一、概述

我国是能耗大国，能源利用率很低，而能源储备不足， 2007年11月WWF（世界自然基金会）发布的《气候变化解决方案—WWF2050展望》中文版报告中称，目前中国能源利用效率仅为33%左右，所以我国在节能、提高能效方面有着巨大的潜力。在我国每年的电力消耗中，60%-70%为动力电。交流电动机又是当前应用最广泛的电机，约占各类电动机总数的85%，它具有结构简单、价廉、不需维护等优点，但它的弱点是调速困难，因而在许多应用场合受到或借助机械方式来实现调速。

交流变频调速是交流电动机调速方法中最理想的方案，采用变频器对风机、水泵类机械进行调速来调节风量、流量的方法，对节约能源，提高经济效益具有重要意义。

变频器就负载类型而言主要有两方面的典型应用：1、恒转矩应用，2、变转矩应用；就应用的目的而言主要有：1、以改进工艺为主要目的---变频器应用于各种生产机械的工艺控制，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。以其优良的调速性能，提高生产率、提高产品质量、提高舒适性、使设备合理化、适应或改善环境等等。2、以节能为主要目的---以流量或压力需要调节的风机、泵类机械的转速控制来实现节能的。由于风机、泵类负载的变转矩特性，使得变频调速在风机、泵类的应用有较大的应用前景。且据调查，全国风机、水泵、空气压缩机约有4200万台，装机容量约1.1亿KW，系统实际运行效率为30~40%，其消耗电量约占总发电量的38%以上，目前国际先进水平系统实际运行效率已达70%以上，若按此估算，每年风机水泵等浪费的电能是十分惊人的，所以对流量或压力需要调节的风机、泵类进行节电改造效果非常显著。

二、采用变频器调速节能的原理

1、变频节能

1.1对于恒转矩负载类应用

恒转矩负载即不管转速如何变化，负载转矩是恒定的。

如下公式：

   P=K*T*N

   K----系数

   P----轴功率

   T----负载转矩

   N----转速

从上述公式可以看到，轴功率与电机的转速成正比，当由于工艺的需要而调整电机速度时，自然可以达到相应比例节电的目的。

1.2变转矩负载类应用

应用变频调速可以大大提高电动机转速的控制精度，使电动机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，由液体力学原理知道，轴功率P、流量Q、扬程H三者与转速存在如下关系：

Q=K1*N

H=K2*N

P=K3*H*Q=K1*K2*K3*N=K*N

其中K、K1 、K2 、K3均为常数。由上式可看出，水泵出口流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，消耗的轴功率与转速的立方成正比。只要转速有较小的变化，轴功率就有比较大的变化。当所需风量减少、风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降，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的51%；若风量下降到50%，则轴功率将下降到额定功率的13%。因此，精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电动机一般按最大需求来生产电动机的容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，对于变动负载电动机的节能潜力巨大。

2、功率因数补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=Scos，Q=Ssin，其中S－视在功率，P－有功功率，Q－无功功率，cos－功率因数，可知cos越大，有功功率P越大，普通水泵电机的功率因数在0.6-0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，cos≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

3、软启动节能

当电机为直接启动或Y/△启动，启动电流等于(4-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电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。而使用变频节能装置后，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，延长了设备的使用寿命。节省了设备的维护费用。

三、变频器在风机、泵类调速节能的特点

风机、泵类采用变频器调节流量的方法，是一种有效且节能的方法，这已被许多工程实例所证明，也被普遍接受。然而需要说明的是，并不是任何风机、泵类负载使用变频调速均可实现节能。一台风机或泵能否节能，节能多少，变频器投资有没有价值？这都与风机或泵组实际运行工况有关。

由前所述，要实现变频调速节能的必备条件是：在风机或泵的整个工作周期中，存在比较大的富裕流量。有些系统运行时负荷就比较满，没有多少溢流或放空的情况，此时采用变频装置就可能不仅达不到节能的目的，还会由于变频器的自身功率损耗而增添系统损耗。

虽然风机、泵类是平方律负载，其轴功率与转速的立方成正比，但在实际应用中并不是转速越低系统就越节能。主要是因为风机或泵与电机连成一体，在低速区系统的效率会大大降低，所以在进行变频调速时调速范围不宜太大，一般在额定转速的50%以上。

另外不管采取何种调速方式，都要以满足生产工艺要求为前提，特别是风机、泵类负载进行变频调速时需要考虑系统对维持生产所需的最小扬程、压力或流量的要求。

四、实际使用变频器调速的节能效果

下面以2例具体应用说明使用变频器控制的节能效果：

例1：

对于一般类型的负载,当在不采用变频器的时候都是运行在工频模式(f=50Hz)下,但是当采用变频调速时,都达不到工频时就能满足我们实际应用的要求。现在以一组表格数据来说明:

在工频运行时,电机的日平均输出功率为11kW,年耗电量为:

1×24×365=9.636万 kWh/年

安装变频器后,在变频运行时,电机的日平均输出功率为2.6kW,年耗电量为:

2.6×24×365=2.2776万kWh/年

年节电量: 9.636-2.2776=7.3584万kWh

节电率为:(11-2.6)/11×100%=76%

按现在国家标准电价1元/kWh计算,一年节约电费为:1.0元×73584kWh=7.3584万元

例2：

某电子厂运行数据：(注塑机电机功率为 3.7kW)

变频改造前后具体情况如下表： 

    节电率为=(2.58-1.4)/2.58 = 45.7% 

    工频运行是每年电费为：2.58 2028120.75=13003.2元 

    变频运行是每年电费为：1.42028120.75=7056元 

每年节省电费 5947.2元。

以上2例中的电动机功率比较小，耗电量比较低，而在一些工业环境中对于耗电量比较高的大功率电机中如采用变频控制，那么节能效果将非常可观。

在《中国的节能技术大纲》中，对于变频器与节能的描述主要有以下章节：“2.2.1节推广高效电动机和变压器，变频器和无功补偿器，特别是风机、泵用的电动机加装变频器；采用高效节能变压器，对在线变压器进行合理匹配；采用经济运行节电技术。” 

同志在十七大报告中多处谈到了能源的科学发展观，在谈到促进国民经济又好又快发展时，他强调指出：“加强能源资源节约和生态环境保护，增强可持续发展能力。坚持节约资源和保护环境的基本国策，关系人民群众切身利益和中华民族生存发展。必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，落实到每个单位、每个家庭。加强应对气候变化能力建设，为保护全球气候做出新贡献。”透过字面，我们还看到了“节约资源和保护环境的基本国策”的地位，上升到“关系人民群众切身利益和中华民族生存发展”的终极高度，并且“放在工业化、现代化发展战略的突出位置，落实到每个单位”。全国风机、水泵用电量占工业用电的60%以上，如果能在这个领域充分使用变频器进行变频无级调速，对我们发展加工制造业又严重缺乏电能的国家，是兴国之策。下载本文