變頻及軟啟動(dòng)節能原理分析

摘 要：本文介紹了用電設備的能耗現狀和構成，通過(guò)計算詳細闡述了變頻和軟啟動(dòng)的節能原理。并列舉變頻器在風(fēng)機和水泵控制中的節能優(yōu)勢和電機軟啟動(dòng)有效抗擊電網(wǎng)尖峰電壓的過(guò)程。

關(guān)鍵詞：變頻器 軟啟動(dòng) 節能

一、 引言

隨著(zhù)工業(yè)化腳步的加快，節能降耗的形式越來(lái)越嚴峻，一些能降低工業(yè)損耗的電子產(chǎn)品都涌現出來(lái)。變頻器和軟啟動(dòng)器的應用領(lǐng)域是越來(lái)越廣，使用也是越發(fā)頻繁。在電機和風(fēng)機的控制中，變頻調速和軟啟動(dòng)節能效果非常明顯。

二、 電力能耗分析

為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動(dòng)力驅動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機不能在滿(mǎn)負荷下運行，除達到動(dòng)力驅動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在生產(chǎn)過(guò)程中，由于電機的負荷變化范圍很大，必須實(shí)時(shí)調節風(fēng)機水泵等的流量。目前調節流量的方式多為調節閥調節，這種調節方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動(dòng)機的輸出功率并沒(méi)有多大改變，往往是電機在全速運行，調節閥通過(guò)節流來(lái)控制生產(chǎn)的需要，實(shí)際上是人為增加阻力辦法達到調節目的，這種節流調節方法浪費大量電能。當風(fēng)量減少風(fēng)機轉速下降時(shí)，其電動(dòng)機輸入功率迅速降低。例如風(fēng)量下降到80%，轉速n也下降到80%時(shí)，其軸功率則下降到額定功率51%;若風(fēng)量下降到50%，軸功率將下降到額定功率13%，其節電潛力非常大。

在電機全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，由于電機的啟動(dòng)力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機額定電流，而大的啟動(dòng)電流即浪費電力，對電網(wǎng)的電壓波動(dòng)損害也很大，增加了線(xiàn)損和變損。過(guò)大的起動(dòng)轉矩產(chǎn)生機械沖擊，對被帶動(dòng)的設備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。造成機械傳動(dòng)部件的非正常磨損及沖擊，加速老化，縮短壽命從而增加維護工作量。電機硬啟動(dòng)對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會(huì )對電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對擋板和閥門(mén)的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用軟啟動(dòng)裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長(cháng)了設備和閥門(mén)的使用壽命。節省了設備的維護費用。電機啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流可從0 —— 電機額定電流逐步增加，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，節約了電費，也減少了啟動(dòng)慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長(cháng)了設備的使用壽命。

三、 變頻節能分析

3.1變頻器的工作原理

交流電動(dòng)機的同步轉速表達式位：

n=60 f（1-s）/p 式（1）

式中 n———異步電動(dòng)機的轉速;
f———異步電動(dòng)機的頻率;
s———電動(dòng)機轉差率;
p———電動(dòng)機極對數。

由式（1）可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時(shí)，電動(dòng)機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過(guò)改變電動(dòng)機電源頻率實(shí)現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

變頻器的作用是通過(guò)改變電源的頻率來(lái)改變電機的轉速，也就是通常所說(shuō)的變頻調速。變頻器分為交直交、交交變頻兩大類(lèi)。目前交直交變頻使用比較廣泛，它由順變器、中間濾波環(huán)節、逆變器三部分組成。順變器的作用是將定壓定頻的交流電變換為可調直流電，通過(guò)電壓型或電流型濾波器為逆變器提供直流電源。逆變器將直流電源變?yōu)榭烧{頻率的交流電。順變器和逆變器都是晶閘管三相橋式電路。濾波器由電容或電抗器組成，為逆變器提供穩定的電壓源或電流源。

3.2變頻器的節能方式

3.2.1變頻節能：

為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動(dòng)力驅動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機不能在滿(mǎn)負荷下運行，除達到動(dòng)力驅動(dòng)要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高時(shí)，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時(shí)節約電能。當電機轉速從 N1 變到 N2時(shí)，其電機軸功率P的變化關(guān)系如下：

P=CN3; 式（2）

式中：P——主機發(fā)
N——主機轉速
C——常數

當電機轉速從N1減小到N2時(shí)，其功率也從P1減小到P2。功率的變化公式式（3）

由此可見(jiàn)降低電機轉速可得到立方級的節能效果。

如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時(shí)，轉速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關(guān)系。所隊當所要求的流量Q減少時(shí)，可調節變頻器輸出頻率使電動(dòng)機轉速n按比例降低。這時(shí)，電動(dòng)機的功率P將按三次方關(guān)系大幅度地降低，比調節擋板、閥門(mén)節能40一50，從而達到節電的目的。

例如：一臺離心泵電機功率為55千瓦，當轉速下降到原轉速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8%，當轉速下降到原轉速的l/2時(shí)，其耗電量為6.875千瓦，省電87.5%。

3.2.2動(dòng)態(tài)調整節能：

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)的成熟，變頻器迅速適應負載變動(dòng)，供給最大效率電壓。變頻調速器在軟件上設有 5000次/秒的測控輸出功能，始終保持電機的輸出高效率運行。

3.2.3通過(guò)變頻自身的V/F功能節電：

在保證電機輸出力矩的情況下，可自動(dòng)調節V/F曲線(xiàn)。減少電機的輸出力矩，降低輸入電流，達到節能狀態(tài)。

3.3.4提高功率因數節能：

電動(dòng)機由定子繞組和轉子繞組通過(guò)電磁作用而產(chǎn)生力矩。繞組由于其感抗作用。對電網(wǎng)而言，阻抗特性呈感性，電機在運行時(shí)吸收大量的無(wú)功功率，造成功率因數很低。采用變頻節能調速器后，由于其性能已變?yōu)椋篈C—— DC ——AC，在整流濾波后，負載特性發(fā)生了變化。變頻調速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數很高，減少了無(wú)功損耗.

四、軟啟動(dòng)節能特性：

在電機全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，由于電機的啟動(dòng)力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機額定電流，而大的啟動(dòng)電流即浪費電力，對電網(wǎng)的電壓波動(dòng)損害也很大，增加了線(xiàn)損和變損。采用軟啟動(dòng)后，啟動(dòng)電流可從0 —— 電機額定電流，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，節約了電費，也減少了啟動(dòng)慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長(cháng)了設備的使用壽命。軟啟動(dòng)控制器可以根據電動(dòng)機功率因數的高低，自動(dòng)判斷電動(dòng)機的負載率。當電動(dòng)機處于空載或負載率很低時(shí)，可通過(guò)相位控制使晶閘管的導通角發(fā)生變化，從而改變輸入電動(dòng)機的功率，以達到節能的目的。軟啟動(dòng)器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調壓器，將其接入電源和電動(dòng)機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動(dòng)機工作在額定電壓的機械特性上，實(shí)現平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過(guò)流跳閘。待電機達到額定轉數時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程結束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長(cháng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。