浅议变频调速节能技术及其应用

　　现代工业生产过程中，各种设备的传动部件大都离不开电动机，且电动机的传动在许多场合要求能够调速。电动机的调速运行方式很多，以电动机类型分大致可分为直流调速与交流调速两种，而交流调速方式又可分为串级调速、变极调速、滑差电机调速、调压调速以及变频调速等几种方式。自从20世纪70年代以来，以电子器件，微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性的进展，生产出满足变频调速要求的变频器，从此交流调速进入了一个崭新时代。
　　1　变频器与节能
　　变频器主要用于交流电动机(异步电动机或同步电动机)转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案。除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自20世纪80年代披引进中国以来，变频器作为节能应用中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。在电力、纺织与化纤、建材、石油、化工、冶金、市政，造纸、食品饮料、烟草等行业及公用工程(中央空调器、供水，水处理、电梯等)中，变频器都在发挥着重要的作用。
　　变频器产生的最初用途是速度控制，但目前在国内应用较多的是节能。中国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足。在国家每年的电力消耗中，60％～70％为动力电，而在总容量为5.8亿千瓦的电动机总容量中，只有不到2000万千瓦的电动机是带变频控制的。据市场研究报告分析，在中国，带变动负载、具有节能潜力的电动机至少有1.8亿千瓦。因此，国家大力提倡节能措施，并着重推荐了变频调速技术。
　　应用变频调速可以大大提高电动机转速的控制精度，使电动机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电动机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，变动负载电动机的节能潜力巨大。
　　在其工作时首先将三相交流电经桥式整流为直流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变成电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电动机上。异步电动机的转距是电动机的磁通与转子内流过的电流之间相互作用产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此频率与电压成比例改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压使电机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。
　　2　变频调速技术的节能原理与负载关系
　　据统计全国每年的发电量有一半消耗在电机上，其中绝大部分的电机为结构简单、方便实用，维修量很少的鼠笼式电机，例如各种泵的电机、制冷式压缩电机，多功能天车、加料小车传动电机，各种输送电机等。
　　变频调速系统的突出优点是调速效率高，启动能耗低，调速范围宽，可实现无级调速，动态响应速度快，调速精度很高，操作简便，且易于实现生产工艺控制自动化。此外，在装置发生故障后能自动投入工频运行，不会影响生产作业，这是该系统最显著的优点。由于调速性能优于其他调速技术，安装场地条件又比较灵活，适用于要求调速范围宽、起停频繁、较长时间低速运行的场合，节电率一般在15％～30％，是市场需求增长最快的调速方式。
　　随着电力电子技术的迅速发展，高压变频调速技术将逐步能够做到按电路最优化原则方便地选择元件，从而可以将精力更好地放在提高产品性能以及优化控制方式上。高压变频器在电厂的应用还远远没有展开，要充分认识采用变频调速技术的必要性和重要性还需各界人士共同努力，变频装置涉及工艺、热控和电气等各个专业，只有通力合作，才能更好地应用。
　　3　变频调速在节能领域的应用
　　当然变频调速的节能效果也视其负载决定，在恒功率负载时(即在基频以上工作)，转矩大致上与速度成反比。而在恒转矩负载(基频以下工作)和风机、水泵类负载时，其节能效果就会凸显出来，尤其是对于后者来说，更是节能调速的最佳方案。
　　当所需风量减少，风机转速降低时，其轴功率按转速的三次方下降，理论上如果风量为额定流量的80％，感应电动机转速控制在额定转速的80％运行，其轴功率将为额定功率的51％，与采用挡板调节相比，可减少49％的功率。如果流量下降到额定流量的50％时，感应电动机转速可控制在额定转速的50％运行，其轴功率为额定功率的13％，与采用挡板调节相比，可减少87％的功率。
　　根据以上分析，变频调速技术可应用在矿山、冶金、建材、石油、石化、电力等行业，因为这些行业皆应用大量的通风机、压缩机、提升机、补水泵、加压泵等设备，这些设备多数用交流电机驱动，功率均在几百千瓦以上，有的高达数千甚至上万千瓦，消耗电能巨大，但大部分设备不是工作在额定功率，经常只有50％～80％的输出，如采用变频调速技术对其控制，节能意义不言而喻。另外采用变频调速技术还可减少设备振动，消除大电机起动的电流冲击，避免机械震荡，降低设备故障率，减轻设备维修工作量。
　　4　结语
　　节能降耗是降低生产成本的重要手段，降成本是提高产品竞争力的有效手段。采用新产品新技术对设备进行改造是各个厂家所关注和了解的，变频调速就是这样一种新技术、新产品，利用它可以改造供水系统或供料系统。起到显著的节能效果，并且达到改善工艺条件的目