变频器节能技术原理-分析及应用

变频器节能技术原理-分析及应⽤
变频器节能技术原理分析及应⽤
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。

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：
AC——DC——AC，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（H―Q）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），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风压—风量（H―Q）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H2×Q2来计算，对应⾯积BH2OQ2。

原A ⼯作点功率Q1×H T图上⾯积AH T OQ1，两者所耗功率变化不⼤，如果我们降低转速⾄（2）即可节能Q2×H2－Q2×H T = Q2×（H2－H T），图DBH2H T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Q3×H1，浪费能量为FCH1H T。

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H T ，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=55×14×（98%－70%）×300=64680kW·h
W2=55×10×（92%－22%）×300 =115500kW·h
W1＋W2=64680＋115500=180180kW·h
如果电价按0.7元/kW·h 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90kW的电机。

运⾏⼯况以24⼩时连续运⾏，其中每天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20H Z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=90×12×[1－（45/50）3]×300=87804kW·h
W2=90×12×[1－（20/50）3]×300=303264kW·h
W b = W1＋W2=87804＋303264=391068kW·h
挡板调节时的节电量为：
W1=90×（1－95%）×12×300=16200kW·h
W2=90×（1－68%）×12×300=103680kW·h
W d = W1＋W2=16200＋103680=119880kW·h
相⽐较节电量为：W = W b－W d=391068－119880=271188kW·h
如果电价按0.7元/kW·h 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
[１]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
[２]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 [３]周希章《节电技术与⽅法》机械⼯业出版社第1版2004.9
[４]刘⽴《流体⼒学泵与风机》中国电⼒出版社第2版2007.9。