变频及软启动节能原理分析

　　随着工业化脚步的加快，节能降耗的形式越来越严峻，一些能降低工业损耗的电子科技类产品都涌现出来。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约能源的效果非常明显。

　　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，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在生产的全部过程中，由于电机的负荷变化范围很大，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，其实就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。例如风量下降到80%，转速n也下降到80%时，其轴功率则下降到额定功率51%;若风量下降到50%，轴功率将下降到额定功率13%，其节电潜力非常大。

　　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，缩短常规使用的寿命，影响精确度。如使连轴器损坏、皮带撕裂等。造成物理运动部件的非正常磨损及冲击，加速老化，缩短寿命从而增加维护工作量。电机硬启动对电网导致非常严重的冲击，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、管路的常规使用的寿命极为不利。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，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常规使用的寿命。节省了设备的维护费用。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。

　　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。目前交直交变频使用较为广泛，它由顺变器、中间滤波环节、逆变器三部分所组成。顺变器的作用是将定压定频的交流电变换为可调直流电，通过电压型或电流型滤波器为逆变器提供直流电源。逆变器将直流电源变为可调频率的交流电。顺变器和逆变器都是晶闸管三相桥式电路。滤波器由电容或电抗器组成，为逆变器提供稳定的电压源或电流源。

　　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，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的工作速度，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：

　　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）

　　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，进而达到节电的目的。

　　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%。

　　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，供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有 5000次/秒的测控输出功能，从始至终保持电机的输出高效率运行。

　　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。

　　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，电机在运行时吸收大量的无功功率，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.

　　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，延长了设备的常规使用的寿命。软启动控制器能够准确的通过电动机功率因数的高低，自动判断电动机的负载率。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明显的变化，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。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在标称电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。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达成目标的晶闸管，为电动机正常运作提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的常规使用的寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。