變頻器是電力電子科學的具體體現(xiàn),是利用電力電子半導體器件的通斷作用來實現(xiàn)電力電能大功率的變換及控制的電子電路裝置,本文就變頻器應用在電動機中的工作原理及節(jié)能原理進行了簡要闡述。

　　前言

　　知道變頻調(diào)速的人已經(jīng)相當?shù)钠毡榱?但是大多數(shù)人一提起變頻調(diào)速,總是能和節(jié)能掛起鉤來。近年來,盡管我國在能源開發(fā)方面進展迅速,但還是跟不上需求的增長,節(jié)能問題始終處于相當突出的位置。宣鋼煉鋼廠經(jīng)過多次理論考證,以及在五六號轉爐的應用，在150T轉爐除塵風機、水泵、振動給料采用了大量變頻器,為我國的節(jié)能事業(yè)做出一定貢獻。

　　1 變頻器的工作原理

　　變頻器主要由模塊，CPU控制板，電源驅(qū)動板組成，見圖。

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　　我們知道,交流電動機的同步轉速表達式位:n=60f(1-s)/p(1)式中n為異步電動機的轉速;f為異步電動機的頻率;s為電動機轉差率;p為電動機極對數(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,若什么時候都認為電動機只要用了變頻器就可以節(jié)能,那就有些太牽強了。變頻器是電力電子科學的具體體現(xiàn),是利用電力電子半導體器件的通斷作用來實現(xiàn)電力電能大功率的變換及控制的電子電路裝置,即電力電路實現(xiàn)電子化,可直觀地進行控制和顯示。由于變頻器的這個優(yōu)越性,使得其適用領域越來越寬廣,所采用技術也不斷拓寬,同時也為追求變頻器的小型化,人們也一直在不斷和減少元器件的發(fā)熱做斗爭。由于新一代的IGBT采用了漏極-控制極新技術,是集電極-射極簡的飽和電壓(Ucesat)大為降低,因而采用這種新器件損耗低,有降低發(fā)熱消除損耗的效果。

　　380V小容量通用變頻器目前應用較為廣泛,但用電量比較大,節(jié)能效果***為顯著的還是高壓大容量變頻器。隨著變頻調(diào)速技術的發(fā)展,作為大容量傳動的高壓變頻調(diào)速技術得到了廣泛的應用,使用范圍基本上覆蓋了我國各主要行業(yè),如:電力、冶金、石油、化工、造紙等。產(chǎn)品電壓等級包括3kV、6kV和 10kV以及油田專用潛油電泵使用的1,600V-2,400V產(chǎn)品,基本可拖動風機、水泵、壓縮機等各類負載。高壓電動機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調(diào)速,既可滿足生產(chǎn)工藝過程對電動機調(diào)速控制的要求,又可大幅度的節(jié)約能源,降低生產(chǎn)成本。隨著以GTO、IGBT、IGCT等為代表的自關斷器件的發(fā)展, 人們對各種適合高壓變頻的主電路拓撲結構的研究得到進一步深入,以DSP為代表的智能控制芯片的迅速普及,為高壓變頻調(diào)速技術應用研究也打下了堅實的基礎。高壓變頻器作為一個節(jié)約資源型的產(chǎn)品,隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,產(chǎn)品的不斷改進,概念的深入,市場的拓展,將會顯示出巨大的技術發(fā)展前景和市場需求量.相應地,對變頻器的節(jié)能要求也相應地提高了。

　　2 變頻器的節(jié)能原理

　　2.1 變頻節(jié)能

　　變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應用上。宣鋼煉鋼廠有大量的風機類水泵類負載,這類負載由流體力學可知,p(功率)=Q(流量)×H(壓力),流量Q與轉速N的一次方成正比,壓力H與轉速N的平方成正比,功率P與轉速N的立方成正比,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。所以當所要求的流量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,轉速控制方式在低速小流量時,仍可使泵機高效率運行。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%～50%,從而達到節(jié)電的目的。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。當電機不能在滿負荷下運行時,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。風機、泵類等設備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量,其輸入功率大,且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調(diào)速時,如果流量要求減小,通過降低泵或風機的轉速即可滿足要求。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%。

　　2.2 功率因數(shù)補償節(jié)能

　　無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱,更主要的是功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低,大量的無功電能消耗線路當中,設備使用效率低下,浪費嚴重,使用變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用,從而減少了無功損耗,增加了電網(wǎng)的有功功率。

　　2.3 軟啟動節(jié)能

　　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。而使用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始,***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。

　　3 結論

　　變頻調(diào)速之所以節(jié)能,主要在于把全速運行中浪費的電能節(jié)約了下來。尤其是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),如恒壓供水系統(tǒng)等,實現(xiàn)了按需拖動,幾乎完全消除了拖動系統(tǒng)在運行過程中的浪費。這是從大的方面實現(xiàn)了節(jié)能,但并不等于節(jié)能潛力已經(jīng)挖掘干凈了。事實上,在許多場合,還存在著大馬拉小車的現(xiàn)象,在這一方面,還大有潛力。變頻器可以省電這是不可磨滅的事實,在某些情況下可以節(jié)電40%以上,但是某些情況還會比不接變頻器浪費!變頻器是通過輕負載降壓實現(xiàn)節(jié)能的, 拖動轉距負載由于轉速沒有多大變化,即便是降低電壓,也不會很多,所以節(jié)能很微弱,但是用在風機環(huán)境就不同了,當需要較小的風量時刻,電機會降低速度,我們知道風機的耗能跟轉速的1.7次方成正比,所以電機的轉距會急劇下降,節(jié)能效果明顯。當然,如果環(huán)境要求必須調(diào)速,變頻器節(jié)能效果還是比較明顯的。不調(diào)速的場合變頻器不會省電,只能改善功率因數(shù)。其實,變頻器乃至電力電子產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)的具體效果就是如下幾點:

　　1)進一步提高電能變換效率,降低待機損耗。

　　2) 避免電力公害,盡量減少電流諧波,提高功率因數(shù)。

　　3)提高電源裝置和系統(tǒng)的電磁兼容性。

　　4)降低電噪聲。

　　5)實現(xiàn)高性能可控性。宣鋼煉鋼廠除塵風機、水系統(tǒng)、給料系統(tǒng)也正是適應了變頻器的這一特性,經(jīng)過多次理論考證,采用了變頻器,為我國的節(jié)能事業(yè)做出一定貢獻。

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