變頻調速器與節約能源、環境保護

肖珂　楊節方

摘 要：本文首先闡述了變頻調速技術，之后分別探討了變頻調速與風機水泵節能、環境保護之間的作用關系，最后針對變頻調速器在工業生產、家用電器中的應用進行了相關探究，希望相關建議能夠進一步推動我國變頻調整技術的健康發展，為節能環保事業做出積極貢獻。

關鍵詞：變頻調速器 節約能源環境保護

Variable Frequency Governor and Energy Conservation and Environmental Protection

Xiao Ke，Yang Jiefang

Abstract：This paper first expounds the variable frequency speed regulation technology， then discusses the functional relationship between variable frequency speed regulation， fan and water pump energy saving and environmental protection， and finally probes into the application of variable frequency governor in industrial production and household appliances， hoping that the relevant suggestions can further promote the healthy development of variable frequency adjustment technology in China， and make positive contributions to energy conservation and environmental protection.

Key words：variable frequency governor， energy conservation and environmental protection

1 引言

伴隨著變頻器性能的日益完善，不僅要實現更高程度的主控一體化、裝置小型化、和裝置設備專用化。在節約能源、環境保護方面，也將表現更大的作用價值與技術優勢，力爭為我國工業制造領域和節能環保事業做出更多積極貢獻。

2 變頻調速器

所謂變頻調速器，是將三相工頻（50Hz）和任意電源變換成三相電壓、頻率均可調的交流電源。之后，將其應用于交流電動機的轉速調節。在一套交流電動機變頻調速系統當中，主要由變頻調速器、驅動器交流電動機和控制器三個部分共同組成。變頻調速器作為其中的核心設備，其主要作用是實現電動機電壓和頻率之間的平滑變化。與以往的調壓調速、變極調速、串級調速、滑差調速和液力耦合器調速相比，變頻調速是大家一致公認的最理想、最有具發展前景的調速方案。從變頻調速器誕生發展至今，在三十多年的時間時里，已經在鋼鐵、冶金、石油、化工、化纖、造紙、橡膠、塑料、電力、水務等領域內均得到了廣泛應用。在其實際應用的過程中，除了具有非常卓越的調速性能之外，還發揮著非常顯著的節能環保作用。因此，變頻調速器在企業技術改造、工業生產、產品更新換代中具有極高的使用率和推廣價值[1]。

3 變頻調速與節約能源

3.1 緩解供電需求矛盾

根據相關部門統計，2002年我國發電裝機容量已經達到319億kW，年發電量達到13466億kWH。這一發電規模暫列世界第二位。即便如此，我國人均用電量卻排在世界倒數位置。而且伴隨著我國社會經濟的快速發展，用電需求量也面臨著同步提升。據統計，如果國民經濟增長8%，需要電能供應量增長11%，尤其到了夏季，持續高溫還會進一步加大部分省市供電緊張局面，有些地區迫于無奈，只能采取拉閘限電措施，還有一些地區由于電網負載過大，導致局部供電系統運行不穩定現象，無形之中加大了用電安全隱患。鑒于上述情況，有必發將變頻高速技術及相關設備引進到供電系統當中，達到節能能源、資源合理分配、提高供電質量等目的，促進人們日常生活質量和社會經濟建設的雙向發展[3]。

3.2 風機水泵變頻調速節

據統計，我國目前電動機總裝機容量憶達到4.5億kW，約消耗掉全國65%發電量。通過這一組數據可以看，如果能夠引進有效的電動機節電措施，勢必可以大幅降低電能消耗。目前，電機節能主要存在以下二個途徑：第一，提高電機自身效率的同時，使其能夠長期高效運行，這一途徑主要應用于恒速機械;第二，提高電機轉速控制精度，使電機可以在最佳節能狀態下轉速。現階段，風機水泵和壓縮機是國民經濟生產中使用量最大、使用率最高的電動機驅動設備，其總電機容量約達1.5億，可消耗全國發電量35%左右。其中，約有20%-30%風機水泵面臨著調速需求。在滿足風機水泵調速需求時，變頻調速是最佳節能方案。它主要憑借流體理論以及離心式風機水泵軸功率是轉速的三次方這一函數關系達到節能目的。簡單的說，就是當轉速降低時，消耗功率會同步下降，以50%轉速為例，軸機械功率只有12.5%。當然，風機水泵流量調節還存在其它方式，大體可以歸結為以下三種類型：第一種，采用傳統機械方法對風機擋板、導流器以及水泵閥門開啟度進行調節;第二種，采用電磁轉差離合器或液力耦合器對風機水泵轉速進行調節;第三種，采用交流電動機變頻調速手段。此外，還應當針對大容量高壓電動機驅動的風機水泵和壓縮機，進行高壓變頻調速技術的推廣應用。因為在節電率百分比相同的情況下，通過運用變頻調速技術，使裝機容量和節電效果獲得顯著提升。

3.3 變頻器功率因數補償作用

通過電路分析基本理論可以得知，在供電線路當中，由于無功功率的存在會導致線損的增加。而且在變壓器額定容量不變的情況下，系統功率因數的下降，會導致有功功率的減少，這也就意味著變壓器帶載能力受到影響，呈現出大幅降低的態勢。根據“有功功率=視在功率×功率因數”這一電工學基本公式可以得出以下結論：變壓器視在功率一定的情況下，當功率因數增大時，輸出有功功率也會同步增大。如果是不采用變頻高速器的普通電機，其功率因數只能達到0.6-0.8的水平，由此加大無功電流的生成量，從而造成電能資源的浪費。然而，當水泵電機受到變頻調速控制以后，由于受到變頻器內部采用大容量濾波電容的作用，水泵電機功率因數可達到接近于“1”的水平。這就無疑降低了水泵電機對無功功率的占用，從而使電網有功功率負荷以及變壓器帶載能力獲得顯著提升[3]。

3.4 變頻器軟啟動功能可降低成本

如果三相異步電機采用的是直接啟動或者星三角降壓式啟動，啟動時電流可達到額定電流4-7倍，從而實現瞬間啟動。但是，由于啟動時電流過大，必然會對水泵電機和供電網絡造成較大沖擊。為了緩解這一問題，需要給電網變壓器設置足夠的富裕容量。電機啟動時會產生強大的沖擊力，從而使水泵設備、管道壽命、部件性能等主面均構成嚴重威脅。針對這一弊端問題，可以給水泵加裝變頻器，使其通過變頻器進行啟動，這種啟動方式也被稱之為軟啟動。在軟啟動過程中，啟動電流是從零開始逐漸增加，而電機在動態過程中不存在陡升波頭，當電流到達設定值時，便開始趨于穩定。在整個啟動過程當中，基本上不會對供電網構成任何沖擊，對于供電容量也不存在任何裕量要求，從而有效延長了電機、水泵、管路設備的使用壽命和使用安全，使設備維護費用、人工成本均得到有效控制[4]。

4 變頻調速與環境保護

首先，在電動機驅動過程中，會消耗掉大量電能。而電能消耗，還會同步消耗掉大量煤炭、石油、天然氣資源。與此同時地，還會排放出大量CO2和NO2，直接造成污染環境，使壞臭氧層遭到破壞，空氣質量大幅下降。伴隨人們環保意識的日益提升，保護人類生存環境已經成為全世界人民的共同呼聲，更是各行各類不可推卸的社會職責;此外、據估計，電氣產品所帶來的環境污染約占所有污染源的30%左右。而伴隨著家用電器的全面普及，各類電氣產品的大量應用，如何節省電能，減少資源浪費已經成為全社會，乃至全人類共同面對的重要課題。然而，以往的技術實踐證明，將變頻調速技術應用于風機水泵當中，可收獲20%-30%的節電率，從而減少火電廠發電量以及煤炭、石油、天然氣等資源的消耗量，更大幅降低S02、SO、CO2等空氣污染物排放量，極大的緩解了空氣污染。例如使用變頻調速技術進行機車牽引，可以大減少煤炭、石油的使用量，同時降低氣體排放污染;另外，伴隨地鐵、輕軌、磁懸浮列車等城市軌道交通的快速發展，以及燃料電池汽車保有量的不斷提升，勢必大幅減少CO2排放量及能源消耗量。現如今，國家正在大力推廣新能源電動汽車，提倡人們使用電動自行車作為日常出行的代步工具，這些新型車輛均可以實現自制式變頻調速，從而減少燃油助力時的空氣污染，使大氣環境得到明顯改善。

5 變頻調速器在工業制造中的應用

以汽車制造業為例，變頻調速器不僅在自動化生產線當中擁有越來越高的使用率，還表現非常顯著的應用效果。當企業在自動化生產線當中引進變頻調速技術以后，整個自動控制系統全部由電動機進行驅動。在系統運行的過程中，必然會涉及到電動機轉速的改變，而直流調速和交流調速的兩種方式最為常見。其中，直流電動機結構較為復雜，所以存在較大的維修難度，而電磁調速電動機又存在體積龐大、安裝不便等弊端問題。而變頻調速器不僅構造相對簡單，易于維修養護，還實際應用的過程中，表現出非常優異的節能性與環保效益，給企業節省了大量能源成本，更使工業有害氣體排放量得到有效控制。因此，很多擁有自動化生產線的汽車生產企業都采用變頻調速器進行調速，促進企業生產效益和節能環保水平的整體提升。

6 結語

近幾年來，變頻調速器突出性能已經受到各行各業的一致認可。在其今后的發展中，還將朝著主控一體化、裝置小型化、節能環保化、設備裝置系統化方面快速發展。尤其在節約能源、保護環境方面，將會開拓出一片更加廣闊的應用空問。

參考文獻：

[1]徐萍，曾德強.淺談變頻調速技術對環境保護的影響[J].廣東科技，2011，20（02）：44-45.

[2]董立國，朱萬清，孫秋琦.變頻調速器與節約能源、環境保護[J].黑龍江環境通報，2004（04）：28-29.

[3]張建平.變頻器在水泵中的節能應用[J].山西能源與節能，2012，（1）：45-47.

[4]韓鋼.變頻器在水泵控制節能技術中的應用[J].一重技術，2012，（4）：90-92.