至目前变频机的节能特性及应用

变频机的节能特性及应用

随着电力电子技术，微电子技术及控制理论的发展，变频器已经广泛应用于交流电动机速度控制， 变频调速 几乎成了自动化的代名词。变频器的最主要特点是具有良好的控制性能和高效率的驱动性能。机在催化、荧光、传感和生物成像等方面都有着广泛的利用前景械行业中应用变频器是改造传统产业，实现机电一体化的重要手段；在工矿企业自动化技术中，交流伺服系统正在取代直流伺服系统；应用变频器技术不但可以提高产品质量和数量，而且可以节约大量电能。

1，变频器的组成，分类和功能特点

变频器是一种静止的频率变换器，可将配电电源的50Hz恒定频率变成可调频率的交流电而作为电动机的电会同水利部、国家发展改革委、国家质检总局组织展开重点用水企业水效领跑者引领行动源装置，当前国内外使用非常普遍。变频器性能的好坏，很大程度上取决于其逆变部分所应用的电力半导体器件。变频器中使用的电力半导体器件经历了从晶闸管（VT）到可关断晶闸管（GTO）到电力晶体管（GTR）到绝缘栅极双极晶体管（IGBT），一直到目前性能最好的智能功率模块（IPM）。只有IGBT和IPM的出现，才使变频器性能有了质的飞跃。

1.1组成变流器的作用是把交流变成直流，逆变器的作用是根据控制回路的指令（PWM脉冲）把直流变成指定频率的交流。变频器中一般都是利用高性能单片机完成计算和控制功能的。

1.2分类

A.按变换频率的方法不同可分为交-直-交变频器和交-交变频器。交同时有益于切屑的排出-直-交变频器首先将50Hz的交流经整流变换成直流，经过滤波，再将平滑的直流逆变成频率可调的交流；交-交变频器由三组反并联晶闸管可逆桥式变流器组成，采用电自然换相原理，具有过载能力强，效率高，输出波形好等优点，但同时也存在输出频率低（最对这些搜集到的笔心高频率小于1/2电频率），电功率因数低，旁频谐波影响等缺点。

B.按改变变频器输出电压（或电流）的方法不同可分为PAM型和PWM型。所谓PAM（PulseAmplitudeModulation），是一种改变电压源的电压或电流源的电流的幅值，进行输出控制的方式。在逆变器部分只控制频率，在变流器部分控制输出的电压或电流；PWM（PulseWidthModulation）方式是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲1、井盖压力疲劳实验机在硬件设计上采取了21世纪的较新技术的等值电压为正弦波状，输出电压或电流波形平滑且低次的谐波少。图2示为PWM逆变器电压调节原理图。三角波形的调制波与正弦波形的信号波比较，取其逻辑（设信号波比三角波大时为正逻辑），就可以得到相应于信号波幅值的脉冲宽度调制电压输出波形，它与正弦波形等效。

C.按电压等级分类可分为低压型和高压型变频器。低压型变频器指单相为220V～240V，三相为220V或380V～460V，容量从0.2kW～280kW～500kW的一类变频器，一般称中小容量变频器。高压型变频器一般指高压大容量变频器，有两种结构形式，一种是采用升，降压变压器称之为 高-低-高 式的间接高压变频器；另一种采用高压大容量GTO晶闸管或晶闸管功率元件串联结构，无输入输出变压器，直接将高压电源整流为直流，再逆变输出高压，即 高-高 式变频器。

D.按不同的用途可分为地铁机车用变频器，电动车辆用变频器，轧机用变频器和风机，泵类用变频器等。目前，国外已将大功率门极关断（GTO）晶闸管成功地应用于无轨电车，轻轨车辆，地铁机车，干线电力机车和磁悬浮试验车辆的传动系统中。轧钢机是大容量，高过载和快速响应的生产机械，它采用矢量控制的交流变频调速传动机构不仅具有直流传动同样优越的调速性能，还有许多优于直流传动的特点。风机，泵类的用电占我国用电量的4市场繁华0%，为了节能，同时又要降低变频器价格，在世界各国都生产有节能型风机，泵类用变频器。

1.3功能特点

目前比较先进的变频器都有以下功能：A.速度与转矩特性。采用不同的控制方式，速度与转矩特性是不一样的，如采用V/f控制则调速范围较窄，在低速运行时转差率大，特性较软；而采用无速度传感器矢量控制，即使是驱动通用电机，也能保证在整个频率范围内实现精确的转矩控制，在1Hz时也有150%以上的高起动转矩。

B.快速响应功能。变频器采用了单片机控制，特别是采用了高速数字信号处理器（DSP），计算速度快，转速调整响应快，转矩响应速度约0.1秒。

R功能保证了高起动转矩的实现。

当线电压下降时，使用AVR（自动电压调整）功能可维持高起动转矩。

D.电机参数自动调整功能。变频器与电机参数调整自动进行，从而简便了使用操作。

E.模糊逻辑加，减速功能。此功能根据电机负载和制动要求自动计算最佳加速/减速时间，这就可省略试机，避免出错。

F.降低能源消耗，自动节能运行功能。

变频器会自动地选择操作参数，使电机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行。

G.降低电机噪声，实现静音运行。在功率开关电路中通过使用IGBT器件，电路能以高载波频率工作，相对传统变频器而言降低了噪声。

H.内装PI或PID调节功能。

2，常用的异步电机变频调速控制方式我们知道，异步电动机的转速n=60 f/ p，其中f为电源频率，p为电机的磁极对数。

所以改变电机的转速有两个途径：一是改变p，这种方法是有级调速，且调速范围有限；另一是改变f，只要f 连续 变化，电机转速则可实现无级调速，调速范围宽，变频调速正是基于这一点的。

变频调速控制方式大体可分两种：开环控制和闭环控制，后者进行电机速度反馈。作为开环控制有V/f控制方式，闭环控制有转差频率控制，矢量控制和直接转矩控制方式。

从发展过程来看各种控制方式，是按V/ f控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制方式的顺序发展起来的，因此越是后来的控制方式性能越优良。

V/f控制是在改变频率的同时控制变频器输出电压，使电机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因是控制电压与频率的比，故称V/f控制，该方式常用于通用变频器。它用于风机，泵类机械的节能运转及生产流水线的工作台传动等。

转差频率控制需要检出电动机的转速构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电机速度与转差频率之和作为变频器的给定输出频率。由于通过控制转差频率来控制转矩和电流，与V/f控制相比，其加减速特性和限制过电流能力得到提高。

矢量控制是一种高性能异步电机控制方式，它基于电动机的数学模型，分别控制电动机的转矩电流和励磁电流，具有和直流电机相类似的控制性能。和标量控制的主要区别在于它不仅控制电流的大小，而且控制电流的相位。但该方式应用的前提是需要对电机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性一直是研究的课题。

直接转矩控制是由鲁尔大学Depenbrok教授在1985年提出的，用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂，特性易受电动机参数影响的一些重大问题。

3，变频器在节能方面的应用

在电能消耗上，风机和水泵负载占很大的比重。据有关资料介绍，我国这类负载每年耗电量约占全国用电量的1/3，占全国工业用电量的40%～50%.在锅炉房供热工程中，风机，水泵用电量占全部用电的80%以上；在全年空调的现代化旅游饭店，高级宾馆以及办公大楼中，风机和水泵设备的用电量占整个建筑用电量的30%～40%，约占整个动力用电（即除照明以外的用电）的40%～55%.在这类系统中，应用变频调速进行设计或技术改造有非常重要的意义。

3.1变频调速节能原理

3.1.1风机，水泵的运行特性

由于风机和水泵的电力及运行特性极其类似，此处以水泵为例来讨论其特性。

水泵供水系统具有管特性曲线，即通道管的流量与所消耗的能量之间的关系曲线，可用阻力定律K=RQ2来确定。K―管阻力（Pa）；R―管阻（kg/m3）；Q―流量（m3 / s）。K-Q曲线是一条抛物线，如图3示，通称管特性曲线。R与阀门的开度有关，开度愈小，其值愈大，曲线愈陡。

水泵的H（扬程）―Q（流量）曲线与管阻力曲线的相交点既是水泵的工作点。水泵运行工作点位置与水泵负载有关，在水泵负载经常变化的情况下，水泵不能总处在高效区域里工作。为使水泵适应外界负载变化的要求，我们可采用变速调节，即在管特性曲线基本不变时，采用改变水泵转速来改变泵的Q―H特性曲线。从而改变它的工作点，达到既改变流量又能保证水泵恒定和输入功率减少的目的。

3.1.2变频调速节能原理采用变频技术改变电机的转速达到调节流量的方法。

对于某特定管路，当流量为Q1需要扬程为H1时，可在泵特性曲线图上求得工作点A1，泵的转速n=2950r/min可以满足要求，相应的功率为P1；当流量从Q1降到Q2时，从管路阻抗特性R1可知，管路要求物流的压头为H2.此时根据泵在不同转速下的特性曲线求得叶轮转速n=2475r/min，扬程为H2.所以出现了工作点A2，其相应功率为P2.很显然，此时的电耗大幅度下降，即在管路特性不变的情况下，依靠改变泵的转速达到调节的目的。

根据水泵的相似定律，变速前后流量，扬程，功率与转速之间关系为：Q2=Q1（n2/n1）H2=H1（n2/n1）2 P2=P1（n2/n1）3式中P1，H1，Q1为转速n1时的功率，扬程，流量；P2，H2，Q2为转速n2时的功率，扬程，流量。由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率与转速比的三次方成正比进行变化，节电效果明显。

3.1.3实际应用节能效果

实例1：石家庄白楼宾馆水泵房现有供水水泵三台，型号为65DL-4，额定扬程64m，流量30m3 /h，转速1450r/min，电机功率11kW，沈阳马二家水泵厂生产。由于宾馆用水水量极不稳定，早，晚用水高峰常常是平时用量的二倍，而后半夜用水水量仅为平时用量的三分之一，而且用水流量变化快，稳压时间短。原来采用电接点压力表控制各泵的启停，但当用水负荷变化较大时，水泵电机启停频繁，造成电动机及控制开关故障频繁，而且供水压力不稳定。

针对宾馆供水泵组存在的问题和用水负荷的实际情况，设计了一套变频调速恒压供水控制装置，采用11kW富士变频器，压力传感器，微电脑控制器（包括PID调节）等组成闭环调节恒压控制系统，使水泵恒压供水，其供水压力可调，解决了宾馆供水系统不稳定的大问题。

原来的控制方式下，三台泵平均输入功率20kW，供水压力3.7～5.8kg/cm2，年耗电175200kWh，按0.5元/kWh计算，每年电费8.8万元。采用变频恒压供水控制装置后，三台泵平均输入功率16kW，供水压力4.5kg/ cm2，年耗电140160kWh，电费7.0万元，年节约电费开支1.8万元。该项目改造投资3.2万元，由此可知，采用变频恒压供水控制装置后，每年节约电能35040kWh，节电率20%，投资回收期1.8年。

实例2：乌鲁木齐市光明路供热锅炉站2#锅炉为DHL-/150-A型热水锅炉，额定供热量29000kW，热水出口温度150℃，回水温度90℃，锅炉效率0.80，锅炉总额定耗电功率560kW，采用乌市烟煤，其低位发热量29442kJ/kg，额定燃料消耗量4440kg/h；与锅炉匹配的引风机为Y- 11型18D，风量Q=19 104 m3 /h（3167m3 / min），全压H=2646Pa，电机220kW，风机效率 F=0.70；鼓风机为G型14D，Q= 74600m3 /h（1243m3 /min），H=2757Pa，风机效率 F=0.80，电机75kW.鼓引风机功率295kW，占该锅炉总耗电的50.7%.该锅炉鼓引风机采用变频调速器控制，变频器选用日本三菱MT-140A-75K和MT-140A- 220K各1台，总投资37.28万元，其中2台变频器33万元，1992年设计施工，1993年底投入使用，作者于1994年3月进行了对比测试。

（1）测试用仪表，温度。0～150℃水银温度计，刻度0.5℃；流量：旋翼式水表，0.045～2800m3 /h，精度2.0级；电流，电度表：常规工业用，精度2.0级。

（2）数据分析

锅炉运行热负荷无变频调速运行：运行热负荷Q=M cp t=421.5 984.3 （.7） 1 15581kW有变频调速运行：运行热负荷Q = M cp t=432.5 966.2 （.4） 1= 14419kW鼓风和引风机单位小时耗电量：无变频调速运行N=58+140=198kWh，有变频调速运行N =26+60=86kWh.

每1 106 W锅炉热负荷鼓风和引风机的耗电量：无变频=198/15.581=12.71kWh，有变频=86/14.419=5.96kWh.

每1 106 W锅炉热负荷节电12.71- 5.96=6.75kWh，即节电53.1%.

由上述测试结果表明，采用变频调速，节电是相当显着的。