朱彬

【摘 要】 變頻器主要應(yīng)用的是變頻技術(shù)和微電子技術(shù)。變頻器的基本工作原理是通過對電源頻率的改變來控制交流電動機，從而達到節(jié)能、調(diào)節(jié)速度的目的，有效降低了設(shè)備的能源消耗，為企業(yè)帶來了更大的經(jīng)濟效益。本文重點探討變頻器的基本構(gòu)成及節(jié)能原理，并以水泵變頻器為例，研究變頻器節(jié)能技術(shù)的節(jié)能功效。

【關(guān)鍵詞】 變頻器；節(jié)能技術(shù)；原理；應(yīng)用；探討

引言：

隨著我國變頻器節(jié)能技術(shù)的日趨成熟，其被廣泛應(yīng)用于機電設(shè)備的實際運行中。在交流電機中運用變頻器節(jié)能可實現(xiàn)軟啟、軟停，從而減少電機啟動時對企業(yè)同一配電線路上其他設(shè)備正常運行的影響，并最大限度地降低對企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)的沖擊，同時減少電機線路的損耗，降低電機的磨損度以及設(shè)備的維修、保養(yǎng)費用。與此同時，在變頻器的節(jié)能調(diào)速下可提升電機轉(zhuǎn)速的控制精度，提高生產(chǎn)工藝水平及生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。因此，變頻器節(jié)能技術(shù)在我國未來經(jīng)濟發(fā)展中將發(fā)揮重要的作用，市場應(yīng)用前景廣闊。

一、變頻器的基本組成

交流電機中應(yīng)用的變頻器裝置主要分為：個部分，每個部分的具體功能如下：

（一）整流器

整流器是變頻器最主要的構(gòu)件之一。目前，我國常用變頻器中的整流器均采用二極管變流器，其可以將工頻交流電直接轉(zhuǎn)化為直流電。當(dāng)然，也可以采用兩組晶體管變流器組建一個可逆的變流器，該變流器可實現(xiàn)功率方向的可逆性，也就是可實現(xiàn)電機的再生運轉(zhuǎn)功能。

（二）濾波電路

直流電經(jīng)整流器處理后可形成一個脈動電壓（相對于電源的6倍頻率），逆變器中產(chǎn)生的電流也可導(dǎo)致直流電出現(xiàn)變動。因此，為確保應(yīng)用時電壓能夠處于一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)，可使用電容或電感對產(chǎn)生的脈動電壓進行吸收處理；如果電機過小，由于電源、主電路的器件中仍然有余量，這樣可直接去掉電感而選用濾波電路。

（三）逆變器

逆變器的功能與整流器是相反的，主要功能是將整流器處理后的直流電轉(zhuǎn)化為可滿足異步電機運行要求（電壓、頻率）的交流電。

（四）控制電路

在變頻器中控制電路主要是根據(jù)相關(guān)回饋信號對整流器、逆變器輸出的電壓、頻率實現(xiàn)合理控制，目的在于為異步電機提供合適的交流電源。

二、變頻器節(jié)能技術(shù)原理

變頻器技術(shù)是集微電子技術(shù)、變頻技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)系統(tǒng)，其利用計算機應(yīng)用技術(shù)、電子電力技術(shù)來保證電機始終處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，并對電機的自動加速、減速運行實現(xiàn)有效控制，提高電機的運行效率并降低電機的能耗，同時對較強的過壓、過流也可起到一定保護作用。根據(jù)實際應(yīng)用需求，交流電機的變頻器節(jié)能方式主要分為以下兩種：

（一）軟啟動節(jié)能方式

目前，異步電機的啟動方式主要分為直接啟動、全壓啟動、Y/D啟動，在啟動電壓可達到額定電壓的五倍左右，此時會產(chǎn)生大量的電流損耗，且增加電路的功率損耗，并對電機設(shè)備、企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大沖擊，最終將損壞電機自身線路及影響同一線路上其他設(shè)備正常運行。

為了解決電機啟動時產(chǎn)生的能源浪費、電容增加等問題，在實際生產(chǎn)過程中可運用變頻器的軟啟動節(jié)能方式，其可以實現(xiàn)電機啟動時電流量從0逐漸升至額定值，且保證在電流量上升時產(chǎn)生的最大電流值始終在額定值范圍內(nèi)，從而降低電機啟動時的功率損耗，緩解電機啟動對企業(yè)電網(wǎng)的沖擊，最終實現(xiàn)節(jié)能、延長設(shè)備使用壽命的效果。

（二）變頻節(jié)能方式

企業(yè)在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備容量選擇不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，可能造成能量浪費，我們都知道，電機功率=壓力×流量，其中流量與壓力成反比，流量、壓力與功率成正比，由于電機的轉(zhuǎn)速與功率、壓力、流量均呈正比，也就是說當(dāng)電機的壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)時，將電機的轉(zhuǎn)速下調(diào)，輸出的功率也會相應(yīng)下降，也就是電機損失的功率下降。變頻節(jié)能方式可合理調(diào)控電機轉(zhuǎn)速，從而降低電機能耗，實現(xiàn)節(jié)能效果。

三、變頻器常用功能

（一）變頻器升速功能

升速過程屬于從一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一穩(wěn)定狀態(tài)的過程，一般在保證電流不大于額定電流的情況下，控制升速時間盡量短。變頻器除了可以進行升速、降速事件的設(shè)定外，還可以通過對升速方式的預(yù)置來對不同時段的加速度極性控制。常見的升速方式有三種：頻率與時間成線性關(guān)系、S形方式、半S形方式。實際中要根據(jù)具體的使用環(huán)境選用升速方式，例如在電梯的運行中如果在啟動中的升速或者降速過快就會令人感覺不舒服，為此要采用s形方式調(diào)速；而在鼓風(fēng)機使用中由于低速的負載轉(zhuǎn)矩很小，為此可以使用半S形調(diào)速。

（二）變頻器的過載保護功能

過載保護的目的是保護電動機不被燒壞，也就是保護電動機溫升不超過額定值。電機在低頻運行中由于散熱差而出現(xiàn)嚴重的發(fā)熱，為此溫升超過允許值。而借助于變頻器中的電子熱保護功能，在不同的運行頻率下具有不同的保護曲線，而運行頻率越低，允許連續(xù)運行的時間越短，為此起到了保護電機的作用。

四、水泵變頻器的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分析

本文選取水泵作為研究對象，水泵是一個平方轉(zhuǎn)矩負載設(shè)備，我們可將轉(zhuǎn)速設(shè)置為n，流量設(shè)置為Q，揚程設(shè)置為H，水泵軸功率設(shè)置為N，上述變量的關(guān)系式如下；

從上述公式可以看出，水泵流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，當(dāng)電機帶動水泵時，電機的軸功率P表示如下；

式中，ρ為水的密度；ηc為工況點效率；ηF為傳動效率。

水泵流量（Q）、揚程（H）的關(guān)系曲線如圖1所示。在圖1中，曲線①表示水泵在n1，上轉(zhuǎn)速下流量、揚程之間的關(guān)系：曲線②表示水泵在n2轉(zhuǎn)速下流量、功率之間的關(guān)系；曲線③、④為水管阻力的特性；曲線⑤表示水泵在n2轉(zhuǎn)速下流量、揚程之間的關(guān)系。

圖1 水泵流量（Q）揚程（H）關(guān)系曲線圖

我們假設(shè)水泵上作點在A點時效率最高，此時水流輸出量（Q）為100%，此點水泵的軸功率（P1）與A、H1、Q、Q1的面積成正比，根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)上藝標準，當(dāng)水泵的輸出流量從Q上縮小至Q2時，如果直接調(diào)節(jié)水泵的閥門，則可能使得管阻曲線從③變成④，這樣可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的最佳上作效率山A點移至B點，而水泵的揚程也會增加，水泵的軸功率（P2）與B、H2、Q、Q2的面積成正比：若采用變頻器進行合理控制，水泵的轉(zhuǎn)速由n1上下降至n2，在滿足Q2的基礎(chǔ)上，大幅度降低水泵的揚程（H3），此時水泵的軸功率（P3）與C、H3、Q、Q2的面積成正比關(guān)系通過比較分析3種運行模式，可看出只明顯最小，節(jié)省的功率損耗與B、H2、H3、C成正比關(guān)系，由此可知該方案節(jié)能效果最佳。

五、應(yīng)用水泵變頻器的注意事項

變頻器應(yīng)用于水泵系統(tǒng)是一種比較經(jīng)濟、簡單的節(jié)能方式，但是在電機驅(qū)動階段采用變頻器，由于存在高次諧波，所以與工頻電源驅(qū)動相比需要特別注意電機運行中的變頻浪涌電壓、升溫等問題。

（一）浪涌電壓損壞絕緣問題

變頻器的電源可能會引發(fā)浪涌電壓，且影響電機線圈的絕緣，此時應(yīng)對電機各線圈之間的絕緣、絕緣強度的相容性采取必要的保護措施，當(dāng)在水泵系統(tǒng)中運用變頻器驅(qū)動時，電機絕緣的壽命一般為：4萬5H，大概為15年左右，由于傳統(tǒng)的工頻驅(qū)動電機中并沒有浪涌電壓保護裝置，若對400V的電機更換變頻器驅(qū)動，可能會因為變頻器出現(xiàn)浪涌電壓而導(dǎo)致絕緣性能惡化甚至燒毀。因此，在更換變頻器驅(qū)動時建議同步更換電動機。

（二）升溫問題

運用變頻器驅(qū)動的電機受高次諧波影響可能會增加損耗，電流量增加10%，溫度則升高20%，電機的轉(zhuǎn)子軸端一般都裝有冷卻風(fēng)扇，若處于低頻運轉(zhuǎn)狀態(tài)，冷卻效果也會明顯下降。從常規(guī)情況來看，電機的冷卻風(fēng)量與升溫形成的冷卻效果之間的關(guān)系為；若電機呈現(xiàn)出相同損耗時，機身溫度上升值與轉(zhuǎn)速成反比、若電機在工頻以高速運轉(zhuǎn)，由于電機處于恒定功率輸出狀態(tài)，電流量隨著頻率的升高而降低，且提高了冷卻效果，因此不會出現(xiàn)明顯的升溫問題。

六、結(jié)束語

隨著傳統(tǒng)的直流調(diào)速、模擬控制技術(shù)逐漸被交流調(diào)速、計算機自動化控制技術(shù)所替代，交流電動機的變頻器技術(shù)已成為降低電機生產(chǎn)能耗的主要技術(shù)手段之一。變頻器技術(shù)的研發(fā)與推廣，標志著電動機技術(shù)進入了一個嶄新的發(fā)展階段。其主要利用可編程控制器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、提高功率因數(shù)，并因軟啟動性能優(yōu)良等節(jié)能優(yōu)勢被業(yè)界廣泛認定為最佳的調(diào)速控制裝置，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

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