摘 要：本文介紹了用電設備的能耗現狀和構成，通過計算詳細闡述了變頻和軟啟動的節能原理。并列舉變頻器在風機和水泵控制中的節能優勢和電機軟啟動有效抗擊電網尖峰電壓的過程。
關鍵詞：變頻器 軟啟動 節能

一、 引言

隨著工業化腳步的加快，節能降耗的形式越來越嚴峻，一些能降低工業損耗的電子產品都涌現出來。變頻器和軟啟動器的應用領域是越來越廣，使用也是越發頻繁。在電機和風機的控制中，變頻調速和軟啟動節能效果非常明顯。

二、 電力能耗分析

為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在生產過程中，由于電機的負荷變化范圍很大，必須實時調節風機水泵等的流量。目前調節流量的方式多為調節閥調節，這種調節方式僅僅是改變了通道的通流阻抗，而電動機的輸出功率并沒有多大改變，往往是電機在全速運行，調節閥通過節流來控制生產的需要，實際上是人為增加阻力辦法達到調節目的，這種節流調節方法浪費大量電能。當風量減少風機轉速下降時，其電動機輸入功率迅速降低。例如風量下降到80%，轉速n也下降到80%時，其軸功率則下降到額定功率51%;若風量下降到50%，軸功率將下降到額定功率13%，其節電潛力非常大。

在電機全壓啟動時，由于電機的啟動力矩需要，要從電網吸收 7 倍的電機額定電流，而大的啟動電流即浪費電力，對電網的電壓波動損害也很大，增加了線損和變損。過大的起動轉矩產生機械沖擊，對被帶動的設備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。造成機械傳動部件的非正常磨損及沖擊，加速老化，縮短壽命從而增加維護工作量。電機硬啟動對電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用軟啟動裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。節省了設備的維護費用。電機啟動時啟動電流可從0 —— 電機額定電流逐步增加，減少了啟動電流對電網的沖擊，節約了電費，也減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。

三、 變頻節能分析

3.1變頻器的工作原理

交流電動機的同步轉速表達式位：

n=60 f（1-s）/p 式（1）

式中 n———異步電動機的轉速;
f———異步電動機的頻率;
s———電動機轉差率;
p———電動機極對數。

由式（1）可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

變頻器的作用是通過改變電源的頻率來改變電機的轉速，也就是通常所說的變頻調速。變頻器分為交直交、交交變頻兩大類。目前交直交變頻使用比較廣泛，它由順變器、中間濾波環節、逆變器三部分組成。順變器的作用是將定壓定頻的交流電變換為可調直流電，通過電壓型或電流型濾波器為逆變器提供直流電源。逆變器將直流電源變為可調頻率的交流電。順變器和逆變器都是晶閘管三相橋式電路。濾波器由電容或電抗器組成，為逆變器提供穩定的電壓源或電流源。

3.2變頻器的節能方式

3.2.1變頻節能：

為了保證生產的可靠性，各種生產機械在設計配用動力驅動時，都留有一定的富余量。電機不能在滿負荷下運行，除達到動力驅動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費，在壓力偏高時，可降低電機的運行速度，使其在恒壓的同時節約電能。當電機轉速從 N1 變到 N2時，其電機軸功率P的變化關系如下：

P=CN3; 式（2）

式中：P——主機發
N——主機轉速
C——常數

當電機轉速從N1減小到N2時，其功率也從P1減小到P2。功率的變化公式式（3）

由此可見降低電機轉速可得到立方級的節能效果。

如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。所隊當所要求的流量Q減少時，可調節變頻器輸出頻率使電動機轉速n按比例降低。這時，電動機的功率P將按三次方關系大幅度地降低，比調節擋板、閥門節能40一50，從而達到節電的目的。

例如：一臺離心泵電機功率為55千瓦，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16千瓦，省電48.8%，當轉速下降到原轉速的l/2時，其耗電量為6.875千瓦，省電87.5%。

3.2.2動態調整節能：

隨著電子技術的發展，變頻器技術的成熟，變頻器迅速適應負載變動，供給最大效率電壓。變頻調速器在軟件上設有 5000次/秒的測控輸出功能，始終保持電機的輸出高效率運行。

3.2.3通過變頻自身的V/F功能節電：

在保證電機輸出力矩的情況下，可自動調節V/F曲線。減少電機的輸出力矩，降低輸入電流，達到節能狀態。

3.3.4提高功率因數節能：

電動機由定子繞組和轉子繞組通過電磁作用而產生力矩。繞組由于其感抗作用。對電網而言，阻抗特性呈感性，電機在運行時吸收大量的無功功率，造成功率因數很低。采用變頻節能調速器后，由于其性能已變為：AC—— DC ——AC，在整流濾波后，負載特性發生了變化。變頻調速器對電網的阻抗特性呈阻性，功率因數很高，減少了無功損耗.

四、軟啟動節能特性：

在電機全壓啟動時，由于電機的啟動力矩需要，要從電網吸收 7 倍的電機額定電流，而大的啟動電流即浪費電力，對電網的電壓波動損害也很大，增加了線損和變損。采用軟啟動后，啟動電流可從0 —— 電機額定電流，減少了啟動電流對電網的沖擊，節約了電費，也減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長了設備的使用壽命。軟啟動控制器可以根據電動機功率因數的高低，自動判斷電動機的負載率。當電動機處于空載或負載率很低時，可通過相位控制使晶閘管的導通角發生變化，從而改變輸入電動機的功率，以達到節能的目的。軟啟動器采用三相反并聯晶閘管作為調壓器，將其接入電源和電動機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。