浅析变频调速技术在风机、泵类中的节能应用

张雪莲

（山西铝厂设计院，山西 运城 043304）

1 变频器的作用

在实现电机（一般是交流电机）控制中常用到的工业设备是变频器，是通过改变电机电源输出的频率进行控制。为了更好地控制整个电机的运行，就要通过变频器来实现被控交流电机的变频调速、过载保护、过电流过电压保护，同时变频器也调节整个系统的工作效率和电能的综合利用率。

2 变频器的种类

2.1 按照开关方式分类

按照开关方式，变频器可分为PAM控制变频器、PWM控制变频器、SPWM控制变频器和SVPWM控制变频器。PAM控制是脉冲幅度调制，通过改变脉冲列脉冲的幅度，调节输出量值和波形，实现变频功能。PWM控制是一种脉冲宽度调制，通过改变脉冲列的脉冲宽度来调节输出量和波形，进而实现变频功能。在PWM的基础上改变调制脉冲的方式叫做SPWM控制，按正弦规率排列的脉冲宽度为了做到正弦波输出就需要输出波形经过适当的滤波，在支流交流逆变器中常常得到应用。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，广泛应用于变频器领域。空间矢量脉宽调制叫做SVPWM控制，它作为PWM技术调制的方法，在电机三相定子绕组中时介入PWM波，促使定子产生圆形的旋转磁场，进而带动电机旋转。

2.2 按照直流电源性质分类

按照直流电源性质，变频器分为电流型变频器和电压型变频器。电流型变频器是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。电流型变频器储能元件为电抗器，动态响应快，可直接实现回馈制动，感应电动机电流型变频调速系统可以频繁、快速地实现四象限运行，更适宜一台逆变器对一台电机供电的单机运行方式。电压型变频器是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电压型变频器储能元件为电容器，被控量为电压，动态响应较慢，制动时需在电源侧设置反并联逆变器才能实现能量回馈，可适应多电机拖动。

2.3 按照工作原理分类

按照工作原理，变频器可分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器。V/f控制变频器可保证输出电压与频率成正相关，这样电动机的磁通就可以实现同步一致，避免发生磁饱和、弱磁和等现象。改变异步电动机的滑差进行调速就叫做转差调速，如果速度慢，那么滑差就要求大，通过采用转差频率控制技术，在一定程度上能够改善系统的静态和动态性能。直流电动机调速控制是矢量控制变频器的特点，按矢量变换的方法将异步电动机定子绕组电流分解，形成直流电动机的转矩电流分量和磁场电流分量，异步电动机定子绕组电流的大小和相位得到控制后，就能够控制转矩电流和励磁电流，像控制直流电动机一样控制交流异步电动机的转速，能够达到很好的调速控制效果。

3 风机、泵类变频节能的工作原理

3.1 软启动节能

由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流为4～7倍的额定电流，这样会对机电设备和供电电网产生很大冲击，若对电网供电容量要求过高，启动时损害性就会很大，如产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害，会使设备、管路的使用寿命大大缩短。在应用变频节能装置后，变频器的软启动功能使启动电流从0开始，这样一来最大值也不会超过额定电流，从而减轻了对电网的冲击以及对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，大大节省了设备的维护费用。

3.2 变频节能

由流体力学可知，P=Q×H，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降，即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。

3.3 功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热，而且会使功率因数降低，导致电网有功功率降低。大量的无功电能消耗在线路当中，会造成设备使用效率低下，浪费严重。由公式P=S×cosφ，Q=S×sinφ（S为视在功率，P为有功功率，Q为无功功率，cosφ为功率因数）可知，cosφ越大，有功功率P越大。普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，cosφ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

4 变频调速与风机、水泵节能

4.1 风机、水泵调节流量的方法

风机、水泵调节流量的方法有很多种，也都有各自的特点，主要有3种：（1）交流电动机变频调速。（2）采用液力耦合器或电磁转差离合器调节风机、水泵的转速，但是在这种情况下电动机是恒速运转的。（3）利用传统的机械方法来调节风机的挡板，调节导流器及水泵的阀门开启度。由于在节电率百分比相同的情况下装机容量越大，其绝对节电量也越大，所以现如今更应该推广应用高压变频调速节能，将变频调速应用在大容量高压电动机驱动的风机、水泵和压缩机上。

4.2 变频调速在风机、水泵节能中的应用

以流体理论为出发点，离心式风机、水泵的轴功率和转速可以用三次方函数表示。如果降低转速，则消耗功率也会下降很多，假如把转速降为50%，那么轴机械功率就降低到12%。经研究，调速方案的效率相差很大，滑差后液力调速的效率也不会高，当转速降到50%时，变频调速器效率较高，这样就可以达到近似不变的效果。所以在这么多的调速方案中节能效益最佳的是变频调速。现举一例，对同一台风机、水泵，转速流量为100%时，轴功率也为100%；转速流量降到50%时，则轴功率也降为50%。如果采用挡板方法，阀门控制流量在50%时，依然需要从电网吸入75%左右的功率；如果利用滑差低效调速到50%时，则只需从电网吸入约25%的功率；但是如果采用变频高效调速流量到50%时，则仅仅需从电网吸入10%的功率。经过比较，变频调速的优势显而易见。

4.3 风机、水泵通过变频调速节能的效益

目前我国的电动机总装机容量很高，几乎达到4.54亿kW，电动机的运行大概消耗全国总发电量的65%，所以有效实现电机节电成为当前的目标。一般电机节约能源主要有2个途径：一是提高电机转速的控制精度，使电机的运行更节能；一是提高电机本身的效率，以达到长期高效的运行。在国民经济生产中，生产量大、应用面积广的电机驱动设备主要是风机、水泵和压缩机，总电机容量高达1.5亿，这些机器消耗的电量基本上占全国发电总量的35%，这其中约25%的风机、水泵需要调速。

5 变频调速与环境保护

电机驱动在电能消耗中占很大比例，电力消耗的过量造成了燃煤、石油、天然气等燃料的枯竭，与此同时二氧化碳和二氧化氮的无节制排放造成的环境污染，破坏了大气臭氧层，影响人类的生活甚至生存。人类由于对生存环境的严重破坏和对能源资源的过度浪费，已遭受到惨痛的教训，于是全世界人民共同呼唤保护人类生存环境。目前，变频调速节能技术得到大力推广，节电率可达到25%左右，不用煤炭不烧油，牵引变频机车应用，减少了污染的排放。

6 结语

通过变频调速技术实现风机、泵类等设备节能运行，受到国家政府的普遍重视。实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。变频调速技术既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且大大减少了设备维护、维修费用，缩短了停产周期。变频调速技术越来越受到国内外工程的关注，将在我国的经济建设中发挥更好的作用。

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