浅谈变频器原理及其在工业节能降耗中的作用

阳煤集团太原化工新材料有限公司 李艳桃

浅谈变频器原理及其在工业节能降耗中的作用

阳煤集团太原化工新材料有限公司 李艳桃

变频器是现代工业生产活动中的重要设备，其通过对频率调节等方式可以实现不同要求下的具体生产。分析其在工业节能降耗中的作用有一定的意义。基于此，本文以变频器的原理作为切入点，重点分析变频器在工业节能降耗中的作用，包括其节能原理、维护方式等，以期使相关内容得到明晰，为后续理论的完善和实际工作的进行提供帮助。

变频器；节能降耗；工作原理

1.前言

变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。工业生产活动中，由于生产要求的不同，设备的负荷需要调整，变频器在相关工作中发挥着重要作用，而其对频率的调整使节能降耗也得到了实现，分析相关原理以及具体内容，有助于后续具体工作的开展和优化。

2.变频器的原理

2.1 变频器的基本原理

变频器是以电力半导体器件为基础，通过发挥电力半导体器件的通断作用，使固有工频电源改变为其他频率的电能控制装置。在其运行过程中，受限将输入的交流电转化为直流电，经过再逆变过程，转化得到另一种频率的交流电。变频器的基本组成结构包括信号检测电路、触发脉冲电路和控制电路等。其工作流程主要包含以下几个步骤：（1）整流；（2）直流电压保持；（3）逆变；（4）发电机信号测量；（5）控制电路；（6）触发脉冲电路。基于以上工作原理，可以实现改变交流电频率的目的。变频器是现代工业电气设备系统中的关键设备，其应用不仅能够为生产安全提供保障，还具有一定的节能作用。而且变频器技术仍处于快速发展阶段，其节能降耗效果也会更加明显。

2.2 变频器的节能原理

交流电机的转速公式为N=60f(1－s)/p，在其运行过程中，决定转速的往往是电源频率，电源频率值与交流电机的转动速度呈现显著的正相关，即电源的频率越高，交流电机的转动速度越快，这是能够应用变频器实现节能的基本原理。如工业生产活动中常用的水泵和风机等，其转速和流量往往存在正比关系，转速的平方和压力也成正比，压力和流量的乘积数值则与流体传输设备的轴功率相当。

通过上述原理，可以总结出设备的节能降耗与输出功率直接相关，二者呈现反比关系，即输出功率越大，耗能往往越大，影响输出功率的是交流电机的转动速度。通过变频器降低电压，可以实现负载的控制、降低，能耗因此得到了控制。比如风机，应用变频器使其转速降低，能耗也随之出现显著的下降。这是由于风机转速平方和压力存在正比关系，降低电压后，转速矩阵受到影响，开始下降，整体的负载水平也降低，从而实现了节能降耗[1]。

3.变频器工业节能降耗中的作用

3.1 变频器的应用

结合上文内容能够发现，在交流电机的运行中，电源对转速有着直接的影响，所以如果能够改变电源的频率，就会改变转速，进而降低电机的能耗。另外，在工业中流体传输设备的运行与能耗同样有着紧密的联系，而风机与水泵主要的能耗设备，而其转速主要受流速、压力的影响，其中流速与转速呈正相关关系，而压力则与转速的平方为正相关关系。总体而言，在工业中要想实现节能较好的目标，就需要调整其功率，因此将变频器应用在其中，能够根据风机等设备的运行状态，适当调整其运行功率，实现节能降耗的目的。

3.2 节能降耗的作用

在工业中，变频器经常被应用在水泵等设备上，并且具有较为明显节能降耗效果。对此，本文以定某工厂中水泵的运行实例为基础，分析变频器节能降耗的作用。在本工厂中，水泵是主要的能耗设备，所以为了落实可持续发展政策，实现节能降耗的目的，需要对其所消耗的电量进行分析，并将其作为调整变频器的依据。

（1）水泵运行。在改造水泵以前，本工厂主要使用的是电动调节阀来控制水泵的流量，虽然具有一定的成效，但其线性效果较差，该装置无法实现自行调节，因此无法实现节能降耗的目的。在低加疏水泵运行中，电动调节阀对水流的调节程度较低，所以无法真正的实现节流，同时还会浪费较多的电流。另外，在调节水泵的过程中，由于设备自身调节水平较低，导致水泵在运行中经常出现空位或者低水位等问题，不仅无法实现节能降耗，还会缩短水泵的使用寿命。但是，如果水泵在运行中出现水位较高的问题，则会影响整体设备的稳定性[2]。

经过对低加疏水泵运行状态的分析，要想实现节能降耗，可以通过变频调节与节流调节两种方式实现其目的。图1 是低加疏水泵的特性曲线，其中（a）为节流调节，（b）为变频调节，Q-H表示水泵特性曲线，而I、II表示管路特性曲线，经过对两种节能结果的对比发现：当调小水泵的转速时，管路特性曲线与水泵特性曲线的交点就会由1（能耗为0Q11H1）变为2（能耗为0Q22H2），但是其扬程并不会发生变化，所以变频调节方式能够降低水泵的能耗。下图为低加疏水泵的特性曲线：

图1 低加疏水泵的特性曲线

（2）节能作用。接下来，根据工厂中低压疏水泵在2017年9月份的变频改造为基础，分别对改造以前、改造以后的数据进行分析，全面阐述变频器在工业中节能降耗的作用。相应电动机的变频参数为：输出频率为0～300Hz，输出电压为0～400V，输入电压为（380～480V）±10%，额定功率等于55KW；电动机参数为：转速2970r/min，额定电流等于102.6A，额定电压等于380V，额定功率为55KW。

经将变频器安装在水泵中以后，保证电机处于相同的工作环境，分别取改造前、改造后的数据进行分析与比较：其中水泵在安装变频器以前，其电流分别为66.9A、65.4A、65.9A；安装变频以后水泵的电流为39.7A、39.8A、39.3A；设定电压为380V、功率因素为0.81。其计算结果如下：

经过比较，低压疏水泵在未经过变频以前的能耗为：

当对低压疏水泵进行变频改造以后，其能耗为：

经过改造以后，能耗显著降低，预计每天的耗电量为5KWh。所以每天节能降耗的数量为：W节=W1-（W2+5）=845.3-506.7-5=333.6KWh

所以，变频器的节能效果为：

η =W节/W1*100%=333.6/845.3*100%=39.5

通过上述计算能够发现，将变频器应用在工厂水泵的节能降耗中，其节能降耗的效果较为明显，尤其是当设备属于低负荷的工作状态时，其节能效果更为明显。

4.变频器的日常维护方式

为了保证节能效果的有效性，需要对变频器进行维护，保证其运行状态，做法为：

（1）日常检查。日常的检查工作内容主要检查变频器的运行状态，便于工作人员能够及时发现设备的异常，进而制定维护方案。在检查的过程中，需要对显示板、气味、振动与噪音等项目进行细致的检查，通过触摸检测其温度是否异常，同时还要保证其周围环境的整洁程度。

（2）定期检查。在定期检查的工作中，需要切断变频器的电源，在设备处于停止运行状态期间，打开外盖，然后工作人员便可检测其内部部件是否存在老化、损坏等问题。一旦发现设备中的部件不能适应其运行的需求，则需要及时进行更换，保证变频器能够发挥其节能降耗的作用[3]。

5.结语

通过分析变频器原理及其在工业节能降耗中的作用，了解了相关基本内容。变频器可以根据生产需要调节电动机功率，从而进一步通过调节输出功率作为核心手段，实现工业节能降耗。在我国大部分行业的生产活动中，变频器均发挥着重要作用。变频器的日常维护包括周期检修和日常检查等，以确保其功能完善。后续工作中，应用相关理论有助于进一步通过变频器实现工业节能降耗。

[1]白利军.煤层气地面开采供电系统直流微网与节能关键技术研究[D].中国矿业大学(北京),2016.

[2]杨霞.感应电动机变频调速节能效果研究[D].北京建筑大学,2015.

[3]曹磊.火力发电厂高压电动机变频改造及其安全性经济性分析[D].山东大学,2015.

李艳桃 （1969—），女，山西太原人，大学本科，中级化工电气工程师，从事化工电气工作。