變頻及軟啟動(dòng)節(jié)能分析

摘 要：本文介紹了用電設(shè)備的能耗現(xiàn)狀和構(gòu)成，通過計(jì)算詳細(xì)闡述了變頻和軟啟動(dòng)的節(jié)能原理。并列舉變頻器在風(fēng)機(jī)和水泵控制中的節(jié)能優(yōu)勢和電機(jī)軟啟動(dòng)有效抗擊電網(wǎng)尖峰電壓的過程。

關(guān)鍵詞：變頻器 軟啟動(dòng) 節(jié)能

一、 引言

隨著工業(yè)化腳步的加快，節(jié)能降耗的形式越來越嚴(yán)峻，一些能降低工業(yè)損耗的電子產(chǎn)品都涌現(xiàn)出來。變頻器和軟啟動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域是越來越廣，使用也是越發(fā)頻繁。在電機(jī)和風(fēng)機(jī)的控制中，變頻調(diào)速和軟啟動(dòng)節(jié)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(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)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(fèi)，在生產(chǎn)過程中，由于電機(jī)的負(fù)荷變化范圍很大，必須實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵等的流量。目前調(diào)節(jié)流量的方式多為調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動(dòng)機(jī)的輸出功率并沒有多大改變，往往是電機(jī)在全速運(yùn)行，調(diào)節(jié)閥通過節(jié)流來控制生產(chǎn)的需要，實(shí)際上是人為增加阻力辦法達(dá)到調(diào)節(jié)目的，這種節(jié)流調(diào)節(jié)方法浪費(fèi)大量電能。當(dāng)風(fēng)量減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，其電動(dòng)機(jī)輸入功率迅速降低。例如風(fēng)量下降到80%，轉(zhuǎn)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(jié)電潛力非常大。

在電機(jī)全壓啟動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)的啟動(dòng)力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機(jī)額定電流，而大的啟動(dòng)電流即浪費(fèi)電力，對電網(wǎng)的電壓波動(dòng)損害也很大，增加了線損和變損。過大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)械沖擊，對被帶動(dòng)的設(shè)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(jī)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(hù)工作量。電機(jī)硬啟動(dòng)對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對電網(wǎng)容量要求過高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)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)電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流可從0 —— 電機(jī)額定電流逐步增加，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費(fèi)，也減少了啟動(dòng)慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。

三、 變頻節(jié)能分析

3.1變頻器的工作原理

交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式位：

n=60 f（1-s）/p 式（1）

式中 n———異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速;
f———異步電動(dòng)機(jī)的頻率;
s———電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率;
p———電動(dòng)機(jī)極對數(shù)。

由式（1）可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。

變頻器的作用是通過改變電源的頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，也就是通常所說的變頻調(diào)速。變頻器分為交直交、交交變頻兩大類。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(jié)、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(diào)直流電，通過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{(diào)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(wěn)定的電壓源或電流源。

3.2變頻器的節(jié)能方式

3.2.1變頻節(jié)能：

為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)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(fèi)，在壓力偏高時(shí)，可降低電機(jī)的運(yùn)行速度，使其在恒壓的同時(shí)節(jié)約電能。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從 N1 變到 N2時(shí)，其電機(jī)軸功率P的變化關(guān)系如下：

P=CN3; 式（2）

式中：P——主機(jī)發(fā)
N——主機(jī)轉(zhuǎn)速
C——常數(shù)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)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）

由此可見降低電機(jī)轉(zhuǎn)速可得到立方級的節(jié)能效果。

如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)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(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。所隊(duì)當(dāng)所要求的流量Q減少時(shí)，可調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n按比例降低。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率P將按三次方關(guān)系大幅度地降低，比調(diào)節(jié)擋板、閥門節(jié)能40一50，從而達(dá)到節(jié)電的目的。

例如：一臺(tái)離心泵電機(jī)功率為55千瓦，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)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(diào)整節(jié)能：

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器技術(shù)的成熟，變頻器迅速適應(yīng)負(fù)載變動(dòng)，供給最大效率電壓。變頻調(diào)速器在軟件上設(shè)有 5000次/秒的測控輸出功能，始終保持電機(jī)的輸出高效率運(yùn)行。

3.2.3通過變頻自身的V/F功能節(jié)電：

在保證電機(jī)輸出力矩的情況下，可自動(dòng)調(diào)節(jié)V/F曲線。減少電機(jī)的輸出力矩，降低輸入電流，達(dá)到節(jié)能狀態(tài)。

3.3.4提高功率因數(shù)節(jié)能：

電動(dòng)機(jī)由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過電磁作用而產(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(jī)在運(yùn)行時(shí)吸收大量的無功功率，造成功率因數(shù)很低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)椋篈C—— DC ——AC，在整流濾波后，負(fù)載特性發(fā)生了變化。變頻調(diào)速器對電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，功率因數(shù)很高，減少了無功損耗.

四、軟啟動(dòng)節(jié)能特性：

在電機(jī)全壓啟動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)的啟動(dòng)力矩需要，要從電網(wǎng)吸收 7 倍的電機(jī)額定電流，而大的啟動(dòng)電流即浪費(fèi)電力，對電網(wǎng)的電壓波動(dòng)損害也很大，增加了線損和變損。采用軟啟動(dòng)后，啟動(dòng)電流可從0 —— 電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，節(jié)約了電費(fèi)，也減少了啟動(dòng)慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。軟啟動(dòng)控制器可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)的高低，自動(dòng)判斷電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于空載或負(fù)載率很低時(shí)，可通過相位控制使晶閘管的導(dǎo)通角發(fā)生變化，從而改變輸入電動(dòng)機(jī)的功率，以達(dá)到節(jié)能的目的。軟啟動(dòng)器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動(dòng)機(jī)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(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)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(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動(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。

4.1軟啟動(dòng)控制模式：

4.1.1限流軟起動(dòng)控制模式：電機(jī)起動(dòng)時(shí)，其輸出電壓從零迅速增加，直至輸出電流達(dá)到設(shè)定的電流限幅值Im ，然后保證輸出電流在不大于該值的情況下，電壓逐漸升高，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，當(dāng)電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，旁路接觸器吸合，輸出電流迅速下降至額定電流Ie以下，完成起動(dòng)過程。如圖1所示。

4.1.2電壓斜坡起動(dòng)控制模式 : 當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)電流不超出額定值400%的范圍內(nèi)，軟起動(dòng)器的輸出電壓迅速上升到整定值U1，然后按設(shè)定的速率逐漸增加，電動(dòng)機(jī)隨電壓的上升不斷平穩(wěn)加速，直至達(dá)到額定電壓后，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，旁路接觸器吸合，起動(dòng)過程完成。一般而言，電壓斜坡起動(dòng)模式適用于對起動(dòng)電流要求不嚴(yán)對起動(dòng)平穩(wěn)性要求較高的場所。輸出特性曲線如圖2所示。

4.1.3突跳+限流或突跳+電壓起動(dòng)模式：圖3給出了突跳起動(dòng)模式的輸出變化波形，在某些重載場合下，由于機(jī)械靜摩擦力的影響而不能起動(dòng)時(shí)，可選用此種起動(dòng)模式。在起動(dòng)時(shí)，先對電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)較高的固定的電壓并持續(xù)有限的一段時(shí)間，以克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦力使轉(zhuǎn)動(dòng)，然后按限制電流或電壓斜坡的方式起動(dòng)。在選用此模式前，應(yīng)先用非突跳模式起動(dòng)，若因靜摩擦力太大不能轉(zhuǎn)動(dòng)，再選用此模式，否則應(yīng)避免用此模式起動(dòng)，以減少不必要的大電流沖擊。

4.1.4 電流斜坡起動(dòng)模式。圖4為電流斜坡起動(dòng)模式的輸出電流波形，其中I1為限流值，T1為設(shè)置的時(shí)間值。電流斜坡起動(dòng)模式具有較強(qiáng)的加速能力，適用與兩極電動(dòng)機(jī)，也可在一定范圍內(nèi)縮短起動(dòng)時(shí)間.
 

五、變頻節(jié)能使用誤區(qū)

變頻器在工頻下運(yùn)行，具有節(jié)電功能，是事實(shí)。但是他的前提條件是：第一,大功率并且為風(fēng)機(jī)/泵類負(fù)載;第二，裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）;第三，長期連續(xù)運(yùn)行。這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個(gè)條件。除此之外，無所謂節(jié)不節(jié)電，沒有什么意義。一般交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線是一定的，理論和實(shí)際都已證明，當(dāng)負(fù)載功率小于電動(dòng)機(jī)的額定功率時(shí)，其效率隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減少而降低，也就是說，電動(dòng)機(jī)輕載時(shí)會(huì)相對費(fèi)電。而變頻器會(huì)根據(jù)負(fù)載的大小自動(dòng)調(diào)整V/f值（其中V為電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓，f為定子繞組的電壓變化頻率），改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，使其與負(fù)載相適應(yīng)，從而使效率得到提高，達(dá)到節(jié)能之目的。

六、結(jié)束語

電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是國家發(fā)改委啟動(dòng)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。國家發(fā)展規(guī)劃要求，當(dāng)前應(yīng)推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，即風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等通用機(jī)械系統(tǒng)采用變頻調(diào)速節(jié)能措施，工業(yè)機(jī)械采用交流電動(dòng)機(jī)變頻工藝調(diào)速技術(shù)。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能是目前中國節(jié)能市場上最具商業(yè)潛力的領(lǐng)域。變頻技術(shù)隨著微電子學(xué)、電力電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制理論等的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代,完全成熟的技術(shù)，也使其應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的高潮。它是通過變頻調(diào)速改變軸輸出功率，達(dá)到減少輸入功率節(jié)省電能的目的。