变频调速器与节约能源、环境保护

肖珂　杨节方

摘 要：本文首先阐述了变频调速技术，之后分别探讨了变频调速与风机水泵节能、环境保护之间的作用关系，最后针对变频调速器在工业生产、家用电器中的应用进行了相关探究，希望相关建议能够进一步推动我国变频调整技术的健康发展，为节能环保事业做出积极贡献。

关键词：变频调速器 节约能源环境保护

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

伴随着变频器性能的日益完善，不仅要实现更高程度的主控一体化、装置小型化、和装置设备专用化。在节约能源、环境保护方面，也将表现更大的作用价值与技术优势，力争为我国工业制造领域和节能环保事业做出更多积极贡献。

2 变频调速器

所谓变频调速器，是将三相工频（50Hz）和任意电源变换成三相电压、频率均可调的交流电源。之后，将其应用于交流电动机的转速调节。在一套交流电动机变频调速系统当中，主要由变频调速器、驱动器交流电动机和控制器三个部分共同组成。变频调速器作为其中的核心设备，其主要作用是实现电动机电压和频率之间的平滑变化。与以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速相比，变频调速是大家一致公认的最理想、最有具发展前景的调速方案。从变频调速器诞生发展至今，在三十多年的时间时里，已经在钢鐵、冶金、石油、化工、化纤、造纸、橡胶、塑料、电力、水务等领域内均得到了广泛应用。在其实际应用的过程中，除了具有非常卓越的调速性能之外，还发挥着非常显著的节能环保作用。因此，变频调速器在企业技术改造、工业生产、产品更新换代中具有极高的使用率和推广价值[1]。

3 变频调速与节约能源

3.1 缓解供电需求矛盾

根据相关部门统计，2002年我国发电装机容量已经达到319亿kW，年发电量达到13466亿kWH。这一发电规模暂列世界第二位。即便如此，我国人均用电量却排在世界倒数位置。而且伴随着我国社会经济的快速发展，用电需求量也面临着同步提升。据统计，如果国民经济增长8%，需要电能供应量增长11%，尤其到了夏季，持续高温还会进一步加大部分省市供电紧张局面，有些地区迫于无奈，只能采取拉闸限电措施，还有一些地区由于电网负载过大，导致局部供电系统运行不稳定现象，无形之中加大了用电安全隐患。鉴于上述情况，有必发将变频高速技术及相关设备引进到供电系统当中，达到节能能源、资源合理分配、提高供电质量等目的，促进人们日常生活质量和社会经济建设的双向发展[3]。

3.2 风机水泵变频调速节

据统计，我国目前电动机总装机容量忆达到4.5亿kW，约消耗掉全国65%发电量。通过这一组数据可以看，如果能够引进有效的电动机节电措施，势必可以大幅降低电能消耗。目前，电机节能主要存在以下二个途径：第一，提高电机自身效率的同时，使其能够长期高效运行，这一途径主要应用于恒速机械;第二，提高电机转速控制精度，使电机可以在最佳节能状态下转速。现阶段，风机水泵和压缩机是国民经济生产中使用量最大、使用率最高的电动机驱动设备，其总电机容量约达1.5亿，可消耗全国发电量35%左右。其中，约有20%-30%风机水泵面临着调速需求。在满足风机水泵调速需求时，变频调速是最佳节能方案。它主要凭借流体理论以及离心式风机水泵轴功率是转速的三次方这一函数关系达到节能目的。简单的说，就是当转速降低时，消耗功率会同步下降，以50%转速为例，轴机械功率只有12.5%。当然，风机水泵流量调节还存在其它方式，大体可以归结为以下三种类型：第一种，采用传统机械方法对风机挡板、导流器以及水泵阀门开启度进行调节;第二种，采用电磁转差离合器或液力耦合器对风机水泵转速进行调节;第三种，采用交流电动机变频调速手段。此外，还应当针对大容量高压电动机驱动的风机水泵和压缩机，进行高压变频调速技术的推广应用。因为在节电率百分比相同的情况下，通过运用变频调速技术，使装机容量和节电效果获得显著提升。

3.3 变频器功率因数补偿作用

通过电路分析基本理论可以得知，在供电线路当中，由于无功功率的存在会导致线损的增加。而且在变压器额定容量不变的情况下，系统功率因数的下降，会导致有功功率的减少，这也就意味着变压器带载能力受到影响，呈现出大幅降低的态势。根据“有功功率=视在功率×功率因数”这一电工学基本公式可以得出以下结论：变压器视在功率一定的情况下，当功率因数增大时，输出有功功率也会同步增大。如果是不采用变频高速器的普通电机，其功率因数只能达到0.6-0.8的水平，由此加大无功电流的生成量，从而造成电能资源的浪费。然而，当水泵电机受到变频调速控制以后，由于受到变频器内部采用大容量滤波电容的作用，水泵电机功率因数可达到接近于“1”的水平。这就无疑降低了水泵电机对无功功率的占用，从而使电网有功功率负荷以及变压器带载能力获得显著提升[3]。

3.4 变频器软启动功能可降低成本

如果三相异步电机采用的是直接启动或者星三角降压式启动，启动时电流可达到额定电流4-7倍，从而实现瞬间启动。但是，由于启动时电流过大，必然会对水泵电机和供电网络造成较大冲击。为了缓解这一问题，需要给电网变压器设置足够的富裕容量。电机启动时会产生强大的冲击力，从而使水泵设备、管道寿命、部件性能等主面均构成严重威胁。针对这一弊端问题，可以给水泵加装变频器，使其通过变频器进行启动，这种启动方式也被称之为软启动。在软启动过程中，启动电流是从零开始逐渐增加，而电机在动态过程中不存在陡升波头，当电流到达设定值时，便开始趋于稳定。在整个启动过程当中，基本上不会对供电网构成任何冲击，对于供电容量也不存在任何裕量要求，从而有效延长了电机、水泵、管路设备的使用寿命和使用安全，使设备维护费用、人工成本均得到有效控制[4]。

4 变频调速与环境保护

首先，在电动机驱动过程中，会消耗掉大量电能。而电能消耗，还会同步消耗掉大量煤炭、石油、天然气资源。与此同时地，还会排放出大量CO2和NO2，直接造成污染环境，使坏臭氧层遭到破坏，空气质量大幅下降。伴随人们环保意识的日益提升，保护人類生存环境已经成为全世界人民的共同呼声，更是各行各类不可推卸的社会职责;此外、据估计，电气产品所带来的环境污染约占所有污染源的30%左右。而伴随着家用电器的全面普及，各类电气产品的大量应用，如何节省电能，减少资源浪费已经成为全社会，乃至全人类共同面对的重要课题。然而，以往的技术实践证明，将变频调速技术应用于风机水泵当中，可收获20%-30%的节电率，从而减少火电厂发电量以及煤炭、石油、天然气等资源的消耗量，更大幅降低S02、SO、CO2等空气污染物排放量，极大的缓解了空气污染。例如使用变频调速技术进行机车牵引，可以大减少煤炭、石油的使用量，同时降低气体排放污染;另外，伴随地铁、轻轨、磁悬浮列车等城市轨道交通的快速发展，以及燃料电池汽车保有量的不断提升，势必大幅减少CO2排放量及能源消耗量。现如今，国家正在大力推广新能源电动汽车，提倡人们使用电动自行车作为日常出行的代步工具，这些新型车辆均可以实现自制式变频调速，从而减少燃油助力时的空气污染，使大气环境得到明显改善。

5 变频调速器在工业制造中的应用

以汽车制造业为例，变频调速器不仅在自动化生产线当中拥有越来越高的使用率，还表现非常显著的应用效果。当企业在自动化生产线当中引进变频调速技术以后，整个自动控制系统全部由电动机进行驱动。在系统运行的过程中，必然会涉及到电动机转速的改变，而直流调速和交流调速的两种方式最为常见。其中，直流电动机结构较为复杂，所以存在较大的维修难度，而电磁调速电动机又存在体积庞大、安装不便等弊端问题。而变频调速器不仅构造相对简单，易于维修养护，还实际应用的过程中，表现出非常优异的节能性与环保效益，给企业节省了大量能源成本，更使工业有害气体排放量得到有效控制。因此，很多拥有自动化生产线的汽车生产企业都采用变频调速器进行调速，促进企业生产效益和节能环保水平的整体提升。

6 结语

近几年来，变频调速器突出性能已经受到各行各业的一致认可。在其今后的发展中，还将朝着主控一体化、装置小型化、节能环保化、设备装置系统化方面快速发展。尤其在节约能源、保护环境方面，将会开拓出一片更加广阔的应用空问。

参考文献：

[1]徐萍，曾德强.浅谈变频调速技术对环境保护的影响[J].广东科技，2011，20（02）：44-45.

[2]董立国，朱万清，孙秋琦.变频调速器与节约能源、环境保护[J].黑龙江环境通报，2004（04）：28-29.

[3]张建平.变频器在水泵中的节能应用[J].山西能源与节能，2012，（1）：45-47.

[4]韩钢.变频器在水泵控制节能技术中的应用[J].一重技术，2012，（4）：90-92.