變頻器節能技術原理及其應用探討

毛波濤 李艷華 翟紅星

（河南能源化工集團洛陽永龍能化有限公司，河南 洛陽471100）

0 引言

隨著傳統的直流調速、模擬控制技術逐漸被交流調速、計算機自動化控制技術所替代，交流電動機的變頻器技術已成為降低電機生產能耗的主要技術手段之一。變頻器技術的研發與推廣，標志著電動機技術進入了一個嶄新的發展階段。其主要利用可編程控制器來調節轉速、提高功率因數，并因軟啟動性能優良等節能優勢被業界廣泛認定為最佳的調速控制裝置，因此具有廣闊的應用前景［1］。

1 變頻器的基本組成

交流電機中應用的變頻器裝置主要分為4個部分，每個部分的具體功能如下：

1.1 整流器

整流器是變頻器最主要的構件之一。目前，我國常用變頻器中的整流器均采用二極管變流器，其可以將工頻交流電直接轉化為直流電。當然，也可以采用兩組晶體管變流器組建一個可逆的變流器，該變流器可實現功率方向的可逆性，也就是可實現電機的再生運轉功能。

1.2 濾波電路

直流電經整流器處理后可形成一個脈動電壓（相對于電源的6倍頻率），逆變器中產生的電流也可導致直流電出現變動。因此，為確保應用時電壓能夠處于一個相對平穩的狀態，可使用電容或電感對產生的脈動電壓進行吸收處理；如果電機過小，由于電源、主電路的器件中仍然有余量，這樣可直接去掉電感而選用濾波電路。

1.3 逆變器

逆變器的功能與整流器是相反的，主要功能是將整流器處理后的直流電轉化為可滿足異步電機運行要求（電壓、頻率）的交流電。

1.4 控制電路

在變頻器中控制電路主要是根據相關回饋信號對整流器、逆變器輸出的電壓、頻率實現合理控制，目的在于為異步電機提供合適的交流電源。

2 變頻器節能技術原理

變頻器技術是集微電子技術、變頻技術為一體的綜合性技術系統，其利用計算機應用技術、電子電力技術來保證電機始終處于平穩運行狀態，并對電機的自動加速、減速運行實現有效控制，提高電機的運行效率并降低電機的能耗，同時對較強的過壓、過流也可起到一定保護作用。根據實際應用需求，交流電機的變頻器節能方式主要分為以下2種：

2.1 軟啟動節能方式

目前，異步電機的啟動方式主要分為直接啟動、全壓啟動、Y／D啟動，在啟動電壓可達到額定電壓的5倍左右，此時會產生大量的電流損耗，且增加電路的功率損耗，并對電機設備、企業供電網絡產生巨大沖擊，最終將損壞電機自身線路及影響同一線路上其他設備正常運行。

為了解決電機啟動時產生的能源浪費、電容增加等問題，在實際生產過程中可運用變頻器的軟啟動節能方式，其可以實現電機啟動時電流量從0逐漸升至額定值，且保證在電流量上升時產生的最大電流值始終在額定值范圍內，從而降低電機啟動時的功率損耗，緩解電機啟動對企業電網的沖擊，最終實現節能、延長設備使用壽命的效果。

2.2 變頻節能方式

企業在生產過程中經常出現設備容量選擇不當的現象，可能造成能量浪費。我們都知道，電機功率＝壓力×流量，其中流量與壓力成反比，流量、壓力與功率成正比，由于電機的轉速與功率、壓力、流量均呈正比，也就是說當電機的壓力處于穩定狀態時，將電機的轉速下調，輸出的功率也會相應下降，也就是電機損失的功率下降［2］。變頻節能方式可合理調控電機轉速，從而降低電機能耗，實現節能效果。

3 水泵變頻器的節能技術應用分析

本文選取水泵作為研究對象。水泵是一個平方轉矩負載設備，我們可將轉速設置為n，流量設置為Q，揚程設置為H，水泵軸功率設置為N，上述變量的關系式如下：

從上述公式可以看出，水泵流量與轉速成正比，揚程與轉速平方成正比，軸功率與轉速立方成正比。當電機帶動水泵時，電機的軸功率P表示如下：

式中，ρ為水的密度；ηC為工況點效率；ηF為傳動效率。

水泵流量（Q）、揚程（H）的關系曲線如圖1所示。在圖1中，曲線①表示水泵在n1轉速下流量、揚程之間的關系；曲線②表示水泵在n1轉速下流量、功率之間的關系；曲線③、④為水管阻力的特性；曲線⑤表示水泵在n2轉速下流量、揚程之間的關系。

圖1 水泵流量(Q)、揚程(H)關系曲線圖

我們假設水泵工作點在A點時效率最高，此時水流輸出量（Q）為100%，此點水泵的軸功率（P1）與A、H1、Q、Q1的面積成正比，根據企業的生產工藝標準，當水泵的輸出流量從Q1縮小至Q2時，如果直接調節水泵的閥門，則可能使得管阻曲線從③變成④，這樣可能會導致系統的最佳工作效率由A點移至B點，而水泵的揚程也會增加，水泵的軸功率（P2）與B、H2、Q、Q2的面積成正比；若采用變頻器進行合理控制，水泵的轉速由n1下降至n2，在滿足Q2的基礎上，大幅度降低水泵的揚程（H3），此時水泵的軸功率（P3）與C、H3、Q、Q2的面積成正比關系。通過比較分析3種運行模式，可看出P3明顯最小，節省的功率損耗與B、H2、H3、C成正比關系，由此可知該方案節能效果最佳。

4 應用水泵變頻器的注意事項

變頻器應用于水泵系統是一種比較經濟、簡單的節能方式，但是在電機驅動階段采用變頻器，由于存在高次諧波，所以與工頻電源驅動相比需要特別注意電機運行中的變頻浪涌電壓、升溫等問題。

4.1 浪涌電壓損壞絕緣問題

變頻器的電源可能會引發浪涌電壓，且影響電機線圈的絕緣，此時應對電機各線圈之間的絕緣、絕緣強度的相容性采取必要的保護措施。當在水泵系統中運用變頻器驅動時，電機絕緣的壽命一般為4萬h，大概為15年左右。由于傳統的工頻驅動電機中并沒有浪涌電壓保護裝置，若對400V的電機更換變頻器驅動，可能會因為變頻器出現浪涌電壓而導致絕緣性能惡化甚至燒毀［3］。因此，在更換變頻器驅動時建議同步更換電動機。

4.2 升溫問題

運用變頻器驅動的電機受高次諧波影響可能會增加損耗，電流量增加10%，溫度則升高20%。電機的轉子軸端一般都裝有冷卻風扇，若處于低頻運轉狀態，冷卻效果也會明顯下降［4］。從常規情況來看，電機的冷卻風量與升溫形成的冷卻效果之間的關系為：若電機呈現出相同損耗時，機身溫度上升值與轉速成反比；若電機在工頻以高速運轉，由于電機處于恒定功率輸出狀態，電流量隨著頻率的升高而降低，且提高了冷卻效果，因此不會出現明顯的升溫問題。

5 結語

隨著變頻器技術的日趨成熟，其被廣泛應用于機電設備的實際運行中。在交流電機中運用變頻器節能可實現軟啟、軟停，從而減少電機啟動時對企業同一配電線路上其他設備正常運行的影響，并最大限度地降低對企業供電網絡的沖擊，同時減少電機線路的損耗，降低電機的磨損度以及設備的維修、保養費用。與此同時，在變頻器的節能調速下可提升電機轉速的控制精度，提高生產工藝水平及生產效率，為企業創造良好的經濟效益。因此，變頻器節能技術在我國未來經濟發展中將發揮重要的作用，市場應用前景廣闊。

［1］侯炳耀.淺析變頻器的工作原理和節能原理［J］.今日湖北：下旬刊，2012（5）

［2］王立剛.變頻器節能技術及現場應用分析［J］.中國城市經濟，2010（9）

［3］張令東.變頻器節能技術及應用展望［J］.科技創新與應用，2012（16）

［4］李永鑫.變頻器節能技術原理及應用分析［J］.電子制作，2013（5）