變頻調(diào)速的原理及電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造

　　電機(jī)是一種應(yīng)用量大、使用范圍廣的高耗能動(dòng)力設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的總裝機(jī)容量約為4億千瓦，年耗電量約為6000億kwh，約占工業(yè)用電的70—80%。我國(guó)以中小型電機(jī)為主，約占80%，而中小型電機(jī)耗損的電量卻占總損耗量的90%。電機(jī)在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用中，同國(guó)外相比差距很大，機(jī)組效率為75%，比國(guó)外低10%；系統(tǒng)運(yùn)行效率為30—40%，比國(guó)際先進(jìn)水平低20—30%。因此在我國(guó)中小型電機(jī)具有極大的節(jié)能潛力，推行電機(jī)節(jié)能勢(shì)在必行。

　　由于異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠，可用于惡劣的環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是對(duì)各行各業(yè)的泵類和風(fēng)機(jī)的拖動(dòng)上非彼莫屬，因此，拖動(dòng)泵類和風(fēng)機(jī)的電機(jī)節(jié)能工作倍受重視。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的高度發(fā)展和應(yīng)用使變頻器的節(jié)能效果更為顯著。它不但能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且在負(fù)載不同時(shí)，始終高效運(yùn)行，有良好的動(dòng)態(tài)特性，能實(shí)現(xiàn)高性能、高可靠性、高精度的自動(dòng)控制。相對(duì)于其它調(diào)速方式（如：降壓調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速、交流串級(jí)調(diào)速等），變頻調(diào)速性能穩(wěn)定、調(diào)速范圍廣、效率高，隨著現(xiàn)代控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)日臻完善，它已成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。變頻調(diào)速裝置（變頻器）已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　使用變頻器調(diào)速信號(hào)傳遞快、控制系統(tǒng)時(shí)滯小、反應(yīng)靈敏、調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制精度高、使用方便、有利于提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，因而使用變頻器是廠、礦企業(yè)節(jié)能降耗的首選產(chǎn)品。

　　變頻電機(jī)節(jié)電器是一種革命性的新一代電機(jī)專用控制產(chǎn)品，基于微處理器數(shù)字控制技術(shù)，通過其內(nèi)置的專用節(jié)電優(yōu)化控制軟件，動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)運(yùn)行工程中的電壓和電流，在不改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的條件下，保證電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)荷需求精確匹配，從而有效避免電機(jī)因出力過度造成的電能浪費(fèi)。

　　交流電動(dòng)機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的電機(jī)，約占各類電動(dòng)機(jī)總數(shù)的85%，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉、不需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但它的弱點(diǎn)是調(diào)速困難，因而在許多應(yīng)用場(chǎng)合受到限制或借助機(jī)械方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

　　變頻器就負(fù)載類型而言主要有兩方面的典型應(yīng)用：1、恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用；2、變轉(zhuǎn)矩應(yīng)用。就應(yīng)用的目的而言主要有：1、以改進(jìn)工藝為主要目的，確保工藝過程中的最佳轉(zhuǎn)速、不同負(fù)載下的最佳轉(zhuǎn)速以及準(zhǔn)確定位等。以其優(yōu)良的調(diào)速性能，提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高舒適性，使設(shè)備合理化，適應(yīng)或改善環(huán)境等。2、以節(jié)能為主要目的——以流量或壓力需要調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)、泵類機(jī)械的轉(zhuǎn)速控制來實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造效果非常顯著。

　　二、變頻調(diào)速的原理

　　在企業(yè)所使用的耗電設(shè)備中風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、液壓油泵、循環(huán)泵等電機(jī)類負(fù)載占絕大多數(shù)。由受到技術(shù)條件限制，這類負(fù)載的流量、壓力或風(fēng)量控制系統(tǒng)幾乎全部是閥控系統(tǒng)，即電機(jī)由額定轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)提供的流量、壓力或風(fēng)量恒定，當(dāng)設(shè)備工作需求發(fā)生變化時(shí)，由設(shè)在出口端的溢流、溢壓閥或比例調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)負(fù)載流量、壓力或風(fēng)量、從而滿足設(shè)備工況變化的需要。而經(jīng)溢流溢壓閥或比例調(diào)節(jié)閥溢流溢壓后，會(huì)釋放大量的能量，這部分耗散的能量實(shí)際上是電機(jī)從電網(wǎng)吸收能量中的一部分，造成了電能極大的浪費(fèi)。從這類負(fù)載的工作特性可知，其電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速立方成正比，而轉(zhuǎn)速又與頻率成正比。如果我們改變電機(jī)的工作方式，讓它不總是在額定工作頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)，而是改由變頻調(diào)整控制系統(tǒng)進(jìn)行啟?？刂坪驼{(diào)整運(yùn)行，則其轉(zhuǎn)速就可以在0~2900r/min的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，即輸出的流量、壓力或風(fēng)量也隨之可在0~100%范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，使之與負(fù)載的工作需要求精確匹配，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

　　交流電機(jī)轉(zhuǎn)速如下：n=60f（1-s）/p

　　式中：n=電機(jī)轉(zhuǎn)速

　　f=電源頻率

　　p=電機(jī)的極對(duì)數(shù)

　　s=轉(zhuǎn)差率

　　由式可見，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，所以改變電源頻率就能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。

　　三、變頻調(diào)速節(jié)電原理

　　變頻調(diào)速節(jié)電，顧名思義，變頻調(diào)速才能節(jié)電。下面主要對(duì)兩類典型負(fù)載應(yīng)用的節(jié)電原理作一下分析。

　?。?）、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載類應(yīng)用

　　恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載即不管轉(zhuǎn)速如何變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩是恒定的。

　　如下公式：P=K*T*N

　　K=系數(shù)

　　P=軸功率

　　T=負(fù)載轉(zhuǎn)矩

　　N=轉(zhuǎn)速

　　從上述公式可以看到，軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)由于工藝的需要而調(diào)整電機(jī)速度時(shí)，自然可以達(dá)到相應(yīng)比例節(jié)電的目的。

　?。?）、變轉(zhuǎn)矩負(fù)載類應(yīng)用

　　離心風(fēng)機(jī)、泵類是屬于典型的變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其工作特點(diǎn)是：大多數(shù)是長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以一旦轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，就會(huì)造成電機(jī)的嚴(yán)重過載，因此風(fēng)機(jī)、泵類一般不超過額定頻率運(yùn)行。