摘 要：本文介紹了用電設備的能耗現(xiàn)狀和構成，通過計算詳細闡述了變頻和軟啟動的節(jié)能原理。并列舉變頻器在風機和水泵控制中的節(jié)能優(yōu)勢和電機軟啟動有效抗擊電網(wǎng)尖峰電壓的過程。

關鍵詞：變頻器 軟啟動 節(jié)能

一、 引言

隨著工業(yè)化腳步的加快，節(jié)能降耗的形式越來越嚴峻，一些能降低工業(yè)損耗的電子產(chǎn)品都涌現(xiàn)出來。變頻器和軟啟動器的應用領域是越來越廣，使用也是越發(fā)頻繁。在電機和風機的控制中，變頻調(diào)速和軟啟動節(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)機械在設計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在生產(chǎn)過程中，由于電機的負荷變化范圍很大，必須實時調(diào)節(jié)風機水泵等的流量。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，而電動機的輸出功率并沒有多大改變，往往是電機在全速運行，調(diào)節(jié)閥通過節(jié)流來控制生產(chǎn)的需要，實際上是人為增加阻力辦法達到調(diào)節(jié)目的，這種節(jié)流調(diào)節(jié)方法浪費大量電能。當風量減少風機轉速下降時，其電動機輸入功率迅速降低。例如風量下降到80%，轉速n也下降到80%時，其軸功率則下降到額定功率51%;若風量下降到50%，軸功率將下降到額定功率13%，其節(jié)電潛力非常大。

在電機全壓啟動時，由于電機的啟動力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機額定電流，而大的啟動電流即浪費電力，對電網(wǎng)的電壓波動損害也很大，增加了線損和變損。過大的起動轉矩產(chǎn)生機械沖擊，對被帶動的設備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。造成機械傳動部件的非正常磨損及沖擊，加速老化，縮短壽命從而增加維護工作量。電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用軟啟動裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設備的維護費用。電機啟動時啟動電流可從0 —— 電機額定電流逐步增加，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費，也減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。

三、 變頻節(jié)能分析

3.1變頻器的工作原理

交流電動機的同步轉速表達式位：

n=60 f（1-s）/p 式（1）

式中 n———異步電動機的轉速;
f———異步電動機的頻率;
s———電動機轉差率;
p———電動機極對數(shù)。

由式（1）可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(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改變電源的頻率來改變電機的轉速，也就是通常所說的變頻調(diào)速。變頻器分為交直交、交交變頻兩大類。目前交直交變頻使用比較廣泛，它由順變器、中間濾波環(huán)節(jié)、逆變器三部分組成。順變器的作用是將定壓定頻的交流電變換為可調(diào)直流電，通過電壓型或電流型濾波器為逆變器提供直流電源。逆變器將直流電源變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電。順變器和逆變器都是晶閘管三相橋式電路。濾波器由電容或電抗器組成，為逆變器提供穩(wěn)定的電壓源或電流源。

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)機械在設計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高時，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時節(jié)約電能。當電機轉速從 N1 變到 N2時，其電機軸功率P的變化關系如下：

P=CN3; 式（2）

式中：P——主機發(fā)
N——主機轉速
C——常數(shù)

當電機轉速從N1減小到N2時，其功率也從P1減小到P2。功率的變化公式式（3）

由此可見降低電機轉速可得到立方級的節(jié)能效果。

如果水泵的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。所隊當所要求的流量Q減少時，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關系大幅度地降低，比調(diào)節(jié)擋板、閥門節(jié)能40一50，從而達到節(jié)電的目的。

例如：一臺離心泵電機功率為55千瓦，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8%，當轉速下降到原轉速的l/2時，其耗電量為6.875千瓦，省電87.5%。

3.2.2動態(tài)調(diào)整節(jié)能：

隨著電子技術的發(fā)展，變頻器技術的成熟，變頻器迅速適應負載變動，供給最大效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設有 5000次/秒的測控輸出功能，始終保持電機的輸出高效率運行。

3.2.3通過變頻自身的V/F功能節(jié)電：

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

3.3.4提高功率因數(shù)節(jié)能：

電動機由定子繞組和轉子繞組通過電磁作用而產(chǎn)生力矩。繞組由于其感抗作用。對電網(wǎng)而言，阻抗特性呈感性，電機在運行時吸收大量的無功功率，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?a target="_blank">AC—— DC ——AC，在整流濾波后，負載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)很高，減少了無功損耗.

四、軟啟動節(jié)能特性：

在電機全壓啟動時，由于電機的啟動力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機額定電流，而大的啟動電流即浪費電力，對電網(wǎng)的電壓波動損害也很大，增加了線損和變損。采用軟啟動后，啟動電流可從0 —— 電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費，也減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。軟啟動控制器可以根據(jù)電動機功率因數(shù)的高低，自動判斷電動機的負載率。當電動機處于空載或負載率很低時，可通過相位控制使晶閘管的導通角發(fā)生變化，從而改變輸入電動機的功率，以達到節(jié)能的目的。軟啟動器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數(shù)時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。

4.1軟啟動控制模式：

4.1.1限流軟起動控制模式：電機起動時，其輸出電壓從零迅速增加，直至輸出電流達到設定的電流限幅值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，電動機逐漸加速，當電動機達到額定轉速時，旁路接觸器吸合，輸出電流迅速下降至額定電流Ie以下，完成起動過程。如圖1所示。

4.1.2電壓斜坡起動控制模式 : 當電動機起動時，在電動機電流不超出額定值400%的范圍內(nèi)，軟起動器的輸出電壓迅速上升到整定值U1，然后按設定的速率逐漸增加，電動機隨電壓的上升不斷平穩(wěn)加速，直至達到額定電壓后，達到額定轉速，旁路接觸器吸合，起動過程完成。一般而言，電壓斜坡起動模式適用于對起動電流要求不嚴對起動平穩(wěn)性要求較高的場所。輸出特性曲線如圖2所示。

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

4.1.4 電流斜坡起動模式。圖4為電流斜坡起動模式的輸出電流波形，其中I1為限流值，T1為設置的時間值。電流斜坡起動模式具有較強的加速能力，適用與兩極電動機，也可在一定范圍內(nèi)縮短起動時間.

五、變頻節(jié)能使用誤區(qū)

變頻器在工頻下運行，具有節(jié)電功能，是事實。但是他的前提條件是：第一,大功率并且為風機/泵類負載;第二，裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）;第三，長期連續(xù)運行。這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個條件。除此之外，無所謂節(jié)不節(jié)電，沒有什么意義。一般交流電動機的機械特性曲線是一定的，理論和實際都已證明，當負載功率小于電動機的額定功率時，其效率隨著負載轉矩的減少而降低，也就是說，電動機輕載時會相對費電。而變頻器會根據(jù)負載的大小自動調(diào)整V/f值（其中V為電動機定子繞組的電壓，f為定子繞組的電壓變化頻率），改變電動機的機械特性曲線，使其與負載相適應，從而使效率得到提高，達到節(jié)能之目的。

六、結束語

電機系統(tǒng)節(jié)能是國家發(fā)改委啟動的十大重點節(jié)能工程之一。國家發(fā)展規(guī)劃要求，當前應推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術，即風機、水泵、壓縮機等通用機械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施，工業(yè)機械采用交流電動機變頻工藝調(diào)速技術。電機系統(tǒng)節(jié)能是目前中國節(jié)能市場上最具商業(yè)潛力的領域。變頻技術隨著微電子學、電力電子、計算機和自動控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進入了一個嶄新的時代,完全成熟的技術，也使其應用進入了一個新的高潮。它是通過變頻調(diào)速改變軸輸出功率，達到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。

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