分析变频及软启动节能方法

　　一、 引言

　　随着社会的不断进步与科学技术的不断发展，现在人们越来越关心我们赖以生存的地球，世界上大多数国家也充分认识到了环境对我们人类发展的重要性。各国都在采取积极有效的措施改善环境，减少污染。这其中为重要也是为紧迫的问题就是能源问题，要从根本上解决能源问题，除了寻找新的能源，节能是关键的也是目前直接有效的重要措施 ，在近几年，通过努力，人们在节能技术的研究和产品开发上都取得了巨大的成果。

　　变频器和软启动器的应用领域是越来越广，使用也是越发频繁。在电机和风机的控制中，变频调速和软启动节能效果非常明显。

　　二、 电力能耗分析

　　为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，必须实时调节风机水泵等的流量。目前调节流量的方式多为调节阀调节，这种调节方式仅仅是改变了通道的通流阻抗，而电动机的输出功率并没有多大改变，往往是电机在全速运行，调节阀通过节流来控制生产的需要，实际上是人为增加阻力办法达到调节目的，这种节流调节方法浪费大量电能。当风量减少风机转速下降时，其电动机输入功率迅速降低。

　　在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。过大的起动转矩产生机械冲击，对被带动的设备造成大的冲击力，缩短使用寿命，影响度。如使连轴器损坏、皮带撕裂等。而使用软启动装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。电机启动时启动电流可从0 —— 电机额定电流逐步增加，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

　　三、 变频节能分析

　　采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下（根据机种不同，为125%~200%）。用工频电源直接起动时，起动电流为6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动（起动时间变长）。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。

　　3.1变频器的工作原理

　　变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。（但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用）。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。

　　交流电动机的同步转速表达式位：

　　n=60 f（1-s）/p 式（1）

　　式中 n———异步电动机的转速；

　　f———异步电动机的频率；

　　s———电动机转差率；

　　p———电动机极对数。

　　由式（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

　　变频器的作用是通过改变电源的频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。变频器分为交直交、交交变频两大类。　变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。

　　变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。根据着名变频器生产企业ABB的测算，单单该集团范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力，相应减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。

　　3.2变频器的节能方式

　　3.2.1变频节能：

　　为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。当电机转速从 N1 变到 N2时，其电机轴功率P的变化关系如下：

　　P=CN3; 式（2）

　　式中：P——主机发

　　N——主机转速

　　C——常数

　　当电机转速从N1减小到N2时，其功率也从P1减小到P2。功率的变化公式式（3）

　　由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。

　　如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。所队当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40一50，从而达到节电的目的。

　　例如：一台离心泵电机功率为55千瓦，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16千瓦，省电48.8%，当转速下降到原转速的l/2时，其耗电量为6.875千瓦，省电87.5%。

　　3.2.2动态调整节能：

　　随着电子技术的发展，变频器技术的成熟，变频器迅速适应负载变动，供给效率电压。变频调速器在软件上设有 5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。

　　3.2.3通过变频自身的V/F功能节电：

　　在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。

　　3.3.4提高功率因数节能：

　　电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言，阻抗特性呈感性，造成功率因数很低。采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：AC—— DC ——AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。

　　四、软启动节能特性：

　　软启动是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。电动机软起动器是运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。

　　在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收 7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。采用软启动后，启动电流可从0 —— 电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。当电动机处于空载或负载率很低时，可通过相位控制使晶闸管的导通角发生变化，从而改变输入电动机的功率，以达到节能的目的。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。

　　4.1软启动控制模式：

　　4.1.1限流软起动控制模式：电机起动时，其输出电压从零迅速增加，直至输出电流达到设定的电流限幅值Im ，然后保证输出电流在不大于该值的情况下，电压逐渐升高，电动机逐渐加速，当电动机达到额定转速时，旁路接触器吸合，输出电流迅速下降至额定电流Ie以下，完成起动过程。如图1所示。

　　4.1.2电压斜坡起动控制模式 : 当电动机起动时，在电动机电流不超出额定值400%的范围内，软起动器的输出电压迅速上升到整定值U1，然后按设定的速率逐渐增加，电动机随电压的上升不断平稳加速，直至达到额定电压后，达到额定转速，旁路接触器吸合，起动过程完成。一般而言，电压斜坡起动模式适用于对起动电流要求不严对起动平稳性要求较高的场所。输出特性曲线如图2所示。

　　4.1.3突跳+限流或突跳+电压起动模式：图3给出了突跳起动模式的输出变化波形，在某些重载场合下，由于机械静摩擦力的影响而不能起动时，可选用此种起动模式。在起动时，先对电动机施加一个较高的固定的电压并持续有限的一段时间，以克服电动机负载的静摩擦力使转动，然后按限制电流或电压斜坡的方式起动。在选用此模式前，应先用非突跳模式起动，若因静摩擦力太大不能转动，再选用此模式，否则应避免用此模式起动，以减少不必要的大电流冲击。

　　4.1.4 电流斜坡起动模式。图4为电流斜坡起动模式的输出电流波形，其中I1为限流值，T1为设置的时间值。电流斜坡起动模式具有较强的加速能力，适用与两极电动机，也可在一定范围内缩短起动时间。

　　五、变频节能使用误区

　　变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前提条件是：，大功率并且为风机/泵类负载；第二，装置本身具有节电功能（软件支持）；第三，长期连续运行。这是体现节电效果的三个条件。除此之外，无所谓节不节电，没有什么意义。一般交流电动机的机械特性曲线是一定的，理论和实际都已证明，当负载功率小于电动机的额定功率时，其效率随着负载转矩的减少而降低，也就是说，电动机轻载时会相对费电。而变频器会根据负载的大小自动调整V/f值（其中V为电动机定子绕组的电压，f为定子绕组的电压变化频率），改变电动机的机械特性曲线，使其与负载相适应，从而使效率得到提高，达到节能之目的。

　　六、结束语

　　电机系统节能是国家发改委启动的十大重点节能工程之一。国家发展规划要求，当前应推广变频调速节能技术，即风机、水泵、压缩机等通用机械系统采用变频调速节能措施，工业机械采用交流电动机变频工艺调速技术。电机系统节能是目前中国节能市场上商业潜力的领域。变频技术随着微电子学、电力电子、计算机和自动控制理论等的发展，已经进入了一个崭新的时代，完全成熟的技术，也使其应用进入了一个新的高潮。它是通过变频调速改变轴输出功率，达到减少输入功率节省电能的目的。