变频调速器与节约能源、环境保护

　　本文综述交流电动机变频调速技术对节能、环保、制造业（产量和质量提升）、交通牵引及家用电器的重大贡献。

　　1、变频调速

　　交流电动机，特别是笼型异步电动机，具有体积小、重量轻、结构简单、维护方便、制造成本和运行费用低、能在恶劣环境下可靠运行等一系列优点。但是过去由于实现调速困难或者某些调速方式低效不够理想，因此，长期以来在调速的领域仍被直流调速占领，交流电动机的优点在调速传动中未能获得发挥。直到上世纪七十年代初，随着电力电子、微电子（集成电路）和微机技术的飞速发展，人们长期渴望的变频调速器实现了工业化生产。

　　1.1 所谓变频调速器——它将三相工频（50Hz）交流电源（或任意电源）变换成　　三相电压可调、频率可调的交流电源，有时又将变频调速器称为变压变频装置VVVF。主要用于交流电动机（异步机或同步机）转速的调节。

　　1.2 一个交流电动机变频调速系统由变频调速器驱动器交流电动机和控制器三大部分组成。其中关键核心设备是变频调速器，由它来实现电动机电压和频率的平滑变化。

　　1.3 变频调速在调频范围、静态精度、动态品质、系统效率、完善的保护功能、容易实现自动控制和过程控制等诸方面是以往的调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速和液力耦合器调速等无法比拟的。它是公认的交流电动机最理想最有前途的调速方案，代表今后电气传动的发展方向。

　　1.4 近三十多年来变频调速已在钢铁、冶金、石油、化工、纺织、化纤、轻工、造纸、橡胶、塑料、电力、水务等行业中得到广泛应用。低压电动机变频调速应用已非常普及和成熟。高压电动机变频调速也正在被人们关注和逐步应用。交流电动机变频调速除了有卓越的调速性能之外，还有显着的节约电能和保护环境等重大作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。

　　2、变频调速与风机水泵节能

　　2.1 电力供应与需求矛盾（供不应求）存在较大电力缺口，需要节电。

　　根据有关部门统计，2002年我国发电装机容量319亿kW，年发电量13466亿kWH。虽然电力规模列世界第二位，但人均用电量却为世界倒数位置。况且我国经济快速发展需求更多的电力。若按国民经济增长8%要求电力增长11%计算，到2010年我国发电容量应为5.7~6.0亿kW，年发电量达28000~29000亿kWH。2003年夏季持续高温造成部分省市电力供应紧张，被迫采取拉闸限电措施。由于电力网负担过重，造成局部电力系统不稳定现象。

　　以上说明，我国电力供需不平衡，供小于求。因此，需要节约用电。

　　2.2风机水泵变频调速节能效益

　　2.2.1 我国电动机总装机容量达4.5亿kW，约消耗全国65%发电量。因此如何实现电动机节电就非常重要。一般电机节能有二个途径：一是提高电机本身效率达到长期高效运行，主要用于恒速机械；另一个是提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。

　　2.2.2 风机水泵和压缩机是国民经济生产中量大面广的电动机驱动设备，总电机容量达1.5亿，用电量占全国发电量的35%左右，其中约20%~30%风机水泵需要调速。

　　2.2.3 变频调速是风机水泵节能的最佳方案。根据流体理论，离心式风机水泵的轴功率是转速的三次方函数关系。当转速降低后，其消耗功率会大幅下降，例如50%转速时，轴机械功率仅为12.5%。当然不同，调速方案的效率相差很大，滑差后液力调速装置效率不高，η≈（1-S），在50%转速时，ηvs≈50%，而变频调速器效率，效率因数高，ηvvvF≈95%~98%，而且近似不变。所以在诸多调速方案中变频调速节能效益最佳，理应为首选方案。

　　[举例]同一风机水泵，100%转速流量时，轴功率为100%；50%转速流量时，轴功率降为50%。

　　若采用挡板，阀门控制到50%流量，仍需从电网吸入70-80%的功率；若采用滑差低效调速到50%，则需从电网吸入≈25%的功率；若采用变频高效调速到50%流量，仅需从电网吸入10%功率。

　　2.2.4 风机水泵调节流量方法多种多样，各有特点，但归纳起来可分为三大类型：

　　（1）传统的机械方法调节风机的挡板，导流器以及水泵的阀门开启度；

　　（2）采用电磁转差离合器或液力耦合器调节风机水泵的转速（而电动机恒速运转）；

　　（3）交流电动机变频调速方案。

　　下表系三大类型风机水泵调节流量方法比较及结论意见。

　　2.2.5 当今更应该在大容量高压电动机驱动的风机水泵和压缩机上推广应用高压变频调速节能。理由很简单，在节电率百分比相同的情况下装机容量愈大，其绝对节电量也愈大。

　　3.变频调速与环境保护：

　　3.1 电动机驱动是电能消耗的大户，在中国占全部用电量的60%以上。过度的电力消耗使得煤炭和石油（天然气）燃料枯竭，同时由于CO2和NO2的大量排放，造成污染环境，破坏臭氧层，影响甚至危及人类的生存。

　　人类不断地从对生存环境的破坏和对能源资源的浪费过程中接受了惨痛的教训，于是保护人类生存环境成为全世界人民共同的呼声，掀起了减少节约能源和环境保护，造福于社会的浪潮。1972年，瑞典斯德哥尔摩第一届世界人类环境宣言以及1994年日本京都协议，规定所有签约国应使其国家的CO2及其它产生温室效应的有害气体排放量控制在1990年的水平。充分说明环境保护的重要性和全世界人民的关注。

　　3.2 据估计，电气产品对环境污染的影响约占30%左右，因此节省电能，减少浪费便成为履行京都协议承诺的重要因素，变频调速和变频技术能发挥些什么作用和贡献呢？

　　（1）推广风机水泵变频调速节能技术可达到20%~30%的节电率，这样可以少建火电厂，少发电，即少排放SO2、SO、CO2及灰尘，减少大气环境污染；

　　（2）牵引变频机车应用，不用燃煤和烧油，减少排放污染；

　　（3）发展城市轨道交通（地铁和磁悬浮列车）和燃料电池汽车，减少CO2排放。

　　（4）提倡采用电动自行车（无刷直流电机、自制式变频调速），停用燃油助动车等。

　　４。变频调速与制造业生产：

　　4.1变频调速可提高产量

　　交流电动机设计在气隙磁通近似不变的条件下，电机允许超速5－10％长期运行（20％短时试验）。例如，某些国家电机可以在50/60Hz下长期运行（当然应保证V／F＝Cont），只要电机轴承能够承受，提高5－10％转速是可行的。我公司某化纤厂结合变频调速改造，适当提高变频器的输出频率，已带来可观的增产效果。

　　（２）变频调速可提高产品质量

　　变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，对于化纤纺丝机、纺织印染联合机、造纸机和注塑机等多单元同步传动或比例同步（牵伸）传动非常适用，既有之前直流机传动的性能，又有交流机坚固、可靠、维护简单的特点，使得产品的质量有较大的提升。自动化程度提高，减轻工人劳动强度。

　　（3）变频调速与某些特殊加工设备

　　由于变频技术进步，变频调速更适宜用于恶劣环境（爆炸、腐蚀、水下核辐射等）无升速齿轮的甚高速或无降速齿轮的甚低速，以及精确位置控制（变频伺服系统，步进系统，机械手和机器人）系统。

　　5、变频调速与软起动、软起动、软停止

　　5.1 电力网和生产工艺需要电机软起动、软停止

　　5.1.1 交流电动机的起动电流一般为5-7倍额定电流，如果直接起动会对电网引起冲击，影响同一电网上其他电气设备的正常运行。另外巨大的起动电流对电动机和机械设备也会造成严重的电磁应力和机械应力，缩短设备的使用寿命，因此电力系统希望能够软起动（特别是高压大容量电动机）。

　　5.1.2 某些加工机械，例如自动流水生产线（瓶、罐包装线，输送机等），要求平稳起动和停车以免相互碰撞倒歪；水泵为了防止水锤、喘振现象，也希望软起动和软停止（最好是“泵控特性”专用的软起动和软停止）。

　　5.2变频器用作软起动器的特点

　　不同于电子固态电动机软起动器，因为变频器起动时，电动机的电压和频率同时改变，可以维持电动机的磁通不变（电子式软起动器只变压不变频，故电机在削弱磁通下起动），因此变频器软起动具有更大的起动力矩。非常适合用于重负载、大惯性的设备，例如：高炉风机等。这种场合电子式电动机软起动器性能无法比拟或根本不能胜任的变频器既可软起动又可调速，应用前景十分看好。目前因价格因素尚不能广泛推广，除非个别的重载起动和大惯量起动场合外，变频器不单作软起动器来使用。也许若干年后，待变频器进一步降价会普遍地应用。

　　6、变频调速（含变频器技术与家用电器）

　　在普通家庭中，耗电比重最大的是空调器，其次是电热器具，最后是照明和视听电器等，变频调速（含变频技术）也能发挥节约电能和保护环境的作用。

　　6.1 变频空调器——由于配置了变频器（有常规的它制式变频器和自制式变频器，即直流无刷电动机调速两种），不停压缩机能够连续控制压缩机的制冷量，实现有效的运转，有利于节能。另外，变频空调器的快速性和舒适感非常好，也有利于环保。

　　6.2 高频电磁灶和电饭煲——利用变频技术产生（20-30）KHZ高频电源使电饭煲本身电磁感应（IH-Induction heating）加热方式，其烹调热效率达80%左右（比早先的电阻加热器的电饭煲效率提高30%），有利于节能。

　　6.3 变频式照明设备——利用变频技术产生（20-70）KHZ高频电源给日光灯，可节省15%电功率，同时可做到立即点亮，没有工频日光灯的内烁，适于工作或学习，也有利于环保。

　　6.4 其他家用电器例如变频冰箱，变频洗衣机、变频微波炉等也已相继出现。