高压变频技术在电气设备中的节能分析于志亮

高压变频技术在电气设备中的节能分析于志亮
摘要：电动机作为各种设备的动力，被广泛应用在工业、商业、国防、公共设
施等各个领域。

推广变频调速技术，改善风机、泵类电动机系统的调节方式，可
以提高机组本体及系统运行效率，从而实现系统经济运行，对于节能减排工作具
有重要意义。

1高压变频节能新技术
1.1PWM控制技术
所谓PWM技术就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状
的电压脉冲序列来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。

PWM技术用于
变频器的控制，可以明显改善变频器输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小
转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响
应性能。

1.2SPWM控制技术
电流控制PWM技术是一种新颖的控制技术，近年来得到了相当大的发展及
较广泛的应用。

其基本原理是使用几个三角波信号和一个参考信号（每相）比较，产生SPWM信号。

将三角载波进行合适的移相，可以实现选定次数谐波的消除。

1.3无速度传感器矢量控制技术
近年来高性能异步电机调速系统得到广泛的应用，而速度传感器的安装、维
护以及低速性能等方面的问题，影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性和可
靠性。

无速度传感器异步电机的控制已越来越受到人们的关注和重视。

2.高压变频器件
随着变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压（2kV—10kV）变频调速
技术也得到了广泛的研究和应用，高压变频器已成为当前电力电子技术最新发展
动向之一。

目前，主流的高压变频器产品主要有3种类型。

2.1电流源型
电流源型中高压变频器输入侧的功率因数比较低，电抗器发热量较大，效率
比电压源型中高压变频器低，所以电流源型中高压变频器的市场竞争能力已经逐
渐变弱。

2.2三电平型中高变压器
三电平型中高压变频器采用钳位电路，解决了两只功率器件的串联问题，并
使用相电压输出具有三个电平。

三电平中高压变频器由于输出电压不高的问题，
应用受到了限制，主要的应用范围在一些特殊领域，如轧钢机、轮船驱动、机车
牵引及提升机等。

2.3单元串联多电平型中高压变频器
该类型中高压变频器采用多个低压的功率电源串联实现高压，输入侧的降压
变压器采用移相的方式，可以有效消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正
弦PWM技术，可适用于任何电压的普通电动机。

3高压变频技术的节能应用
电动机作为各种设备的动力，被广泛应用在工业、商业、国防、公共设施等各个
领域。

目前电动机用电量平均占世界各国总用电量的 60%以上，占工业用电量的70%以上，因此电动机的节能具有巨大的经济潜力。

电动机本身挖掘节电潜力只
是节电的一个方面，通过电动机的调速技术节电又是另一个方面，只有将两者结
合起来，电动机节能才能完善。

异步电动机转速公式为：n=60f/p（1-s）式中，
f 为电源频率；p 为电动机转差率；s 为电动机极对数。

由此可知，当电动机确定
以后 p 和 s 即为常数，则电动机转速 n 与电源频率成正比，所以改变供给电动机
的电源频率就能改变转速 n，从而实现变频调速。

目前工业上使用广泛的风扇、
鼓风机、泵类，它的流量多半用档板、阀门来控制，使用变频调速的优点是：（1）电机能实现软启动，避免了由于产生操作过电压而损伤电机绝缘，从而延
长了电机的使用寿命。

（2）采用变频调节，实现风机挡板全开，减少了挡板节流损失，且能均匀调速，满足了调峰需要，也节约了大量的电能。

（3）低负荷下转速降低，减少了机械部分的磨损振动，延长了风机大修周期，
节省了大量的检修费用。

（4）具有控制精度高、抗干扰能力强、谐波含量小的特性，且有完善的故障保
护功能，实现了零转速平稳启动，有利于电机和风机的安全运行。

在电力供电系统中，为了避免送电过程中的线路损耗及用电高峰时造成的末端电
压过低，往往都是以较高的电压传输，特别是午夜后用电低谷时，电网电压更高，因此电机大部分时间工作在高电压下。

采用高压变频器对这些电机进行变频调速
运行，不仅可解决执行机构等设备非线性、滞延等难以控制的缺点，提高系统自
动化水平和系统运行的可靠性，更重要的是减少了调节挡板的节流损失，改善
了经济性，有着广阔的应用前景。

4.水泵、风机和空压机的高压变频应用
4.1泵类、风机负载变频调速节能原理
变频器在锅炉调速控制系统中主要是针对鼓风机、引风机、循环水泵及给水
泵的控制，主要目的是节能。

由水流体力学原理可知，水泵在控制转速时，水泵
的输出流量与转速成正比，水泵的供水压力与转速的平方成正比，所消耗的功率
等于流量与压力的乘积，具体关系为：
4.2压缩机变频改造
压缩空气供气系统具体工作流程为：当按下启动按钮，控制系统接通启动器
线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放
气阀打开以排放油气分离器内的压力，等降压n秒（由时间继电器控制）后空压
机开始加载运行，系统压力开始上升。

如果系统压力上升到压力开关上限值，即
起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统
压力降到压力开关下限值后，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器
放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。

由于空压机不能排除在满负荷状态下长时间运行的可能性，所以只能按最大
需要来决定电动机的容量，设计余量一般偏大。

工频起动设备时的冲击大，电机
轴承的磨损大，所以设备维护量大。

虽然都是降压启动，但起动时的电流仍然很大，会影响电网的稳定及其它用电设备的运行安全，而且大多数是连续运行，由
于一般空气压缩机的拖动电机本身不能调速，因此就不能直接使用压力或流量的
变动来实现降速调节输出功率的匹配，电机不允许频繁启动，导致在用气量少的
时候电机仍然要空载运行，电能浪费巨大。

在供气系统中接入变频节能系统，利用变频技术改变空压机转速来调节管道
中的流量，以取代阀门调节方式，能取得明显的节能效果。

即通过改变空压机的
转速来调节流量，而阀门的开度保持不变（一般保持最大开度）。

当空压机转速
改变时，供气系统的扬程特性随之改变，而管阻特性不变。

在这种控制方式下，
通过变频调速技术改变空压机电机的转速，空压机的供气流量可随着用气流量的
改变而改变，达到真正的供需平衡，在节能的同时，也可使整个系统达到最佳工
作效率。

另外，变频器的软启动功能及平滑调速的特点可实现对流量的平稳调节，同时减少启动冲击并延长机组及管组的使用寿命。

5.高压变频技术发展趋势
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合技术，既要处理巨大电能
的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成
功率和控制两大部分。

前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的
是软硬件控制问题。

因此，未来高压变频调速技术也将在这两个方面得到发展。

结语
随着国民经济的高速发展，电力供求矛盾日趋紧张，许多地方都采取了拉闸、限
电的措施，节能问题也已越来越受到人们的关注，节能可以促进生产，降低成本，提高利润，其重要性与必要性已毋庸置疑。

作为电力能源的最终使用者，我们考
虑的更多的应当是采取何种行之有效的手段进行节能。

结合 DCS 控制系统对电气
设备进行控制，将大大改善电力系统的控制性能，达到集中管理、节约电能的
目的。

［参考文献］
［1］田建旭，谢国强.高压变频技术在锅炉送风机上的应用［J］.风机
技术，2013（3）
［2］田建旭，谢国强.高压变频技术在电力行业中的应用及其发展［J］.
广东科技，2019（18）
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