1、變頻器的工作原理

    變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件通斷作用將工頻電源變換成另一頻率電能控制裝置。首先將輸入交流電轉(zhuǎn)換成直流電，然后再逆變換成另一頻率的交流電。變頻器內(nèi)部控制系統(tǒng)： 信號檢測、控制電路、觸發(fā)脈沖電路，其原理圖如圖l 所示。

    變頻器電機(jī)調(diào)速的基本原理基于以下公式：

    ( 1) 公式中：n 是同步電機(jī)轉(zhuǎn)速( r / min) ；f是定子供電電源頻率( Hz) ；p 是磁極對數(shù)。一般異步電機(jī)轉(zhuǎn)速與同步電機(jī)轉(zhuǎn)速存在一個滑差關(guān)系，如下式：

    ( 2)公式中：n 是異步電機(jī)轉(zhuǎn)速( r/min) ；s 是異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

    公式( 1) ( 2) 得到，改變電源頻率楋 ，就可以改變電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。電源頻率增加，同步轉(zhuǎn)速就增大，實際轉(zhuǎn)速也增加；電源頻率降低，電機(jī)實際轉(zhuǎn)速也相應(yīng)下降。這種通過改變電源頻率來進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程稱為變頻調(diào)速。

    在工業(yè)中，對鼠籠式電機(jī)的調(diào)速控制占工業(yè)生產(chǎn)中電機(jī)調(diào)速的主要部分。變頻調(diào)速技術(shù)就是給電機(jī)提供可變頻率的電源同時由變頻器對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的技術(shù)。

    改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種： 改變滑差； 改變電動機(jī)磁極對數(shù)； 改變輸入電壓頻率。對異步電機(jī)最好的方法是改變頻率楋 。由電機(jī)理論可知，三相異步電機(jī)各相電勢的有效值與下式有關(guān)：

    公式( 3) 中：E： 定子各相電勢有效值； f ： 定子供電電源頻率；n： 定子有效匝數(shù)； Φm： 定子磁通量。

    由此可知，調(diào)節(jié)方法分為三種： 恒功率調(diào)節(jié)； 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)； 轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)節(jié)。

    2、變頻器的節(jié)能作用

    變頻器節(jié)能原理： 由交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：N = 60f ( 1 －s) / p 可知交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與供電電源頻率成正比，通過改變電機(jī)供電電源的頻率就可以達(dá)到調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。又由流體傳輸設(shè)備( 水泵、風(fēng)機(jī)) 的工作原理可知： 水泵、風(fēng)機(jī)的流量與轉(zhuǎn)速成正比； 水泵、風(fēng)機(jī)的壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比及水泵、風(fēng)機(jī)的軸功率等于流量與壓力的乘積，因此，水泵、風(fēng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

    由此可知，只要改變電機(jī)轉(zhuǎn)速就可以改變輸出功率。而變頻器是通過減輕負(fù)載和降低電壓來實現(xiàn)節(jié)能的。當(dāng)風(fēng)機(jī)得到很小風(fēng)量時，電機(jī)轉(zhuǎn)速就會降低，由于風(fēng)機(jī)的能耗跟轉(zhuǎn)速平方成正比，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就急劇下降，節(jié)能效果非常明顯。對于水泵同樣的道理。

    3、變頻器在工業(yè)節(jié)能降耗中的作用

    隨著變頻器技術(shù)的日益成熟，在工業(yè)中節(jié)能降耗的應(yīng)用也越來越廣泛，作用也日益明顯。本文就工業(yè)中典型的節(jié)能降耗實例闡述，如變頻器在風(fēng)機(jī)、水泵上的節(jié) 能降耗作用。下面就低加疏水泵的節(jié)能降耗實例進(jìn)行分析。水泵用電量是某廠用電量的主要部分，因此某廠最有效節(jié)能降耗措施就是減少水泵耗電量。水泵實際運(yùn)行 時，效率是不斷變化的。因此，必須根據(jù)實際情況來進(jìn)行調(diào)節(jié)才能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

    3.1、水泵運(yùn)行分析

    某廠在對工廠的低加疏水泵進(jìn)行變頻改造前，一方面，對出口流量的控制采用電動調(diào)節(jié)閥，線性度差，影響自動調(diào)節(jié)穩(wěn)定投運(yùn)； 水泵運(yùn)行過程調(diào)節(jié)閥流量大，存在節(jié)流損失，造成電能浪費(fèi)。另一方面，由于調(diào)節(jié)性能不好，經(jīng)常發(fā)生水泵水位過低或空泵運(yùn)行，水泵的部件容易損壞，影響水泵的 使用壽命； 有時甚至?xí)霈F(xiàn)水位過高影響機(jī)組安全運(yùn)行。下面是低加疏水泵的特性曲線分別是節(jié)流調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)的節(jié)能降耗情況，如圖2( a) 、圖2( b) 所示。其中Q －H為水泵的特性曲線，I、Ⅱ為管路特性曲線。

    圖2( a) 為水泵節(jié)流調(diào)節(jié)特性，節(jié)流調(diào)節(jié)中當(dāng)出口調(diào)節(jié)門開度調(diào)小，管路特性曲線由I 變?yōu)棰颉Ｅc水泵特性曲線交點由2 變?yōu)?，耗能分別為0Q22H2，0Q11H1。

    圖2( b) 為水泵變頻調(diào)節(jié)特性，當(dāng)出口調(diào)節(jié)門開度最大時，變頻調(diào)節(jié)通過改變水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此管路特性曲線不變，水泵特性曲線上下移動。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)小時，水泵特性曲線與管路特件曲線交點由1 變?yōu)?，耗能分別為OQ11H1，0Q22H2。并且揚(yáng)程基本不變，壓力滿足系統(tǒng)要求，不需做很多調(diào)整。因此，變頻器調(diào)節(jié)耗能減少。

    3.2、節(jié)能作用

    下面根據(jù)某廠#2 低加疏水泵在2010 年9 月實現(xiàn)的變頻改造，分別取變頻改造前后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以說明變頻器在工業(yè)節(jié)能降耗中的作用，如表1 和表2。

    #2 低加疏水泵參數(shù)： 額定流量是52．5m3/ h，出口壓力為1．41MPa。電動機(jī)參數(shù)： 額定功率為55KW，額定電壓為380V． 額定電流為102．6A，轉(zhuǎn)速是2970r / min。變頻器參數(shù)：額定功率為55KW，輸入電壓是( 380 ～480V) ±10%，輸出電壓是0 ～400V，輸出頻率是0 ～300Hz。

    改造前后運(yùn)行狀況基本一樣，分別取兩天24 小時的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。改造前得到水泵電流分別為：66.9A，65. 4A，65.9A，改造后取水泵電流分別為：39.7A，39.8A，39.3A。輸入電壓取380V，功率因素取0．81。

    可得到#2低加疏水泵改造前的水泵耗電量為：

    由于改造后耗電量還包括變頻器本身風(fēng)扇耗電量和控

    制電源耗電量，估計每天的耗電量也就5KWh。

    綜上計算結(jié)果可知變頻器的節(jié)能降耗作用明顯，特別變頻器運(yùn)行在低負(fù)荷時節(jié)能效果更明顯。

    4、結(jié)語

    綜上所述，可知變頻器在工業(yè)技能降耗上的作用是非常明顯的。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展完善，變頻器技術(shù)日益顯現(xiàn)出其節(jié)能降耗優(yōu)勢，使其在工業(yè)領(lǐng)域節(jié) 能降耗中應(yīng)用日益廣泛。只要在工業(yè)生產(chǎn)中選用合適變頻器，能夠得到很好的節(jié)能降耗效果。在提倡節(jié)能減排大環(huán)境下，在工業(yè)中使用變頻器來進(jìn)行節(jié)能降耗，會帶 來良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。