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。
4.1軟啟動控制模式：
4.1.1限流軟起動控制模式：電機起動時，其輸出電壓從零迅速增加，直至輸出電流達到設定的電流限幅值Im ，然后保證輸出電流在不大于該值的情況下，電壓逐漸升高，電動機逐漸加速，當電動機達到額定轉速時，旁路接觸器吸合，輸出電流迅速下降至額定電流Ie以下，完成起動過程。如圖1所示。
4.1.2電壓斜坡起動控制模式 : 當電動機起動時，在電動機電流不超出額定值400%的范圍內，軟起動器的輸出電壓迅速上升到整定值U1，然后按設定的速率逐漸增加，電動機隨電壓的上升不斷平穩加速，直至達到額定電壓后，達到額定轉速，旁路接觸器吸合，起動過程完成。一般而言，電壓斜坡起動模式適用于對起動電流要求不嚴對起動平穩性要求較高的場所。輸出特性曲線如圖2所示。
4.1.3突跳+限流或突跳+電壓起動模式：圖3給出了突跳起動模式的輸出變化波形，在某些重載場合下，由于機械靜摩擦力的影響而不能起動時，可選用此種起動模式。在起動時，先對電動機施加一個較高的固定的電壓并持續有限的一段時間，以克服電動機負載的靜摩擦力使轉動，然后按限制電流或電壓斜坡的方式起動。在選用此模式前，應先用非突跳模式起動，若因靜摩擦力太大不能轉動，再選用此模式，否則應避免用此模式起動，以減少不必要的大電流沖擊。
4.1.4 電流斜坡起動模式。圖4為電流斜坡起動模式的輸出電流波形，其中I1為限流值，T1為設置的時間值。電流斜坡起動模式具有較強的加速能力，適用與兩極電動機，也可在一定范圍內縮短起動時間.
五、變頻節能使用誤區
變頻器在工頻下運行，具有節電功能，是事實。但是他的前提條件是：第一,大功率并且為風機/泵類負載;第二，裝置本身具有節電功能（軟件支持）;第三，長期連續運行。這是體現節電效果的三個條件。除此之外，無所謂節不節電，沒有什么意義。一般交流電動機的機械特性曲線是一定的，理論和實際都已證明，當負載功率小于電動機的額定功率時，其效率隨著負載轉矩的減少而降低，也就是說，電動機輕載時會相對費電。而變頻器會根據負載的大小自動調整V/f值（其中V為電動機定子繞組的電壓，f為定子繞組的電壓變化頻率），改變電動機的機械特性曲線，使其與負載相適應，從而使效率得到提高，達到節能之目的。
六、結束語
電機系統節能是國家發改委啟動的十大重點節能工程之一。國家發展規劃要求，當前應推廣變頻調速節能技術，即風機、水泵、壓縮機等通用機械系統采用變頻調速節能措施，工業機械采用交流電動機變頻工藝調速技術。電機系統節能是目前中國節能市場上最具商業潛力的領域。變頻技術隨著微電子學、電力電子、計算機和自動控制理論等的發展，已經進入了一個嶄新的時代,完全成熟的技術，也使其應用進入了一個新的高潮。它是通過變頻調速改變軸輸出功率，達到減少輸入功率節省電能的目的。