一、 引言

　　隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越關(guān)心我們賴以生存的地球，世界上大多數(shù)國(guó)家也充分認(rèn)識(shí)到了環(huán)境對(duì)我們?nèi)祟?lèi)發(fā)展的重要性。各國(guó)都在采取積極有效的措施改善環(huán)境，減少污染。這其中為重要也是為緊迫的問(wèn)題就是能源問(wèn)題，要從根本上解決能源問(wèn)題，除了尋找新的能源，節(jié)能是關(guān)鍵的也是目前直接有效的重要措施 ，在近幾年，通過(guò)努力，人們?cè)诠?jié)能技術(shù)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上都取得了巨大的成果。

　　變頻器和軟啟動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域是越來(lái)越廣，使用也是越發(fā)頻繁。在電機(jī)和風(fēng)機(jī)的控制中，變頻調(diào)速和軟啟動(dòng)節(jié)能效果非常明顯。

　　二、 電力能耗分析

　　為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵等的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動(dòng)機(jī)的輸出功率并沒(méi)有多大改變，往往是電機(jī)在全速運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥通過(guò)節(jié)流來(lái)控制生產(chǎn)的需要，實(shí)際上是人為增加阻力辦法達(dá)到調(diào)節(jié)目的，這種節(jié)流調(diào)節(jié)方法浪費(fèi)大量電能。當(dāng)風(fēng)量減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其電動(dòng)機(jī)輸入功率迅速降低。

　　在電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，由于電機(jī)的啟動(dòng)力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機(jī)額定電流，而大的啟動(dòng)電流即浪費(fèi)電力，對(duì)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)損害也很大，增加了線損和變損。過(guò)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)械沖擊，對(duì)被帶動(dòng)的設(shè)備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。而使用軟啟動(dòng)裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，值也不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門(mén)的使用壽命。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流可從0 —— 電機(jī)額定電流逐步增加，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費(fèi)，也減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

　　三、 變頻節(jié)能分析

　　采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓，起動(dòng)電流被限制在150%額定電流以下（根據(jù)機(jī)種不同，為125%~200%）。用工頻電源直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流為6~7倍，因此，將產(chǎn)生機(jī)械電氣上的沖擊。采用變頻器傳動(dòng)可以平滑地起動(dòng)（起動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)）。起動(dòng)電流為額定電流的1.2~1.5倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為70%~120%額定轉(zhuǎn)矩；對(duì)于帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為100%以上，可以帶全負(fù)載起動(dòng)。

　　3.1變頻器的工作原理

　　變頻器的英文譯名是VFD（Variable-frequency Drive），這可能是現(xiàn)代科技由中文反向譯為英文的為數(shù)不多實(shí)例之一。（但VFD也可解釋為Vacuum fluorescent display，真空熒光管，故這種譯法并不常用）。變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。

　　交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：

　　n=60 f（1-s）/p 式（1）

　　式中 n———異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；

　　f———異步電動(dòng)機(jī)的頻率；

　　s———電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；

　　p———電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

　　由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

　　變頻器的作用是通過(guò)改變電源的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就是通常所說(shuō)的變頻調(diào)速。變頻器分為交直交、交交變頻兩大類(lèi)?！∽冾l器集成了高壓大功率晶體管技術(shù)和電子控制技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。變頻器的作用是改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，因而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜的調(diào)速控制簡(jiǎn)單化，用變頻器+交流鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)組合替代了大部分原先只能用直流電機(jī)完成的工作，縮小了體積，降低了維修率，使傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展到新階段。

　　變頻器可以優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行，所以也能夠起到增效節(jié)能的作用。根據(jù)著名變頻器生產(chǎn)企業(yè)ABB的測(cè)算，單單該集團(tuán)范圍內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)并且安裝的變頻器每年就能夠節(jié)省1150億千瓦時(shí)電力，相應(yīng)減少9,700萬(wàn)噸二氧化碳排放，這已經(jīng)超過(guò)芬蘭一年的二氧化碳排放量。

　　3.2變頻器的節(jié)能方式

　　3.2.1變頻節(jié)能：

　　為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)要求外，造成電能的浪費(fèi)，在壓力偏高時(shí)，可降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在恒壓的同時(shí)節(jié)約電能。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?N1 變到 N2時(shí)，其電機(jī)軸功率P的變化關(guān)系如下：

　　P=CN3; 式（2）

　　式中：P——主機(jī)發(fā)

　　N——主機(jī)轉(zhuǎn)速

　　C——常數(shù)

　　當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)腘1減小到N2時(shí)，其功率也從P1減小到P2。功率的變化公式式（3）

　　由此可見(jiàn)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級(jí)的節(jié)能效果。

　　如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。所隊(duì)當(dāng)所要求的流量Q減少時(shí)，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n按比例降低。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率P將按三次方關(guān)系大幅度地降低，比調(diào)節(jié)擋板、閥門(mén)節(jié)能40一50，從而達(dá)到節(jié)電的目的。

　　例如：一臺(tái)離心泵電機(jī)功率為55千瓦，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的l/2時(shí)，其耗電量為6.875千瓦，省電87.5%。

　　3.2.2動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)能：

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)的成熟，變頻器迅速適應(yīng)負(fù)載變動(dòng)，供給效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有 5000次/秒的測(cè)控輸出功能，始終保持電機(jī)的輸出高效率運(yùn)行。

　　3.2.3通過(guò)變頻自身的V/F功能節(jié)電：

　　在保證電機(jī)輸出力矩的情況下，可自動(dòng)調(diào)節(jié)V/F曲線。減少電機(jī)的輸出力矩，降低輸入電流，達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。

　　3.3.4提高功率因數(shù)節(jié)能：

　　電動(dòng)機(jī)由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)電磁作用而產(chǎn)生力矩。繞組由于其感抗作用。對(duì)電網(wǎng)而言，阻抗特性呈感性，造成功率因數(shù)很低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)椋篈C—— DC ——AC，在整流濾波后，負(fù)載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對(duì)電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)很高，減少了無(wú)功損耗。

　　四、軟啟動(dòng)節(jié)能特性：

　　軟啟動(dòng)是一種集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國(guó)外稱為Soft Starter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。軟起動(dòng)器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時(shí)改變頻率；軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)起動(dòng)時(shí)，輸出只改變電壓并沒(méi)有改變頻率。變頻器具備所有軟起動(dòng)器功能，但它的價(jià)格比軟起動(dòng)器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器是運(yùn)用串接于電源與被控電機(jī)之間的軟起動(dòng)器，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓，即為軟起動(dòng)，在軟起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。

　　在電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，由于電機(jī)的啟動(dòng)力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機(jī)額定電流，而大的啟動(dòng)電流即浪費(fèi)電力，對(duì)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)損害也很大，增加了線損和變損。采用軟啟動(dòng)后，啟動(dòng)電流可從0 —— 電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費(fèi)，也減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于空載或負(fù)載率很低時(shí)，可通過(guò)相位控制使晶閘管的導(dǎo)通角發(fā)生變化，從而改變輸入電動(dòng)機(jī)的功率，以達(dá)到節(jié)能的目的。軟啟動(dòng)器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。

　　4.1軟啟動(dòng)控制模式：

　　4.1.1限流軟起動(dòng)控制模式：電機(jī)起動(dòng)時(shí)，其輸出電壓從零迅速增加，直至輸出電流達(dá)到設(shè)定的電流限幅值Im ，然后保證輸出電流在不大于該值的情況下，電壓逐漸升高，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，旁路接觸器吸合，輸出電流迅速下降至額定電流Ie以下，完成起動(dòng)過(guò)程。如圖1所示。

　　4.1.2電壓斜坡起動(dòng)控制模式 : 當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)電流不超出額定值400%的范圍內(nèi)，軟起動(dòng)器的輸出電壓迅速上升到整定值U1，然后按設(shè)定的速率逐漸增加，電動(dòng)機(jī)隨電壓的上升不斷平穩(wěn)加速，直至達(dá)到額定電壓后，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，旁路接觸器吸合，起動(dòng)過(guò)程完成。一般而言，電壓斜坡起動(dòng)模式適用于對(duì)起動(dòng)電流要求不嚴(yán)對(duì)起動(dòng)平穩(wěn)性要求較高的場(chǎng)所。輸出特性曲線如圖2所示。

　　4.1.3突跳+限流或突跳+電壓起動(dòng)模式：圖3給出了突跳起動(dòng)模式的輸出變化波形，在某些重載場(chǎng)合下，由于機(jī)械靜摩擦力的影響而不能起動(dòng)時(shí)，可選用此種起動(dòng)模式。在起動(dòng)時(shí)，先對(duì)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)較高的固定的電壓并持續(xù)有限的一段時(shí)間，以克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦力使轉(zhuǎn)動(dòng)，然后按限制電流或電壓斜坡的方式起動(dòng)。在選用此模式前，應(yīng)先用非突跳模式起動(dòng)，若因靜摩擦力太大不能轉(zhuǎn)動(dòng)，再選用此模式，否則應(yīng)避免用此模式起動(dòng)，以減少不必要的大電流沖擊。

　　4.1.4 電流斜坡起動(dòng)模式。圖4為電流斜坡起動(dòng)模式的輸出電流波形，其中I1為限流值，T1為設(shè)置的時(shí)間值。電流斜坡起動(dòng)模式具有較強(qiáng)的加速能力，適用與兩極電動(dòng)機(jī)，也可在一定范圍內(nèi)縮短起動(dòng)時(shí)間。

　　五、變頻節(jié)能使用誤區(qū)

　　變頻器在工頻下運(yùn)行，具有節(jié)電功能，是事實(shí)。但是他的前提條件是：，大功率并且為風(fēng)機(jī)/泵類(lèi)負(fù)載；第二，裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）；第三，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個(gè)條件。除此之外，無(wú)所謂節(jié)不節(jié)電，沒(méi)有什么意義。一般交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線是一定的，理論和實(shí)際都已證明，當(dāng)負(fù)載功率小于電動(dòng)機(jī)的額定功率時(shí)，其效率隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減少而降低，也就是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)會(huì)相對(duì)費(fèi)電。而變頻器會(huì)根據(jù)負(fù)載的大小自動(dòng)調(diào)整V/f值（其中V為電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓，f為定子繞組的電壓變化頻率），改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，使其與負(fù)載相適應(yīng)，從而使效率得到提高，達(dá)到節(jié)能之目的。

　　六、結(jié)束語(yǔ)

　　電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。國(guó)家發(fā)展規(guī)劃要求，當(dāng)前應(yīng)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，即風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等通用機(jī)械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施，工業(yè)機(jī)械采用交流電動(dòng)機(jī)變頻工藝調(diào)速技術(shù)。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是目前中國(guó)節(jié)能市場(chǎng)上商業(yè)潛力的領(lǐng)域。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，完全成熟的技術(shù)，也使其應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。它是通過(guò)變頻調(diào)速改變軸輸出功率，達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。