智能化应用变频器提升节电效率

0 引言

随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，交流变频调速技术亦得到了不断的发展。时至今日，交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果而在国民经济众多领域中得到了广泛应用，并被公认为是一种最有前途的交流调速方式，引领了电气传动发展方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量提供了强有力的保障。变频调速理论已形成了完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。

本文是在我公司多年来自主研发的产品在各个行业实际应用的基础上总结出来的。

变频器在我国的各个行业中已经使用多年，但是不论是进口的还是国产的，节电率都没有达到理论值，一般都在15%~20%左右。我们开发的智能化节电设备，节电率都达到甚至超过了40%;系统的电压谐波控制在5%以下，电流谐波控制在15%以下;

功率因数提高到0.96以上。如何能做到这一点呢?我们主要从以下三个方面实现。

1 智能化应用变频器

智能化应用变频器，使系统中变频器、电机、风机(水泵)三者工作在最佳效率曲线内，达到三者效率乘积最大化。

根据流体力学的原理可知电机的转速n与风量q、压力h、轴功率P之间的关系为

显而易见，通过调整电机的转速，可以大幅度地降低电机的功率，通过计算，可以得出调节转速后，理论上电机所节约的电能，如表1所列。

由于轴功率与转速的三次方成正比，因此通过调整电机的转速，节电效果是非常显著的。当频率下降10%时电机的转速就会下降10%，风量也会下降10%，这时的轴功率和电机转速的三次方成正比。这时理论上的节电率是27.1%，如果转速下降20%，理论上的节电率是48.8%。

采用交流变频调速技术控制水泵的运行，是目前系统节能改造的有效途径之一，下面绘出阀门控制调节和变频调速控制两种状态的水泵功率消耗—流量关系曲线。

图1显示了变频器控制和阀门控制水泵所消耗的功率，从图中我们可以清楚地看出水泵的流量为额定的60%时，变频控制与阀门控制相比，功率下降了60%;所以水泵依靠阀门控制所消耗的电量远远大于变频器控制所消耗的电量。

但是，为什么我们在安装变频器以后节电率达不到表1所列的数值呢?为什么节电率总是在20%以下呢?离变频器的理论值相差甚远，是什么原因?

经过多年的研究，我们找到了问题的答案：虽然我们在系统中安装了变频器，但是没有找到最佳的控制应用手段来挖掘出变频器和动力系统配合的潜力，用什么方法使变频器、电机、风机(水泵)三者效率的乘积最大化呢?我们通过几年的努力，搜集了变频器、电机、风机和水泵几千家制造商上万种产品的效率曲线数据，建立了开发控制软件的基础，开发出了智能化控制变频调速的专利软件。由于这套软件的开发成功，解决了如何使变频器、电机、风机或水泵在系统工作时三者效率乘积最大化的问题，使节电率在原来变频器的基础上提高了10%左右。

2 系统谐波治理

很多单位在安装变频器之后，节电率低，电机发热、噪音大。大家都知道，每一个变频器本身就是一个谐波源，产生的谐波有正相序、负相序和零相序之分。谐波能大大影响我们的节电率，举个例子，例如我们在100 kW 的电机上加装变频器控制器转速，100 kW的电机的额定电流大约是200 A，假设转速降低20%，理论节电率应该是48.8%，从电流的角度上说节省了97.6 A，但是变频器本身产生多次谐波，以其中的5 次谐波为例，5 次谐波是负相序谐波，能产生与原基波电流方向相反的电流40 A，带动电机反转，此时电机的负载增大，效率降低，必须增加40 A的基波电流抵消掉谐波电流，此时，我们节约的电流只有57.6 A(这只是5次谐波产生的危害，还有其它次谐波也大大影响节电率)。从这些数字我们可以看出，谐波的存在对节电率有着非常大的影响。另外，谐波还有许多其它的危害，例如：影响电机效率和正常运行，缩短电动机寿命;加速元器件的老化;增加变压器和线路损耗等。由此可知，对谐波的治理是当务之急。

目前对谐波的治理方法主要是在系统中加装无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器主要是电容和电抗，价格便宜，可是只能滤除30%左右的谐波;有源滤波器治理谐波的效果很好，对谐波的滤除率能达到95%以上，可是成本太高，平均每千瓦要上万元，对企业来讲投资太大。我们利用有源滤波器的原理，在变频器的基础上加装谐波发生器，当系统出现谐波时，计算机就会发出指令，产生一个频率相同方向相反的谐波把产生的谐波抵消掉，其谐波滤除率高达90%以上，接近于有源滤波器的治理效果，可成本比有源滤波器低了许多，用我们的方法滤除谐波平均1 000元/ kW左右，这样我们就用最小的投入解决了最大的问题。

下面是一汽大众用我们的产品在治理谐波方面的检测数据。经过治理后，谐波电压含有率分别是：42Hz时为4.47%;38 Hz时为4.85%;35 Hz时为4.50%。

安装LP牌智能化节电设备前后启动电流、电机表面温升对比如表2所列。

由于减少了谐波的影响，电机的电能损耗降低了，电机表面的温度下降了，同时又提高了变频器的节电率，此时的节电率已接近于理论值。

3 提高电机功率因数

影响电机功率因数的因素有三个：电压波动，谐波影响，电机的空载和轻载。

我们国家的电网电压已经很稳定，一般不会产生波动，另外，我们对谐波的治理也已经接近理想状态，现在我们只考虑第三个因素：电机的轻载和空载，空载的情况很少，解决轻载问题的关键就是必须首先知道负载在工作过程中随时的变化情况，变化量是多少?用什么控制方法来实现?

以钢铁厂的除尘风机为例，在开始出铁时灰尘含量多，负载重，工作电流大，出铁结束后，含尘量减少，电机的负载也会降低，电流减小，一般的变频器只能解决在出铁时带动风机满载运行，炼铁时变频低速运行，而不能解决随含尘量和负载的变化适时进行变频调速运行，解决不了电机轻载的问题。我们的产品就做到了这一点，通过软件对系统的实时监测，控制电机运行状况随系统的变化而变化，使系统始终在最佳的工作状态下运行。

表3是一汽大众汽车有限公司对我们产品调速后各频率段的功率因数的检测数据。

事实证明，在使用我们的产品以后，原设备的功率因数有了大幅度的提高。

4 结语

通过我们的研究和我们所服务客户的实际使用情况证明，智能化应用变频器和治理谐波是提升变频器在动力节电领域节电率的切实有效的方法。