毛波濤 李艷華 翟紅星

（河南能源化工集團(tuán)洛陽(yáng)永龍能化有限公司，河南 洛陽(yáng)471100）

0 引言

隨著傳統(tǒng)的直流調(diào)速、模擬控制技術(shù)逐漸被交流調(diào)速、計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)所替代，交流電動(dòng)機(jī)的變頻器技術(shù)已成為降低電機(jī)生產(chǎn)能耗的主要技術(shù)手段之一。變頻器技術(shù)的研發(fā)與推廣，標(biāo)志著電動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。其主要利用可編程控制器來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、提高功率因數(shù)，并因軟啟動(dòng)性能優(yōu)良等節(jié)能優(yōu)勢(shì)被業(yè)界廣泛認(rèn)定為最佳的調(diào)速控制裝置，因此具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。

1 變頻器的基本組成

交流電機(jī)中應(yīng)用的變頻器裝置主要分為4個(gè)部分，每個(gè)部分的具體功能如下：

1.1 整流器

整流器是變頻器最主要的構(gòu)件之一。目前，我國(guó)常用變頻器中的整流器均采用二極管變流器，其可以將工頻交流電直接轉(zhuǎn)化為直流電。當(dāng)然，也可以采用兩組晶體管變流器組建一個(gè)可逆的變流器，該變流器可實(shí)現(xiàn)功率方向的可逆性，也就是可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的再生運(yùn)轉(zhuǎn)功能。

1.2 濾波電路

直流電經(jīng)整流器處理后可形成一個(gè)脈動(dòng)電壓（相對(duì)于電源的6倍頻率），逆變器中產(chǎn)生的電流也可導(dǎo)致直流電出現(xiàn)變動(dòng)。因此，為確保應(yīng)用時(shí)電壓能夠處于一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，可使用電容或電感對(duì)產(chǎn)生的脈動(dòng)電壓進(jìn)行吸收處理；如果電機(jī)過(guò)小，由于電源、主電路的器件中仍然有余量，這樣可直接去掉電感而選用濾波電路。

1.3 逆變器

逆變器的功能與整流器是相反的，主要功能是將整流器處理后的直流電轉(zhuǎn)化為可滿足異步電機(jī)運(yùn)行要求（電壓、頻率）的交流電。

1.4 控制電路

在變頻器中控制電路主要是根據(jù)相關(guān)回饋信號(hào)對(duì)整流器、逆變器輸出的電壓、頻率實(shí)現(xiàn)合理控制，目的在于為異步電機(jī)提供合適的交流電源。

2 變頻器節(jié)能技術(shù)原理

變頻器技術(shù)是集微電子技術(shù)、變頻技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)系統(tǒng)，其利用計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、電子電力技術(shù)來(lái)保證電機(jī)始終處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)電機(jī)的自動(dòng)加速、減速運(yùn)行實(shí)現(xiàn)有效控制，提高電機(jī)的運(yùn)行效率并降低電機(jī)的能耗，同時(shí)對(duì)較強(qiáng)的過(guò)壓、過(guò)流也可起到一定保護(hù)作用。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，交流電機(jī)的變頻器節(jié)能方式主要分為以下2種：

2.1 軟啟動(dòng)節(jié)能方式

目前，異步電機(jī)的啟動(dòng)方式主要分為直接啟動(dòng)、全壓?jiǎn)?dòng)、Y／D啟動(dòng)，在啟動(dòng)電壓可達(dá)到額定電壓的5倍左右，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電流損耗，且增加電路的功率損耗，并對(duì)電機(jī)設(shè)備、企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大沖擊，最終將損壞電機(jī)自身線路及影響同一線路上其他設(shè)備正常運(yùn)行。

為了解決電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能源浪費(fèi)、電容增加等問題，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可運(yùn)用變頻器的軟啟動(dòng)節(jié)能方式，其可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流量從0逐漸升至額定值，且保證在電流量上升時(shí)產(chǎn)生的最大電流值始終在額定值范圍內(nèi)，從而降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功率損耗，緩解電機(jī)啟動(dòng)對(duì)企業(yè)電網(wǎng)的沖擊，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的效果。

2.2 變頻節(jié)能方式

企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備容量選擇不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，可能造成能量浪費(fèi)。我們都知道，電機(jī)功率＝壓力×流量，其中流量與壓力成反比，流量、壓力與功率成正比，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率、壓力、流量均呈正比，也就是說(shuō)當(dāng)電機(jī)的壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速下調(diào)，輸出的功率也會(huì)相應(yīng)下降，也就是電機(jī)損失的功率下降［2］。變頻節(jié)能方式可合理調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而降低電機(jī)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

3 水泵變頻器的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分析

本文選取水泵作為研究對(duì)象。水泵是一個(gè)平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載設(shè)備，我們可將轉(zhuǎn)速設(shè)置為n，流量設(shè)置為Q，揚(yáng)程設(shè)置為H，水泵軸功率設(shè)置為N，上述變量的關(guān)系式如下：

從上述公式可以看出，水泵流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)水泵時(shí)，電機(jī)的軸功率P表示如下：

式中，ρ為水的密度；ηC為工況點(diǎn)效率；ηF為傳動(dòng)效率。

水泵流量（Q）、揚(yáng)程（H）的關(guān)系曲線如圖1所示。在圖1中，曲線①表示水泵在n1轉(zhuǎn)速下流量、揚(yáng)程之間的關(guān)系；曲線②表示水泵在n1轉(zhuǎn)速下流量、功率之間的關(guān)系；曲線③、④為水管阻力的特性；曲線⑤表示水泵在n2轉(zhuǎn)速下流量、揚(yáng)程之間的關(guān)系。

圖1 水泵流量(Q)、揚(yáng)程(H)關(guān)系曲線圖

我們假設(shè)水泵工作點(diǎn)在A點(diǎn)時(shí)效率最高，此時(shí)水流輸出量（Q）為100%，此點(diǎn)水泵的軸功率（P1）與A、H1、Q、Q1的面積成正比，根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)水泵的輸出流量從Q1縮小至Q2時(shí)，如果直接調(diào)節(jié)水泵的閥門，則可能使得管阻曲線從③變成④，這樣可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的最佳工作效率由A點(diǎn)移至B點(diǎn)，而水泵的揚(yáng)程也會(huì)增加，水泵的軸功率（P2）與B、H2、Q、Q2的面積成正比；若采用變頻器進(jìn)行合理控制，水泵的轉(zhuǎn)速由n1下降至n2，在滿足Q2的基礎(chǔ)上，大幅度降低水泵的揚(yáng)程（H3），此時(shí)水泵的軸功率（P3）與C、H3、Q、Q2的面積成正比關(guān)系。通過(guò)比較分析3種運(yùn)行模式，可看出P3明顯最小，節(jié)省的功率損耗與B、H2、H3、C成正比關(guān)系，由此可知該方案節(jié)能效果最佳。

4 應(yīng)用水泵變頻器的注意事項(xiàng)

變頻器應(yīng)用于水泵系統(tǒng)是一種比較經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單的節(jié)能方式，但是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)階段采用變頻器，由于存在高次諧波，所以與工頻電源驅(qū)動(dòng)相比需要特別注意電機(jī)運(yùn)行中的變頻浪涌電壓、升溫等問題。

4.1 浪涌電壓損壞絕緣問題

變頻器的電源可能會(huì)引發(fā)浪涌電壓，且影響電機(jī)線圈的絕緣，此時(shí)應(yīng)對(duì)電機(jī)各線圈之間的絕緣、絕緣強(qiáng)度的相容性采取必要的保護(hù)措施。當(dāng)在水泵系統(tǒng)中運(yùn)用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)絕緣的壽命一般為4萬(wàn)h，大概為15年左右。由于傳統(tǒng)的工頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)中并沒有浪涌電壓保護(hù)裝置，若對(duì)400V的電機(jī)更換變頻器驅(qū)動(dòng)，可能會(huì)因?yàn)樽冾l器出現(xiàn)浪涌電壓而導(dǎo)致絕緣性能惡化甚至燒毀［3］。因此，在更換變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)建議同步更換電動(dòng)機(jī)。

4.2 升溫問題

運(yùn)用變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)受高次諧波影響可能會(huì)增加損耗，電流量增加10%，溫度則升高20%。電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸端一般都裝有冷卻風(fēng)扇，若處于低頻運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，冷卻效果也會(huì)明顯下降［4］。從常規(guī)情況來(lái)看，電機(jī)的冷卻風(fēng)量與升溫形成的冷卻效果之間的關(guān)系為：若電機(jī)呈現(xiàn)出相同損耗時(shí)，機(jī)身溫度上升值與轉(zhuǎn)速成反比；若電機(jī)在工頻以高速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于電機(jī)處于恒定功率輸出狀態(tài)，電流量隨著頻率的升高而降低，且提高了冷卻效果，因此不會(huì)出現(xiàn)明顯的升溫問題。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著變頻器技術(shù)的日趨成熟，其被廣泛應(yīng)用于機(jī)電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中。在交流電機(jī)中運(yùn)用變頻器節(jié)能可實(shí)現(xiàn)軟啟、軟停，從而減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)企業(yè)同一配電線路上其他設(shè)備正常運(yùn)行的影響，并最大限度地降低對(duì)企業(yè)供電網(wǎng)絡(luò)的沖擊，同時(shí)減少電機(jī)線路的損耗，降低電機(jī)的磨損度以及設(shè)備的維修、保養(yǎng)費(fèi)用。與此同時(shí)，在變頻器的節(jié)能調(diào)速下可提升電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，提高生產(chǎn)工藝水平及生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，變頻器節(jié)能技術(shù)在我國(guó)未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中將發(fā)揮重要的作用，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

［1］侯炳耀.淺析變頻器的工作原理和節(jié)能原理［J］.今日湖北：下旬刊，2012（5）

［2］王立剛.變頻器節(jié)能技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析［J］.中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)，2010（9）

［3］張令東.變頻器節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用展望［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（16）

［4］李永鑫.變頻器節(jié)能技術(shù)原理及應(yīng)用分析［J］.電子制作，2013（5）