1.15 中、高压变频调速系统的节能

采用变频调速系统的主要目的有两个：一是为了保证产品质量而调速，可提高设备自动化程度和生产的可靠性，改善运行环境；二是为了节约电能而调速，特别是在风机、水泵和各类胶带输送机上的应用，节能效果显著，降低了生产成本，产生了巨大的社会效益。

1.15.1 变频器的负载类型与节能

变频并不是任何时候可以节约电能，作为电子电路，变频器本身也要耗电（额定功率的3%～5%），很多场合下使用变频的性价比并不高。例如，作为“变频电源”的仪器仪表的检测设备，其要求可变频率逆变器输出标准的正弦波，故对波形需要进行必要的整理，一般“变频电源”是“变频器”价格的15～20倍，变频调速的这种应用并不节能，只可满足设备技术的需求，提高产品的质量。

以节能为主要目的的变频器调速应视负载性质及用途等而定。对于不同的生产机械负载，只有在恒转矩负载和二次方转矩负载上使用变频器调速时才会节能。负载类型与节能的关系见表1-21。

表1-21 负载类型与节能关系^[1]

对于各类风机、泵类、平运胶带输送机、上运胶带输送机、下运胶带输送机、长距离胶带输送机、港口胶带输送机系统的节能，在以后有关章节中还有较详细的介绍，并给出若干工程实例。

1.15.2 变频调速的节能

在电气传动设计中，选择设备设计裕量时，往往需要考虑设备极端条件下的运行情况，从而会导致“大马拉小车”现象，过去因电动机在额定电压的工频情况下运行，电动机定速旋转不可调节，这样运行自然浪费很大。而逆变为频率可调、电压可调的变频器，与PLC、现场总线以及现场的智能化仪表、传感器等组成变频调速系统，则彻底解决了这一问题。它输出的波形是模拟正弦波，由于它的性价比较高，已广泛用于三相异步电动机调速。

离心式风机、水泵、油泵等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和液体流量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，变频调节响应极快，基本与工况变化同步，如果流量要求减小，通过节能软件降低泵或风机的转速即可满足要求。由于风机和泵类负载在一定的条件下，功率与转速的三次方成正比，使低速时耗能大大降低，所以节能效果显著。

在设计上运、平运、长距离、港口用等胶带输送机时，为了保证生产的可靠性，上述胶带输送机设计配用动力驱动时，都留有一定的裕量，选用较大的电动机额定功率；胶带输送机在额定情况下运行少，常常因给料较少达不到额定量而轻载运行；有时由于工艺要求，胶带输送机会空转运行，这说明胶带输送机经常运行在轻载工况，造成“大马拉小车”的电能浪费。根据实际运量动态调节带速，可提高有效负载率，把全速运行中浪费的电能节约了下来，节能效果明显。

上述传动系统的变频调速原理、节能的分析和实测、工程应用实例等可参见第4～9章有关内容。

1.15.3 四象限变频器的能量回馈节能

中、高压变频器的运行象限沿用电动机运行象限的定义，当电动机输出的轴转矩与电动机转向相反时，如电动机需要减速或制动或者下运胶带输送机向下输送物料或者电动机拖动绞车下放重物时，电动机运行在发电模式下，变频器从电动机获得有功功率并回馈电网，节约电能。

对于上述传动系统的节能原理、节能分析和实测，工程应用的实例等可见第7章内容，电动机减速或制动时的回馈节能见9.7节内容。

1.15.4 变频使电动机软起动（软停止）的节能

大功率电动机用工频电源直接起动时，起动电流会比额定电流高6～7倍，因此会对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，起动时产生的大电流和振动时对某些设备（如挡板、阀门、胶带）的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。

使用变频器传动后，利用变频器的软起动功能，将使起动电流从零开始，平滑起动（起动时间变长）：一般不超过额定电流，最大值也不会超过额定电流的2倍，起动转矩为70%～120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%额定转矩以上，可以满载起动。优点是：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；不但节约了电能，而且节省了设备的维护费用。

同样，用变频器使电动机软停止也得到良好的效果。

1.15.5 变频器使功率因数提高的节能

无功功率不但会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中，设备使用效率低下，浪费严重。我们一般使用的交-直-交电压源变频调速装置，由于变频器内部滤波电容的作用，功率因数通常由变频前的0.85左右提高到0.95以上；减少了线损，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。