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變頻調(diào)速器與節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)
變頻調(diào)速器與節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)

1、變頻調(diào)速

交流電動機(jī)，特別是籠型異步電動機(jī)，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、制造成本和運(yùn)行費(fèi)用低、能在惡劣環(huán)境下可靠運(yùn)行等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是過去由于實(shí)現(xiàn)調(diào)速困難或者某些調(diào)速方式低效不夠理想，因此，長期以來在調(diào)速的領(lǐng)域仍被直流調(diào)速占領(lǐng)，交流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在調(diào)速傳動中未能獲得發(fā)揮。直到上世紀(jì)七十年代初，隨著電力電子、微電子（集成電路）和微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們長期渴望的變頻調(diào)速器實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。
1.1 所謂變頻調(diào)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(diào)、頻率可調(diào)的交流電源，有時又將變頻調(diào)速器稱為變壓變頻裝置VVVF。主要用于交流電動機(jī)（異步機(jī)或同步機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

1.2 一個交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻調(diào)速器驅(qū)動器交流電動機(jī)和控制器三大部分組成。其中關(guān)鍵核心設(shè)備是變頻調(diào)速器，由它來實(shí)現(xiàn)電動機(jī)電壓和頻率的平滑變化。

1.3 變頻調(diào)速在調(diào)頻范圍、靜態(tài)精度、動態(tài)品質(zhì)、系統(tǒng)效率、完善的保護(hù)功能、容易實(shí)現(xiàn)自動控制和過程控制等諸方面是以往的調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速和液力耦合器調(diào)速等無法比擬的。

它是公認(rèn)的交流電動機(jī)*理想*有前途的調(diào)速方案，代表今后電氣傳動的發(fā)展方向。

1.4 近三十多年來變頻調(diào)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(wù)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。低壓電動機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用已非常普及和成熟。高壓電動機(jī)變頻調(diào)速也正在被人們關(guān)注和逐步應(yīng)用。交流電動機(jī)變頻調(diào)速除了有**的調(diào)速性能之外，還有顯著的節(jié)約電能和保護(hù)環(huán)境等重大作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。

2、變頻調(diào)速與風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能

2.1 電力供應(yīng)與需求矛盾（供不應(yīng)求）存在較大電力缺口，需要節(jié)電。

根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，2002年我國發(fā)電裝機(jī)容量319億kW，年發(fā)電量13466億kWH。雖然電力規(guī)模列世界**位，但人均用電量卻為世界倒數(shù)位置。況且我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需求更多的電力。若按國民經(jīng)濟(jì)增長8%要求電力增長11%計算，到2010年我國發(fā)電容量應(yīng)為5.7~6.0億kW，年發(fā)電量達(dá)28000~29000億kWH。2003年夏季持續(xù)高溫造成部分省市電力供應(yīng)緊張，被迫采取拉閘限電措施。由于電力網(wǎng)負(fù)擔(dān)過重，造成局部電力系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

以上說明，我國電力供需不平衡，供小于求。因此，需要節(jié)約用電。

2.2 風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速節(jié)能效益

2.2.1 我國電動機(jī)總裝機(jī)容量達(dá)4.5億kW，約消耗國內(nèi)65%發(fā)電量。因此如何實(shí)現(xiàn)電動機(jī)節(jié)電就非常重要。一般電機(jī)節(jié)能有二個途徑：一是提高電機(jī)本身效率達(dá)到長期高效運(yùn)行，主要用于恒速機(jī)械；另一個是提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機(jī)在*節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

2.2.2 風(fēng)機(jī)水泵和壓縮機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中量大面廣的電動機(jī)驅(qū)動設(shè)備，總電機(jī)容量達(dá)1.5億，用電量占國內(nèi)發(fā)電量的35%左右，其中約20%~30%風(fēng)機(jī)水泵排名**，傲視同行需要調(diào)速。

2.2.3 變頻調(diào)速是風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能的*佳方案。根據(jù)流體理論，離心式風(fēng)機(jī)水泵的軸功率是轉(zhuǎn)速的三次方函數(shù)關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后，其消耗功率會大幅下降，例如50%轉(zhuǎn)速時，軸機(jī)械功率僅為12.5%。當(dāng)然不同，調(diào)速方案的效率相差很大，滑差后液力調(diào)速裝置效率不高，η≈（1-S），在50%轉(zhuǎn)速時，ηvs≈50%，而變頻調(diào)速器效率，效率因數(shù)高，ηvvvF≈95%~98%，而且近似不變。所以在諸多調(diào)速方案中變頻調(diào)速節(jié)能效益*佳，理應(yīng)為優(yōu)選方案。

[舉例]同一風(fēng)機(jī)水泵，100%轉(zhuǎn)速流量時，軸功率為100%；50%轉(zhuǎn)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(wǎng)吸入70-80%的功率；若采用滑差低效調(diào)速到50%，則需從電網(wǎng)吸入≈25%的功率；若采用變頻高效調(diào)速到50%流量，僅需從電網(wǎng)吸入10%功率。

2.2.4 風(fēng)機(jī)水泵調(diào)節(jié)流量方法多種多樣，各有特點(diǎn)，但歸納起來可分為三大類型：

（1）傳統(tǒng)的機(jī)械方法調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的擋板，導(dǎo)流器以及水泵的閥門開啟度；
（2）采用電磁轉(zhuǎn)差離合器或液力耦合器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速（而電動機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)）；
（3）交流電動機(jī)變頻調(diào)速方案。

2.2.5 當(dāng)今更應(yīng)該在大容量高壓電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)機(jī)水泵和壓縮機(jī)上推廣應(yīng)用高壓變頻調(diào)速節(jié)能。理由很簡單，在節(jié)電率百分比相同的情況下裝機(jī)容量愈大，其**節(jié)電量也愈大。
3．變頻調(diào)速與環(huán)境保護(hù)：

3.1 電動機(jī)驅(qū)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(huán)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(huán)境的破壞和對能源資源的浪費(fèi)過程中接受了慘痛的教訓(xùn)，于是保護(hù)人類生存環(huán)境成為全世界人民共同的呼聲，掀起了減少節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)，造福于社會的浪潮。1972年，瑞典斯德哥爾摩**屆世界人類環(huán)境**以及1994年日本京都協(xié)議，規(guī)定所有簽約國應(yīng)使其國家的CO2及其它產(chǎn)生溫室效應(yīng)的有害氣體排放量控制在1990年的水平。充分說明環(huán)境保護(hù)的重要性和全世界人民的關(guān)注。

3.2 據(jù)估計，電氣產(chǎn)品對環(huán)境污染的影響約占30%左右，因此節(jié)省電能，減少浪費(fèi)便成為履行京都協(xié)議承諾的重要因素，變頻調(diào)速和變頻技術(shù)能發(fā)揮些什么作用和貢獻(xiàn)呢？

(1)推廣風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可達(dá)到20%~30%的節(jié)電率，這樣可以少建火電廠，少發(fā)電，即少排放SO2、SO、CO2及灰塵，減少大氣環(huán)境污染；
(2)牽引變頻機(jī)車應(yīng)用，不用燃煤和燒油，減少排放污染；
(3)發(fā)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(jī)、自制式變頻調(diào)速），停用燃油助動車等。

４．變頻調(diào)速與制造業(yè)生產(chǎn)：

4．1變頻調(diào)速可提高產(chǎn)量

交流電動機(jī)設(shè)計在氣隙磁通近似不變的條件下，電機(jī)允許超速5－10％長期運(yùn)行（20％短時試驗(yàn)）。例如，某些國家電機(jī)可以在50/60Hz下長期運(yùn)行（當(dāng)然應(yīng)保證V／F＝Cont），只要電機(jī)軸承能夠承受，提高5－10％轉(zhuǎn)速是可行的。我公司某化纖廠結(jié)合變頻調(diào)速改造，適當(dāng)提高變頻器的輸出頻率，已帶來可觀的增產(chǎn)效果。

（２）變頻調(diào)速可提高產(chǎn)品質(zhì)量

變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，對于化纖紡絲機(jī)、紡織印染聯(lián)合機(jī)、造紙機(jī)和注塑機(jī)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(jī)傳動的性能，又有交流機(jī)堅(jiān)固、可靠、維護(hù)簡單的特點(diǎn)，使得產(chǎn)品的質(zhì)量有較大的提升。自動化程度提高，減輕工人勞動強(qiáng)度。

（3）變頻調(diào)速與某些特殊加工設(shè)備

由于變頻技術(shù)進(jìn)步，變頻調(diào)速更適宜用于惡劣環(huán)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**位置控制（變頻伺服系統(tǒng)，步進(jìn)系統(tǒng)，機(jī)械手和機(jī)器人）系統(tǒng)。

5、變頻調(diào)速與軟起動、軟起動、軟停止

5.1電力網(wǎng)和生產(chǎn)工藝需要電機(jī)軟起動、軟停止

5.1.1交流電動機(jī)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(wǎng)引起沖擊，影響同一電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。另外巨大的起動電流對電動機(jī)和機(jī)械設(shè)備也會造成嚴(yán)重的電磁應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，縮短設(shè)備的使用壽命，因此電力系統(tǒng)希望能夠軟起動（特別是高壓大容量電動機(jī)）。

5.1.2某些加工機(jī)械，例如自動流水生產(chǎn)線（瓶、罐包裝線，輸送機(jī)等），要求平穩(wěn)起動和停車以免相互碰撞倒歪；水泵為了防止水錘、喘振現(xiàn)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(diǎn)

不同于電子固態(tài)電動機(jī)軟起動器，因?yàn)樽冾l器起動時，電動機(jī)的電壓和頻率同時改變，可以維持電動機(jī)的磁通不變（電子式軟起動器只變壓不變頻，故電機(jī)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(fù)載、大慣性的設(shè)備，例如：高爐風(fēng)機(jī)等。這種場合電子式電動機(jī)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(diào)速，應(yīng)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(jìn)一步降價會普遍地應(yīng)用。
6、變頻調(diào)速（含變頻器技術(shù)與家用電器）

在普通家庭中，耗電比重*大的是空調(diào)器，其次是電熱器具，*后是照明和視聽電器等，變頻調(diào)速（含變頻技術(shù)）也能發(fā)揮節(jié)約電能和保護(hù)環(huán)境的作用。

6.1變頻空調(diào)器——由于配置了變頻器（有常規(guī)的它制式變頻器和自制式變頻器，即直流無刷電動機(jī)調(diào)速兩種），不停壓縮機(jī)能夠連續(xù)控制壓縮機(jī)的制冷量，實(shí)現(xiàn)有效的運(yùn)轉(zhuǎn)，有利于節(jié)能。另外，變頻空調(diào)器的快速性和舒適感非常好，也有利于環(huán)保。

6.2高頻電磁灶和電飯煲——利用變頻技術(shù)產(chǎn)生（20-30）KHZ高頻電源使電飯煲本身電磁感應(yīng)（IH-Inductionheating）加熱方式，其烹調(diào)熱效率達(dá)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(jié)能。

6.3變頻式照明設(shè)備——利用變頻技術(shù)產(chǎn)生（20-70）KHZ高頻電源給日光燈，可節(jié)省15%電功率，同時可做到立即點(diǎn)亮，沒有工頻日光燈的內(nèi)爍，適于工作或?qū)W習(xí)，也有利于環(huán)保。

6.4其他家用電器例如變頻冰箱，變頻洗衣機(jī)、變頻微波爐等也已相繼出現(xiàn)。

結(jié)語：

據(jù)統(tǒng)計，2000年中國變頻器市場銷售額大約30億人民幣（60%應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能），僅占需求量的15%左右，因此變頻器市場非常看好，今后發(fā)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(huán)保化、設(shè)備裝置專用化和系統(tǒng)化。此外，成本低價化利于進(jìn)一步推廣應(yīng)用。