變頻器(Variable-frequency Drive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流(交流變直流)、濾波、逆變(直流變交流)、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等組成。

相對(duì)于工業(yè)化國(guó)家來(lái)說(shuō)，我國(guó)變頻器行業(yè)起步比較晚，到20世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)企業(yè)才開(kāi)始認(rèn)識(shí)變頻器的作用，并開(kāi)始嘗試使用，國(guó)外的變頻器產(chǎn)品正式涌進(jìn)中國(guó)的市場(chǎng)。隨著變頻技術(shù)的普及和大規(guī)模應(yīng)用，我國(guó)迅速掌握了變頻器的制造技術(shù)，現(xiàn)國(guó)內(nèi)品牌也大量占據(jù)著變頻器產(chǎn)品市場(chǎng)。中國(guó)對(duì)于變頻器從開(kāi)始應(yīng)用到大規(guī)模普及已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)二十年時(shí)間。

一、工控變頻器的節(jié)能節(jié)電原理

1、 通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速節(jié)能：工業(yè)企業(yè)為保證生產(chǎn)裝置的可靠性，驅(qū)動(dòng)能力較設(shè)計(jì)負(fù)荷都留有一定的裕量。因此，就會(huì)出現(xiàn)很多電機(jī)并非在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，從而多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費(fèi)。對(duì)于這種狀況，通過(guò)變頻器調(diào)速功能可以降低電機(jī)的運(yùn)行速度，從而使電機(jī)在維持恒壓的同時(shí)降低電能的消耗。

假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?N1 下降到 N2，則其軸功率 P將變?yōu)椋?/p>

P2/ P1 = (N2/N1)3

由此可見(jiàn)，通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式便可實(shí)現(xiàn)立方級(jí)的節(jié)能效果。

2、通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整效率節(jié)能：變頻器自身配置的測(cè)控輸出功能持續(xù)監(jiān)測(cè)負(fù)載變動(dòng)，并迅速作出調(diào)整以適應(yīng)負(fù)載的變動(dòng)，從而使電機(jī)的輸出始終保持高效率。

3、通過(guò)V/F功能節(jié)能：在保證電機(jī)輸出力矩的情況下，變頻自身可自動(dòng)調(diào)節(jié)V/F曲線，減少了電機(jī)的輸出力矩以及降低了輸入電流，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

4、 通過(guò)軟啟動(dòng)功能節(jié)能：眾所周知，電機(jī)在全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，根據(jù)電機(jī)的啟動(dòng)力矩要求，從電網(wǎng)吸收的電流約為電機(jī)額定電流的7 倍，而啟動(dòng)電流較大的話不僅浪費(fèi)電力，而且對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生較大的波動(dòng)，電網(wǎng)的不斷波動(dòng)也會(huì)增加線損和變損。通過(guò)變頻器的軟啟動(dòng)功能，電機(jī)啟動(dòng)電流可從0 逐步上升到電機(jī)的額定電流，有效緩和了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，不僅降低了大電流電能的浪費(fèi)，也降低了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大幅沖擊，減少了設(shè)備壽命損耗。

5、通過(guò)提高功率因數(shù)節(jié)能：大部分三相異步電動(dòng)機(jī)都屬于感性負(fù)載，由于電機(jī)在運(yùn)行時(shí)大量吸收無(wú)功功率，造成功率因數(shù)較低。采用變頻器后，其特性變成了：AC- DC -AC，通過(guò)變頻器的整流濾波過(guò)程后，變頻器對(duì)電網(wǎng)的阻抗特性呈阻性，提高了功率因數(shù)，從而減少了無(wú)功損耗。

綜上而言，變頻器在很多場(chǎng)合確實(shí)擁有一定的節(jié)能效果，甚至在某些場(chǎng)合效果極其顯著。因此，變頻器作為一種優(yōu)秀的技術(shù)創(chuàng)新，從根本上來(lái)說(shuō)是非常值得大力推廣的。

二、對(duì)變頻器節(jié)能節(jié)電的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

由于變頻技術(shù)的大力推進(jìn)，以及變頻器商家的大力宣傳，一些工業(yè)企業(yè)已在潛意識(shí)中將使用變頻器與節(jié)能節(jié)電畫(huà)上等號(hào)。然而，在實(shí)際使用中，由于面臨的情況不同，很多企業(yè)在實(shí)踐中逐步發(fā)覺(jué)不是所有應(yīng)用變頻器的地方都能節(jié)能節(jié)電。那么造成這種情況的原因以及人們對(duì)變頻器還有哪些認(rèn)識(shí)誤區(qū)?

1、變頻器在所有類(lèi)型電機(jī)上使用均能節(jié)電

變頻調(diào)速器能否實(shí)現(xiàn)節(jié)電，是由其負(fù)載的調(diào)速特性決定的。對(duì)于離心機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載屬于二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，才滿足電機(jī)輸出功率P∝Tn，P∝n3，即電動(dòng)機(jī)軸上的輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。可見(jiàn)，對(duì)于二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，變頻調(diào)速器節(jié)電效果最為突出。

對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，例如羅茨風(fēng)機(jī)等，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)。一般設(shè)置一個(gè)排風(fēng)口通過(guò)閥門(mén)控制，當(dāng)風(fēng)量超出需求時(shí)，排出多余風(fēng)量從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。這種情況下可以采用調(diào)速運(yùn)行，同樣也可以達(dá)到節(jié)電的效果。另外對(duì)于恒功率負(fù)載，功率與轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)。這些情況下就沒(méi)必要投用變頻器。

2、關(guān)于能耗計(jì)算時(shí)方法錯(cuò)誤形成的誤區(qū)

很多企業(yè)在計(jì)算節(jié)能成效的時(shí)候，往往用視在功率計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償。例如一電機(jī)在工頻情況下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，測(cè)量運(yùn)行電流為194A，采用變頻調(diào)速后，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)約提高至0.99，此時(shí)測(cè)量電流為173A，導(dǎo)致電流降低的原因是變頻器內(nèi)部濾波電容改善了系統(tǒng)功率因數(shù)。

按照視在功率計(jì)算節(jié)能效果如下：

ΔS=UI=380×(194-173)=7.98kVA

節(jié)能效果約為電機(jī)額定功率的11%左右。

實(shí)際上視在功率S，是電壓與電流的乘積關(guān)系，在電壓相同的條件下，視在功率的變化情況與電流變化情況成正比。考慮到電路中的系統(tǒng)電抗，視在功率并非代表電機(jī)的實(shí)際消耗功率，而是代表理想狀況下的最大輸出能力，電動(dòng)機(jī)實(shí)際消耗的功率通常用有功功率表示。電機(jī)實(shí)際消耗功率是由電機(jī)及其負(fù)載決定的，在提高了功率因數(shù)后，電機(jī)的負(fù)載并沒(méi)有發(fā)生變化，電機(jī)的效率同樣也沒(méi)有發(fā)生變化，從而，電機(jī)實(shí)際消耗功率也不會(huì)發(fā)生變化。同樣功率因素提高后，對(duì)于電機(jī)的運(yùn)狀態(tài)、定子電流以及有功和無(wú)功電流也都沒(méi)發(fā)生改變。那么功率因數(shù)是如何提高的呢?原因就在于變頻器內(nèi)部的濾波電容上，電機(jī)的部分消耗就是使用了濾波電容所產(chǎn)生的無(wú)功功率。功率因數(shù)的提高，減少了變頻器的實(shí)際輸入電流，同樣降低了電網(wǎng)的線損和變損。在上述計(jì)算中，雖用實(shí)際電流計(jì)算，但計(jì)算的是視在功率，而不是有功功率。因此，用視在功率計(jì)算節(jié)能效果是不對(duì)的。

3、作為電子電路，變頻器本身也要耗電

從變頻器的組成可以得知，變頻器本身具有電子電路，因此在運(yùn)行時(shí)同樣耗電，雖然相對(duì)于大功率電機(jī)而言消耗較少，但其本身耗電也是客觀事實(shí)。根據(jù)專(zhuān)家測(cè)算，變頻器最大自身耗電量約為額定功率的3-5%。一臺(tái)1.5匹的空調(diào)自身耗電算下來(lái)也有20-30W，相當(dāng)于一盞長(zhǎng)明燈 。

三、總結(jié)

綜上所述，變頻器在工頻下運(yùn)行具有節(jié)電功能是事實(shí)，但是他的前提條件是：第一,大功率并且為風(fēng)機(jī)/泵類(lèi)負(fù)載;第二，裝置本身具有節(jié)電功能(軟件支持);第三，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。這是變頻器能體現(xiàn)出節(jié)電效果的三個(gè)條件。

節(jié)能降耗是制造業(yè)永恒的目標(biāo)和宗旨，但對(duì)于工業(yè)企業(yè)，應(yīng)該了解在哪些情況下應(yīng)該使用變頻器，哪些場(chǎng)合不適宜使用變頻器，以及綜合考慮變頻器的配置總量，變頻器過(guò)多配置帶來(lái)的諧波危害已成為共識(shí)。因此要合理使用變頻器，從而真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗以及可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。