1 引言
隨著電力電子技術、微電子技術和計算機控制技術的飛速發展，針對交流電動機的交流變頻調速技術在20世紀80年代迅速發展起來。相對于其它調速方式(如:降壓調速、變極調速、滑差調速、交流串級調速等)，變頻調速性能穩定、調速范圍廣、效率高，隨著現代控制理論和電力電子技術的發展，交流變頻調速技術日臻完善，它已成為交流電機調速的最新潮流。
2 變頻調速原理
根據電機學的原理可知:異步電動機的轉速與頻率有以下關系:
(1)
式中:n為電機的轉速;
f為電源頻率;
p為電機極對數;
s為轉差率。
由(1)式可知:異步電動機的同步轉速n與其供電頻率成正比，所以改變電源頻率就能改變電機轉速，從而實現調速的目的。
在變頻調速過程中，在一定的轉矩t下，s基本不變，隨著同步轉速ns下降，對應磁場角速度ωs也降低，電動機輸入電磁功率pm=tωs和輸出功率p2=pm(1-s)=tωs(1-s)成比例下降，損耗沒有增加，所以變頻調速是一種高效的調速方法。變頻調速不僅能實現無極調速，而且根據不同的負載特性，通過適當調節電壓u與頻率f之間的關系:對于恒轉矩負載應保持
常數;對于恒功率負載應保持常數;對于風機、水泵類負載應保持常數。這樣就能使使電動機始終運行在高效區。
3 變頻調速節能分析
(1) 恒轉矩負載類應用
恒轉矩負載即不管轉速如何變化，負載轉矩是恒定的。其公式如下:
p=k×t×n (2)
式中:p為軸功率，k為系數，t 為負載轉矩，n為轉速。
從公式(2)可以看到，軸功率與電機的轉速成正比，應用變頻調速技術后，如當由于工藝的需要而降低電機轉速n至額定轉速的80%時，相應的電能消耗降低為原來的80%。
(2) 變轉矩負載類應用
通過流體力學的基本定律可知:風機、泵類、壓縮機設備均屬變轉矩負載，其轉速n與流量q，壓力h以及軸功率p具有如下關系:q∝n，h∝n2，p∝n3;即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。當電機轉速稍有下降時，軸功率將大幅下降。如當流量為額定流量的80%時，pn僅為0.51pe，即電機軸功率僅為額定功率的51%，下降近一半。因而當變頻器應用于風機、水泵、壓縮機等負載，當流量有變化時就能夠節能，且節能效果非常顯著。
4 基于變頻調速的流量調節與其他方法的比較
若采用吸入側加擋板調節流量，電機運行于額定轉速，在不同流量q時，電機軸功率pq與額定功率pe和額定流量qe有下列經驗公式:
(3)
同樣當q為額定流量的80%時，pq=(0.4+0.6×0.8)pe=0.88pe，即電機軸功率仍為額定功率的88%。如果采用變頻調速技術來調節流量，則節電率為:
根據風機、水泵、空壓機類負載軸功率p與流量q之間關系曲線分析見圖1所示。
圖1 流量-功率(q-p)曲線
可見吸入側加擋板好于出風側加擋板的節能效果，而變頻調速(閥門全開)的節能效果要明顯好于擋板調節，是最節能的一種方法。
5 變頻調速節能技術在實際生產中的應用
玻殼生產線需要大量的壓縮空氣來驅動氣動閥門及氣缸，而這些壓縮空氣都需要空壓機來供應。玻殼生產線屬于大規模不間斷生產，要求壓縮空氣的供應必須連續穩定，但是各條生產線的用氣量不是恒定的，因此就出現了空壓機必須連續運轉，但負荷卻時大時小的情況。這種運行方式有以下不足之處:
(1) 當用氣量小時空壓機為了維持恒定的壓力需要調節進氣閥的大小或者打開放空閥，這樣就有一部分電能被白白的浪費掉并且造成了設備的磨損，增加了運行成本。
(2) 在用氣量變化頻繁時期內，不能很好地穩定供氣壓力。
為了穩定生產、節約能源，我們對系統進行了變頻調速改造，在空壓機減荷閥與空壓機的出口安裝壓力傳感器，用來獲得所需要的電流信號。當系統用氣量小時，空壓機出口的壓力升高，壓力傳感器的阻值減小，24v直流電源把壓力傳感器的阻值轉變為電流信號，使其對智能調節器輸入的電流信號增大，調節器顯示壓力值升高，同時與設定值比較后，對變頻器反向輸出的電流信號變化。該信號輸人變頻器后經內部處理使輸出電源的頻率逐漸變小，最小可達設定頻率下限30hz電動機轉速下降，同時空壓機的轉速也下降，排氣量減少。當系統用氣量大時，系統壓力逐漸降低，變頻器輸出電源頻率升高，最高不超過50hz，電動機轉速增加，排氣量增大，滿足系統用氣量要求。當供氣量與用氣量基本持平時，變頻器就會以保持該點的頻率運行。該系統為閉環式自動調節系統，控制方框圖如圖2所示。
圖2 變頻調速系統框圖
為了安全起見，在安裝變頻裝置時，保留了原有的工頻控制設備及排氣量控制設備，在變頻柜上設置了工頻/變頻轉換開關。當變頻裝置出現故障時，可方便地轉換到工頻運行狀態。
6 改造后的效果
(1) 大大地節約了電能
應用變頻裝置后，空壓機是通過變頻裝置改變電源頻率來調整電動機的轉速，繼而改變空壓機排氣量，提供穩定壓力的，不存在電動機空運轉問題。經測算，在系統用風量基本相同的情況下，節能效果明顯。計算如下:單臺空壓機電機功率為125kw，改造前日耗電量為240×125=3000kwh，改造后日耗電量為1850kwh，節電率為:
。年節約電費為(3000－1850)×365×0.42=176295元。我們一共對三臺空壓機進行了改造，年節約電費為:176295×3=528885元。
(2) 延長了機器的使用壽命
由于調速后設備的轉速下降，磨損減少，起動時轉速緩慢提升，也減少了對設備的沖擊。
(3) 控制簡單、靈活、精度高、反應快速
變頻器可按工藝要求靈活控制，反應時間一般可達0.2s，調速精度可達到0.5%，調速范圍廣，機械特性硬，能滿足嚴格的生產、工藝要求。通過閉環可實現自動控制，選用手動控制僅以單一的電流、電壓信號即可，非常簡便，并可實現異地控制。
7 變頻調速應用需要注意的問題
(1) 因變頻器運行時產生高次諧波，會對電機及周圍設備產生干擾，所以一定要加裝濾波設備，防止設備出現意外情況。
(2) 運行信號干擾。變頻器的輸入信號很小，對干擾很敏感，一旦輸入信號存在較大干擾，將會出現電機轉速不平穩、發熱等一系列問題。所以安裝時一定要加裝獨立的屏蔽線，方可避免此類問題。
(3) 環境的影響。如果變頻器集中安裝于室內，要注意環境溫度的變化及變頻器溫度的變化，必要時進行強制通風或用空調風機進行冷卻，以降低環境溫度對變頻器的影響。否則就會減少其使用壽命。
(4) 要充分考慮風機、水泵、空壓機的運行情況，如運行參數穩定，基本全速運行，不需要調速，則不要用變頻器。另外調速范圍也要注意，當轉速低于40%~50%時，采用變頻設備效率將明顯降低，一般控制在50%~70%。
8 結束語
隨著我國經濟的高速發展，能源緊缺問題已成為我們不得不面對的現實。全國范圍內的連續拉閘限電已給我們拉響了能源的警報。同時異常激烈的市場競爭已滲透到各行各業的每個角落中，生產型企業能否有效的提高生產效率、工藝、節能降耗從而降低生產成本，已經成了企業能否生存發展的重要因素。據不完全統計在我國的電能的60%是被各行各業中廣泛使用的風機、水泵、空壓機所消耗，這些設備絕大部分還是用閥門擋板來調節流量或者壓力。如果這其中的一半能夠進行變頻改造，其經濟效益將是十分可觀的。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
