變頻調速器與節約能源、環境保護

本文綜述交流電動機變頻調速技術對節能、環保、制造業（產量和質量提升）、交通牽引及家用電器的重大貢獻。

1、變頻調速

交流電動機，特別是籠型異步電動機，具有體積小、重量輕、結構簡單、維護方便、制造成本和運行費用低、能在惡劣環境下可靠運行等一系列優點。但是過去由于實現調速困難或者某些調速方式低效不夠理想，因此，長期以來在調速的領域仍被直流調速占領，交流電動機的優點在調速傳動中未能獲得發揮。直到上世紀七十年代初，隨著電力電子、微電子（集成電路）和微機技術的飛速發展，人們長期渴望的變頻調速器實現了工業化生產。

1.1 所謂變頻調速器——它將三相工頻（50Hz）交流電源（或任意電源）變換成　　三相電壓可調、頻率可調的交流電源，有時又將變頻調速器稱為變壓變頻裝置VVVF。主要用于交流電動機（異步機或同步機）轉速的調節。

1.2 一個交流電動機變頻調速系統由變頻調速器驅動器交流電動機和控制器三大部分組成。其中關鍵核心設備是變頻調速器，由它來實現電動機電壓和頻率的平滑變化。

1.3 變頻調速在調頻范圍、靜態精度、動態品質、系統效率、完善的保護功能、容易實現自動控制和過程控制等諸方面是以往的調壓調速、變調速、串級調速、滑差調速和液力耦合器調速等無法比擬的。它是公認的交流電動機理想有前途的調速方案，代表今后電氣傳動的發展方向。

1.4 近三十多年來變頻調速已在鋼鐵、冶金、石油、化工、紡織、化纖、輕工、造紙、橡膠、塑料、電力、水務等行業中得到廣泛應用。低壓電動機變頻調速應用已非常普及和成熟。高壓電動機變頻調速也正在被人們關注和逐步應用。交流電動機變頻調速除了有卓越的調速性能之外，還有顯著的節約電能和保護環境等重大作用，是企業技術改造和產品更新換代的理想調速裝置。

2、變頻調速與風機水泵節能

2.1 電力供應與需求矛盾（供不應求）存在較大電力缺口，需要節電。

根據有關部門統計，2002年我國發電裝機容量319億kW，年發電量13466億kWH。雖然電力規模列世界第二位，但人均用電量卻為世界倒數位置。況且我國經濟快速發展需求更多的電力。若按國民經濟增長8%要求電力增長11%計算，到2010年我國發電容量應為5.7~6.0億kW，年發電量達28000~29000億kWH。2003年夏季持續高溫造成部分省市電力供應緊張，被迫采取拉閘限電措施。由于電力網負擔過重，造成局部電力系統不穩定現象。

以上說明，我國電力供需不平衡，供小于求。因此，需要節約用電。

2.2風機水泵變頻調速節能效益

2.2.1 我國電動機總裝機容量達4.5億kW，約消耗全國65%發電量。因此如何實現電動機節電就非常重要。一般電機節能有二個途徑：一是提高電機本身效率達到長期運行，主要用于恒速機械；另一個是提高電機轉速的控制精度，使電機在節能的轉速下運行。

2.2.2 風機水泵和壓縮機是國民經濟生產中量大面廣的電動機驅動設備，總電機容量達1.5億，用電量占全國發電量的35%左右，其中約20%~30%風機水泵需要調速。

2.2.3 變頻調速是風機水泵節能的佳方案。根據流體理論，離心式風機水泵的軸功率是轉速的三次方函數關系。當轉速降低后，其消耗功率會大幅下降，例如50%轉速時，軸機械功率僅為12.5%。當然不同，調速方案的效率相差很大，滑差后液力調速裝置效率不高，η≈（1-S），在50%轉速時，ηvs≈50%，而變頻調速器效率，效率因數高，ηvvvF≈95%~98%，而且近似不變。所以在諸多調速方案中變頻調速節能效益佳，理應為首選方案。

[舉例]同一風機水泵，100%轉速流量時，軸功率為100%；50%轉速流量時，軸功率降為50%。

若采用擋板，閥門控制到50%流量，仍需從電網吸入70-80%的功率；若采用滑差低效調速到50%，則需從電網吸入≈25%的功率；若采用變頻調速到50%流量，僅需從電網吸入10%功率。

2.2.4 風機水泵調節流量方法多種多樣，各有特點，但歸納起來可分為三大類型：

（1）傳統的機械方法調節風機的擋板，導流器以及水泵的閥門開啟度；

（2）采用電磁轉差離合器或液力耦合器調節風機水泵的轉速（而電動機恒速運轉）；

（3）交流電動機變頻調速方案。

下表系三大類型風機水泵調節流量方法比較及結論意見。（見表1）

2.2.5 當今更應該在大容量高壓電動機驅動的風機水泵和壓縮機上推廣應用高壓變頻調速節能。理由很簡單，在節電率百分比相同的情況下裝機容量愈大，其節電量也愈大。

3．變頻調速與環境保護：

3.1 電動機驅動是電能消耗的大戶，在中國占全部用電量的60%以上。過度的電力消耗使得煤炭和石油（天然氣）燃料枯竭，同時由于CO2和NO2的大量排放，造成污染環境，破壞臭氧層，影響甚至危及人類的生存。

人類不斷地從對生存環境的破壞和對能源資源的浪費過程中接受了慘痛的教訓，于是保護人類生存環境成為全世界人民共同的呼聲，掀起了減少節約能源和環境保護，造福于社會的浪潮。1972年，瑞典斯德哥爾摩世界人類環境宣言以及1994年日本京都協議，規定所有簽約國應使其國家的CO2及其它產生溫室效應的有害氣體排放量控制在1990年的水平。充分說明環境保護的重要性和全世界人民的關注。

3.2 據估計，電氣產品對環境污染的影響約占30%左右，因此節省電能，減少浪費便成為履行京都協議承諾的重要因素，變頻調速和變頻技術能發揮些什么作用和貢獻呢？

(1)推廣風機水泵變頻調速節能技術可達到20%~30%的節電率，這樣可以少建火電廠，少發電，即少排放SO2、SO、CO2及灰塵，減少大氣環境污染；

(2)牽引變頻機車應用，不用燃煤和燒油，減少排放污染；

(3)發展城市軌道交通（地鐵和磁懸浮列車）和燃料電池汽車，減少CO2排放。

(4)提倡采用電動自行車（無刷直流電機、自制式變頻調速），停用燃油助動車等。

4．變頻調速與制造業生產：

4．1變頻調速可提高產量

交流電動機設計在氣隙磁通近似不變的條件下，電機允許超速5－10％長期運行（20％短時試驗）。例如，某些國家電機可以在50/60Hz下長期運行（當然應保證V／F＝Cont），只要電機軸承能夠承受，提高5－10％轉速是可行的。我公司某化纖廠結合變頻調速改造，適當提高變頻器的輸出頻率，已帶來可觀的增產效果。

（２）變頻調速可提高產品質量

變頻調速具有調速范圍廣、調速精度高、動態響應好等優點，對于化纖紡絲機、紡織印染聯合機、造紙機和注塑機等多單元同步傳動或比例同步（牽伸）傳動非常適用，既有之前直流機傳動的性能，又有交流機堅固、可靠、維護簡單的特點，使得產品的質量有較大的提升。自動化程度提高，減輕工人勞動強度。

（3）變頻調速與某些特殊加工設備

由于變頻技術進步，變頻調速更適宜用于惡劣環境（爆炸、腐蝕、水下核輻射等）無升速齒輪的甚高速或無降速齒輪的甚低速，以及精確位置控制（變頻伺服系統，步進系統，機械手和機器人）系統。

5、變頻調速與軟起動、軟起動、軟停止

5.1 電力網和生產工藝需要電機軟起動、軟停止

5.1.1 交流電動機的起動電流一般為5-7倍額定電流，如果直接起動會對電網引起沖擊，影響同一電網上其他電氣設備的正常運行。另外巨大的起動電流對電動機和機械設備也會造成嚴重的電磁應力和機械應力，縮短設備的使用壽命，因此電力系統希望能夠軟起動（特別是高壓大容量電動機）。

5.1.2 某些加工機械，例如自動流水生產線（瓶、罐包裝線，輸送機等），要求平穩起動和停車以免相互碰撞倒歪；水泵為了防止水錘、喘振現象，也希望軟起動和軟停止（好是“泵控特性”專用的軟起動和軟停止）。

5.2變頻器用作軟起動器的特點

不同于電子固態電動機軟起動器，因為變頻器起動時，電動機的電壓和頻率同時改變，可以維持電動機的磁通不變（電子式軟起動器只變壓不變頻，故電機在削弱磁通下起動），因此變頻器軟起動具有更大的起動力矩。非常適合用于重負載、大慣性的設備，例如：高爐風機等。這種場合電子式電動機軟起動器性能無法比擬或根本不能勝任的變頻器既可軟起動又可調速，應用前景十分看好。目前因價格因素尚不能廣泛推廣，除非個別的重載起動和大慣量起動場合外，變頻器不單作軟起動器來使用。也許若干年后，待變頻器進一步降價會普遍地應用。

6、變頻調速（含變頻器技術與家用電器）

在普通家庭中，耗電比重大的是空調器，其次是電熱器具，后是照明和視聽電器等，變頻調速（含變頻技術）也能發揮節約電能和保護環境的作用。

6.1 變頻空調器——由于配置了變頻器（有常規的它制式變頻器和自制式變頻器，即直流無刷電動機調速兩種），不停壓縮機能夠連續控制壓縮機的制冷量，實現有效的運轉，有利于節能。另外，變頻空調器的快速性和舒適感非常好，也有利于環保。

6.2 高頻電磁灶和電飯煲——利用變頻技術產生（20-30）KHZ高頻電源使電飯煲本身電磁感應（IH-Induction heating）加熱方式，其烹調熱效率達80%左右（比早先的電阻加熱器的電飯煲效率提高30%），有利于節能。

6.3 變頻式照明設備——利用變頻技術產生（20-70）KHZ高頻電源給日光燈，可節省15%電功率，同時可做到立即點亮，沒有工頻日光燈的內爍，適于工作或學習，也有利于環保。

6.4 其他家用電器例如變頻冰箱，變頻洗衣機、變頻微波爐等也已相繼出現。

[結語]：

據統計，2000年中國變頻器市場銷售額大約30億人民幣（60%應用于風機水泵節能），僅占需求量的15%左右，因此變頻器市場非?？春?，今后發展趨勢大致為：主控一體化、裝置小型化、綠色電源（EMC電器兼容）環?；?、設備裝置專用化和系統化。此外，成本低價化利于進一步推廣應用。

技術部