變頻調(diào)速在電機(jī)節(jié)能中所發(fā)揮的作用

電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的設(shè)備，應(yīng)用量多、使用范圍廣的高耗能動(dòng)力設(shè)備。在工業(yè)生產(chǎn)中據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的總裝機(jī)容量約為4億千瓦，年耗電量約為6000億kwh，約占工業(yè)用電的70%—80%。我國(guó)以中小型電機(jī)為主，約占80%，而中小型電機(jī)耗損的電量卻占總損耗量的90%。電機(jī)在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用中，同國(guó)外相比差距很大，機(jī)組效率為75%，比國(guó)外低10%;系統(tǒng)運(yùn)行效率為30%—40%，比國(guó)際先進(jìn)水平低20%—30%。因此在我國(guó)中小型電機(jī)具有極大的節(jié)能潛力，推行電機(jī)節(jié)能勢(shì)在必行。

1 電動(dòng)機(jī)的工作原理

三相異步電動(dòng)機(jī)定子鐵芯上按一定的規(guī)律均勻布置著三組繞組，接通三相電源時(shí)定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，閉合導(dǎo)條中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，旋轉(zhuǎn)磁極的磁場(chǎng)對(duì)該電流作用，產(chǎn)生電磁力，轉(zhuǎn)子便產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，順著旋轉(zhuǎn)磁極方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度相同時(shí)，導(dǎo)條不發(fā)生相對(duì)切割，而沒(méi)有力的作用，導(dǎo)致永遠(yuǎn)趕不上旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度而叫異步電動(dòng)機(jī)。三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)實(shí)耐用，便于制造，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)使之廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

單相異步電機(jī)一般有兩副或四副繞組，通過(guò)電容移相，把相位相差90°，從而產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)，但與同容量的三相電動(dòng)機(jī)相比較，體積較大，運(yùn)行性能差，效率低。因此，只制造成小功率系列。

2 變頻調(diào)速的工作原理

變頻器是將固定頻率的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，由三相交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=(1-s)60f/p可知，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率s和磁極對(duì)數(shù)p和改變頻率f，一個(gè)量或者多個(gè)量變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之變化。

2.1 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率調(diào)速

1)給異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子引入其他電動(dòng)勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為串級(jí)調(diào)速，引入電動(dòng)勢(shì)的方向與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)不同或相同，但頻率相同，通過(guò)改變引入電動(dòng)勢(shì)的大小可改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。2)給繞線異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻來(lái)調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，引入電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。上述兩種方法沒(méi)有改變同步轉(zhuǎn)速，只改變轉(zhuǎn)差率，原因在轉(zhuǎn)子回路的電流發(fā)生了變化，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變而引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。3)給電動(dòng)機(jī)的電源電壓發(fā)生改變，同步轉(zhuǎn)速?zèng)]有改變，但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩因電壓的降低而降低，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而降低。

2.2 改變磁極對(duì)數(shù)調(diào)速

磁極對(duì)數(shù)的改變直接使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，但電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)只能是正整數(shù)，所以不能無(wú)級(jí)調(diào)速。

2.3 改變頻率調(diào)速

通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電源的頻率使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。由上述都可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，轉(zhuǎn)差率調(diào)速一般會(huì)有效率低、發(fā)熱、平滑性差等缺點(diǎn)，而變頻調(diào)速恰好可以改變這些，使得電動(dòng)機(jī)效率高、性能好、無(wú)級(jí)變速等。

3 變頻調(diào)速的特點(diǎn)

1)保護(hù)功能完善。具有過(guò)載、過(guò)流、過(guò)電壓和欠電壓等功能，在這些保護(hù)中，保證負(fù)載在正常情況下避免出現(xiàn)故障而引起的電能浪費(fèi)。

2)控制功能簡(jiǎn)單。具有面板、外部?jī)煞矫嬲w控制，正反轉(zhuǎn)、多段速、外部信號(hào)給定等，使其操作簡(jiǎn)單，效率提升。

3)參數(shù)設(shè)置多樣化。加減速、制動(dòng)、頻率跳變、程序運(yùn)行等，從根本上調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，能量的浪費(fèi)。

4)控制方式多樣。

①U/f控制，在實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的同時(shí)改變電壓，這樣，在不損壞電動(dòng)機(jī)的情況下，利用鐵芯發(fā)揮轉(zhuǎn)矩的能力，補(bǔ)償電壓的大小可調(diào)節(jié)，便可應(yīng)用于不同負(fù)載。②矢量控制，該控制使電動(dòng)機(jī)有很硬的機(jī)械特性，有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4 變頻器調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益

我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)了25年。黨的十六大提出2020年全面建成小康社會(huì)的目標(biāo)，要求GDP年均增長(zhǎng)7.2%，這在世界工業(yè)化國(guó)家中是前所未有的，是人類(lèi)歷史上空前的社會(huì)實(shí)踐。2005年，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值已達(dá)到182321億元，經(jīng)濟(jì)總量已達(dá)到22 500億美元(按匯率)，占世界第四位，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、工業(yè)增加值、固定資產(chǎn)投資都在高速增長(zhǎng)，但在增長(zhǎng)的同時(shí)也要減少損失，通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)后，節(jié)能效果使經(jīng)濟(jì)效益得到全面提高。

4.1 故障率的減少提高經(jīng)濟(jì)效益

在直流系統(tǒng)中，調(diào)速性能好，但故障多。1)每次在加工中零件的損失。2)修理過(guò)程中耽擱的時(shí)間造成的損失。3)本身修理的損失等。

4.2 設(shè)備壽命的延長(zhǎng)提高經(jīng)濟(jì)效益

1)有些設(shè)備全速運(yùn)行時(shí)阻矩大，摩損嚴(yán)重，使用變頻調(diào)速后，運(yùn)行平穩(wěn)，磨損大大減少，壽命延長(zhǎng)。2)在電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)和停止過(guò)程中，設(shè)備沖擊大而使壽命減少，變頻調(diào)速后啟動(dòng)停止過(guò)程得到改善而使壽命延長(zhǎng)。3)在水力管網(wǎng)中，水泵直接控制而導(dǎo)致水錘效應(yīng)減少水泵和管網(wǎng)的壽命，變頻的恒壓控制使壓力變化平穩(wěn)而提高壽命。

4.3 質(zhì)量的提升提高的經(jīng)濟(jì)效益

1)變頻器無(wú)極調(diào)速能使質(zhì)量提升。2)接受反饋能使質(zhì)量提升。3)檢測(cè)的準(zhǔn)確是質(zhì)量提升。

節(jié)能是我國(guó)的基本國(guó)策其中之一。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開(kāi)能源，能源的緊缺是世界性問(wèn)題。

近20年來(lái)變頻調(diào)速的發(fā)展，普及應(yīng)用大約10年的時(shí)間，在這期間，變頻調(diào)速在節(jié)能中發(fā)揮著重要的作用，已成為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速必不可少的控制方式，所以節(jié)能貫穿于以后的經(jīng)濟(jì)生活當(dāng)中，如軋鋼、紡織、空調(diào)、洗衣機(jī)等，在各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。