浅析变频器的工作原理和节能原理

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已经成为发展趋势。电机变频技术也随着交流电机无级调速的需要而发展。一提起变频调速，大家就能和节能挂起钩来。近年来，尽管我国在能源开发方面进展迅速，但还是跟不上需求的增长，节能问题始终处于相当突出的位置。变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到广泛应用。下面就变频器应用在电动机中的工作原理及节能原理进行了简要阐述。

变频器的工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

我们知道，交流电动机的同步转速表达式为：

n＝60f(1－s)/p

式中n为异步电动机的转速;f为异步电动机的频率;s为电动机转差率;p为电动机极对数。

由式可知，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。变频器利用电力电子半导体器件的通断作用来实现电力电能大功率的变换及控制，使电力电路实现电子化，可直观地进行控制和显示。由于变频器的这个优越性，使得其适用领域越来越宽广，所采用技术也不断拓宽，同时也为追求变频器的小型化，人们也一直在不断和减少元器件的发热做斗争。由于新一代的IGBT采用了漏极-控制极新技术，使集电极-射极间的饱和电压(Ucesat)大为降低，因而采用这种新器件损耗低，有降低发热消除损耗的效果。

目前，380V小容量通用变频器应用较为广泛；但用电量比较大，节能效果最为显著的还是高压大容量变频器。随着变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术得到了广泛的应用，使用范围基本上覆盖了我国各主要行业，如:电力、冶金、石油、化工、造纸等。产品电压等级包括3kV、6kV和 10kV以及油田专用潜油电泵使用的1，600V-2，400V产品，基本可拖动风机、水泵、压缩机等各类负载。高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速，既可满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求，又可大幅度的节约能源，降低生产成本。随着以GTO、IGBT、IGCT等为代表的自关断器件的发展， 人们对各种适合高压变频的主电路拓扑结构的研究得到进一步深入，以DSP为代表的智能控制芯片的迅速普及，为高压变频调速技术应用研究也打下了坚实的基础。高压变频器作为一个节约资源型的产品，随着电力电子技术的不断发展，产品的不断改进，概念的深入，市场的拓展，将会显示出巨大的技术发展前景和市场需求量.相应地，对变频器的节能要求也相应地提高了。

变频器的节能原理

变频节能

变频调速之所以节能，主要在于把全速运行中浪费的电能节约了下来。尤其是闭环调速系统，如恒压供水系统等，实现了按需拖动，几乎完全消除了拖动系统在运行过程中的浪费。变频器节能主要表现在风机类水泵类负载的应用上。这类负载由流体力学可知，p(功率)＝Q(流量)譎(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，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。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所以当所要求的流量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，转速控制方式在低速小流量时，仍可使泵机高效率运行。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％～50％，从而达到节省电能的目的。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％。变频器在某些情况下可以节电40%以上，但是某些情况还会比不接变频器浪费！变频器是通过轻负载降压实现节能的， 拖动转距负载由于转速没有多大变化，即便是降低电压，也不会很多，所以节能很微弱。但是用在风机环境就不同了，当需要较小的风量时刻，电机会降低速度，我们知道风机的耗能跟转速的1.7次方成正比，所以电机的转距会急剧下降，节能效果明显。当然，如果环境要求必须调速，变频器节能效果还是比较明显的。不调速的场合变频器不会省电，只能改善功率因数。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。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。

功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

软启动节能

电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大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，节省了设备的维护费用。

结论

变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。在许多场合，还存在着大马拉小车的现象， 在这一方面，还大有潜力。变频器应用了现代的科学技术，价格昂贵但性能良好，内部结构复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域。随着技术的发展，成本的降低，变频器一定还会得到更广泛的应用，同时也能为我国的节能事业做出一定贡献。

（作者单位：山西省晋城市阳城国际发电有限责任公司）