变频及软启动节能原理分析

摘 要：本文介绍了用电设备的能耗现状和构成，通过计算详细阐述了变频和软启动的节能原理。并列举变频器在风机和水泵控制中的节能优势和电机软启动有效抗击电网尖峰电压的过程。

关键词：变频器 软启动 节能

一、 引言

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，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，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。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，缩短使用寿命，影响精确度。如使连轴器损坏、皮带撕裂等。造成机械传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使用寿命。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。

三、 变频节能分析

3.1变频器的工作原理

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。目前交直交变频使用比较广泛，它由顺变器、中间滤波环节、逆变器三部分组成。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。

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，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。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，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，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，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.

四、软启动节能特性：

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。软启动控制器可以根据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，电动机工作在额定电压的机械特性上，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：第一,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最具商业潜力的领域。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。