变频器节能技术原理及其应用探讨

朱彬

【摘 要】 变频器主要应用的是变频技术和微电子技术。变频器的基本工作原理是通过对电源频率的改变来控制交流电动机，从而达到节能、调节速度的目的，有效降低了设备的能源消耗，为企业带来了更大的经济效益。本文重点探讨变频器的基本构成及节能原理，并以水泵变频器为例，研究变频器节能技术的节能功效。

【关键词】 变频器；节能技术；原理；应用；探讨

引言：

随着我国变频器节能技术的日趋成熟，其被广泛应用于机电设备的实际运行中。在交流电机中运用变频器节能可实现软启、软停，从而减少电机启动时对企业同一配电线路上其他设备正常运行的影响，并最大限度地降低对企业供电网络的冲击，同时减少电机线路的损耗，降低电机的磨损度以及设备的维修、保养费用。与此同时，在变频器的节能调速下可提升电机转速的控制精度，提高生产工艺水平及生产效率，为企业创造良好的经济效益。因此，变频器节能技术在我国未来经济发展中将发挥重要的作用，市场应用前景广阔。

一、变频器的基本组成

交流电机中应用的变频器装置主要分为：个部分，每个部分的具体功能如下：

（一）整流器

整流器是变频器最主要的构件之一。目前，我国常用变频器中的整流器均采用二极管变流器，其可以将工频交流电直接转化为直流电。当然，也可以采用两组晶体管变流器组建一个可逆的变流器，该变流器可实现功率方向的可逆性，也就是可实现电机的再生运转功能。

（二）滤波电路

直流电经整流器处理后可形成一个脉动电压（相对于电源的6倍频率），逆变器中产生的电流也可导致直流电出现变动。因此，为确保应用时电压能够处于一个相对平稳的状态，可使用电容或电感对产生的脉动电压进行吸收处理；如果电机过小，由于电源、主电路的器件中仍然有余量，这样可直接去掉电感而选用滤波电路。

（三）逆变器

逆变器的功能与整流器是相反的，主要功能是将整流器处理后的直流电转化为可满足异步电机运行要求（电压、频率）的交流电。

（四）控制电路

在变频器中控制电路主要是根据相关回馈信号对整流器、逆变器输出的电压、频率实现合理控制，目的在于为异步电机提供合适的交流电源。

二、变频器节能技术原理

变频器技术是集微电子技术、变频技术为一体的综合性技术系统，其利用计算机应用技术、电子电力技术来保证电机始终处于平稳运行状态，并对电机的自动加速、减速运行实现有效控制，提高电机的运行效率并降低电机的能耗，同时对较强的过压、过流也可起到一定保护作用。根据实际应用需求，交流电机的变频器节能方式主要分为以下两种：

（一）软启动节能方式

目前，异步电机的启动方式主要分为直接启动、全压启动、Y/D启动，在启动电压可达到额定电压的五倍左右，此时会产生大量的电流损耗，且增加电路的功率损耗，并对电机设备、企业供电网络产生巨大冲击，最终将损坏电机自身线路及影响同一线路上其他设备正常运行。

为了解决电机启动时产生的能源浪费、电容增加等问题，在实际生产过程中可运用变频器的软启动节能方式，其可以实现电机启动时电流量从0逐渐升至额定值，且保证在电流量上升时产生的最大电流值始终在额定值范围内，从而降低电机启动时的功率损耗，缓解电机启动对企业电网的冲击，最终实现节能、延长设备使用寿命的效果。

（二）变频节能方式

企业在生产过程中经常出现设备容量选择不当的现象，可能造成能量浪费，我们都知道，电机功率=压力×流量，其中流量与压力成反比，流量、压力与功率成正比，由于电机的转速与功率、压力、流量均呈正比，也就是说当电机的压力处于稳定状态时，将电机的转速下调，输出的功率也会相应下降，也就是电机损失的功率下降。变频节能方式可合理调控电机转速，从而降低电机能耗，实现节能效果。

三、变频器常用功能

（一）变频器升速功能

升速过程属于从一种稳定状态过渡到另一稳定状态的过程，一般在保证电流不大于额定电流的情况下，控制升速时间尽量短。变频器除了可以进行升速、降速事件的设定外，还可以通过对升速方式的预置来对不同时段的加速度极性控制。常见的升速方式有三种：频率与时间成线性关系、S形方式、半S形方式。实际中要根据具体的使用环境选用升速方式，例如在电梯的运行中如果在启动中的升速或者降速过快就会令人感觉不舒服，为此要采用s形方式调速；而在鼓风机使用中由于低速的负载转矩很小，为此可以使用半S形调速。

（二）变频器的过载保护功能

过载保护的目的是保护电动机不被烧坏，也就是保护电动机温升不超过额定值。电机在低频运行中由于散热差而出现严重的发热，为此温升超过允许值。而借助于变频器中的电子热保护功能，在不同的运行频率下具有不同的保护曲线，而运行频率越低，允许连续运行的时间越短，为此起到了保护电机的作用。

四、水泵变频器的节能技术应用分析

本文选取水泵作为研究对象，水泵是一个平方转矩负载设备，我们可将转速设置为n，流量设置为Q，扬程设置为H，水泵轴功率设置为N，上述变量的关系式如下；

从上述公式可以看出，水泵流量与转速成正比，扬程与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比，当电机带动水泵时，电机的轴功率P表示如下；

式中，ρ为水的密度；ηc为工况点效率；ηF为传动效率。

水泵流量（Q）、扬程（H）的关系曲线如图1所示。在图1中，曲线①表示水泵在n1，上转速下流量、扬程之间的关系：曲线②表示水泵在n2轉速下流量、功率之间的关系；曲线③、④为水管阻力的特性；曲线⑤表示水泵在n2转速下流量、扬程之间的关系。

图1 水泵流量（Q）扬程（H）关系曲线图

我们假设水泵上作点在A点时效率最高，此时水流输出量（Q）为100%，此点水泵的轴功率（P1）与A、H1、Q、Q1的面积成正比，根据企业的生产上艺标准，当水泵的输出流量从Q上缩小至Q2时，如果直接调节水泵的阀门，则可能使得管阻曲线从③变成④，这样可能会导致系统的最佳上作效率山A点移至B点，而水泵的扬程也会增加，水泵的轴功率（P2）与B、H2、Q、Q2的面积成正比：若采用变频器进行合理控制，水泵的转速由n1上下降至n2，在满足Q2的基础上，大幅度降低水泵的扬程（H3），此时水泵的轴功率（P3）与C、H3、Q、Q2的面积成正比关系通过比较分析3种运行模式，可看出只明显最小，节省的功率损耗与B、H2、H3、C成正比关系，由此可知该方案节能效果最佳。

五、应用水泵变频器的注意事项

变频器应用于水泵系统是一种比较经济、简单的节能方式，但是在电机驱动阶段采用变频器，由于存在高次谐波，所以与工频电源驱动相比需要特别注意电机运行中的变频浪涌电压、升温等问题。

（一）浪涌电压损坏绝缘问题

变频器的电源可能会引发浪涌电压，且影响电机线圈的绝缘，此时应对电机各线圈之间的绝缘、绝缘强度的相容性采取必要的保护措施，当在水泵系统中运用变频器驱动时，电机绝缘的寿命一般为：4万5H，大概为15年左右，由于传统的工频驱动电机中并没有浪涌电压保护装置，若对400V的电机更换变频器驱动，可能会因为变频器出现浪涌电压而导致绝缘性能恶化甚至烧毁。因此，在更换变频器驱动时建议同步更换电动机。

（二）升温问题

运用变频器驱动的电机受高次谐波影响可能会增加损耗，电流量增加10%，温度则升高20%，电机的转子轴端一般都装有冷却风扇，若处于低频运转状态，冷却效果也会明显下降。从常规情况来看，电机的冷却风量与升温形成的冷却效果之间的关系为；若电机呈现出相同损耗时，机身温度上升值与转速成反比、若电机在工频以高速运转，由于电机处于恒定功率输出状态，电流量随着频率的升高而降低，且提高了冷却效果，因此不会出现明显的升温问题。

六、结束语

随着传统的直流调速、模拟控制技术逐渐被交流调速、计算机自动化控制技术所替代，交流电动机的变频器技术已成为降低电机生产能耗的主要技术手段之一。变频器技术的研发与推广，标志着电动机技术进入了一个崭新的发展阶段。其主要利用可编程控制器来调节转速、提高功率因数，并因软启动性能优良等節能优势被业界广泛认定为最佳的调速控制装置，因此具有广阔的应用前景。

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