将升至 B 工作点，其功率可用 H2Q2
9、来计算，对应面积 BH2OQ2。原 A 工作点功率 Q1HT图上面积 AHTOQ1，两者所耗功率变化不大，如果我们降低转速至（2）即可节能 Q2H2Q2H T = Q2（H2H T） ，图 DBH2HT的面积即是节能值。再如流量变至 Q3 若仍以额定转速运行，所需功率Q3H1，浪费能量为 FCH1HT 与风机节能原理相同：水泵电机输出功率正比于转速三次方关系。用变频器进行调速，流量下降，可保持恒压 HT ，若转速下降至额定转速的 80%，轴功率下降至额定功率的 51.2%，流量下降至 Q3，若使扬程恒定，可使转速下降到额定转速的 70%，此时轴功率是额定值的 34.3%，节能达 65.7%，经
10、济效益十分明显。3.2、节能计算对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算：3.2.1、根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量-负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。以一台自吸排污泵为例：型号为 ZW200-280-28，配套的电动机额定功率为55kW。泵在阀门调节和转速调节时的流量负载曲线如图 2 所示（P 为阀门调节，P0 为转速调节） 。根据运行要求，水泵连续 24 小时运行，其中每天 14 小时运行在- 3 -90%负荷（由图看出:阀门调节时为 98额定功率左右，转速调节时为 70额定功率左右） ，10 小时运行在 50%负荷（由图看出:阀门调节
11、时为 92额定功率左右，而转速调节时为 22额定功率左右） ；全年运行时间 300 天。则每年的节电量为：W1=5514（98%70%）300=64680kWh W2=5510（92%22%）300 =115500kWh W1W2=64680115500=180180kWh 如果电价按 0.7 元/kWh 计算，则每年可节约电费 12.61 万元。3.2.2、根据风机、泵类平方转矩负载关系式：P / P0=（n / n0） 3计算，式中 P0 为额定转速 n0 时的功率；P 为转速 n 时的功率。以一台炼铁厂热风炉的助燃风机为例，使用的是 90 kW 的电机。运行工况以 24小时连续运行，其中
12、每天 12 小时运行在 88%负荷（频率按 45Hz 计算,挡板调节时电机功耗按 95%计算） ，12 小时运行在 50%负荷（频率按 20Hz 计算，挡板调节时电机功耗按 68%计算） ；全年运行时间在 300 天为计算依据。则变频调速时每年的节电量为：W1=90121（45/50） 3300=87804kWh W2=90121（20/50） 3300=303264kWh Wb = W1W2=87804303264=391068kWh 挡板调节时的节电量为：W1=90（195%）12300=16200kWh W2=90（168%）12300=103680kWh Wd = W1W2=16200
13、103680=119880kWh 相比较节电量为：W = WbWd=391068119880=271188kWh 如果电价按 0.7 元/kWh 计算，则用变频调速每年可节约电费 18.98 万元。四、小结 采用变频器调速技术实现节能降耗是我国重点推广的一项节能技术，已应用在多种行业的电机设备中。特别是在风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果。在我单位风机中的实践应用证明：其不仅提高了设备效率，大大减少了设备维护、维修费用；更是直接节省电费 30%左右，直接和间接经济效益十分明显。所以，只要把变频器应用到适当的场合，认真分析结合工艺要求，就可以起到明显的节能效果。参考文献张选正,张金远 变频器应用经验 中国电力出版社 第 1 版 2006.5吴忠智,黄立培,吴加林调速用变频器及配套设备选用指南机械工业出版社 第 2 版2006.8周希章 节电技术与方法 机械工业出版社 第 1 版 2004.9刘 立 流体力学泵与风机 中国电力出版社 第 2 版 2007.9
