浅析电机变频控制节能技术和运用

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[摘 要]近年来，随着社会经济的飞速发展和工业化进程的不断加快，电机等用电设备数量及其耗能量也在急剧增加，电力供应形势严峻，发展变频节能电机有着极为重要的意义。本文阐述了电机变频控制的基本原理和特点，分析了电机变频控制节能性，探讨了机变频控制技术的发展过程与应用状况，以期为实际工作提供一定的理论指导作用。

[关键词]电机；变频控制；节能技术

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0194-01

社会经济和科学技术的快速发展，在推动社会主义现代化建设的同时，也对电力能源的提供提出了更高的要求，尤其是各种电机设备的节能控制。在构建资源节约型和环境友好型社会的今天，加强对电机变频控制节能技术与应用问题的研究，具有至关重要的现实意义。

一、电机变频控制的基本原理和特点

变频电机是变频器驱动电机的统称，它采用由变频感应电动机和变频器组成的控制系统，提高机械自动化程度和生产效率。以交流电机为例，其同步转速可用下式表示：

n1=60f/p （1）

式（1） 中：n1表示同步转速；f表示电源频率，50 H z；p为电机磁极对数。

电机转差率用公式表示为：

s=（ n1一n）/n1 （2）

式（2） 中：s为电机转差率；n为电机转速

由式 （1） 和式 （2） 可以推得：n= 60f（ 1-s）/p （3）

图1所示为电机变频控制原理。通过电机变频器输出的不同频率，可以对交流电机进行调速。变频调速的主要特点是通过变频器改变输出频率和输出电压，最终达到对转动负载的精确定量。除此之外 ，变频电机还具有以下一些特点：①具备软启动和停止功能 ；②采用电磁设计，增加了电机电感 ，从而减少定子和转子的阻值 ；③满足反复的启制动切换 ，能够平滑无极调速，保护功能完善 ，减少设备维修 ；④节约电能.

二、电机变频控制节能性分析

由上述交流电机调速公式（3） 可知，只要改变电源输入频率就可以使电机平稳变速。而在大型变频设备中，在效率不变的情况下通过改变电源输入频率和输入电压，根据负载要求达到改变输出功率的目的。对于风机类负载，可以借助流体力学进行耗能分析，风量是转速的一次函数，风压是转速的二次函数，轴功率是转速的三次函数，可以用以下三个公式表示。

Q=k1n （4）

式（4）中：Q为风机风量；k1为风量系数

H= k2n2 （5）

式（5）中：H为风机风压；k2为风压系数

P= k3n3 （6）

式（6）中：P为轴功率；k3为轴功率系数

仍以风机为例，随着输入流量的减少，电机做减速运动，功率也会按电机速度的三次方减少。假设输入流量下降比为 80%，相 应的转速也会降为原来80%，此时轴功率下降51%.另外，当转速下降时，电机效率也会相应下降，这时由控制装置等带来的损耗比例也会增加。图2所示为风机变频控制节能效果。节能原理当系统风流量从Q 1下降到 Q2时，如果调节通风量，则系统阻力变大，系统工作点从A变到B，轴功率 P2与BH2，Q20组成的矩形面积成正比；如果使用电机变频技术，风机速度由n1变到n2，风压急剧下降到H3，功率P3 （CH3与Q20所组成矩形面积） 明显缩小，降低的功率可表示为， P= P2 H×Q2.它BH2，CH3组成的矩形面积成正比。泵类负载曲线与此相同。通过大量统计得出，风机水泵类电机调速控制可以节约大约30%的电能。

在传统的电机拖动中，当电机拖动的负载发生变化时，一般通过调节通电时间占空比来进行调速。这样的调节虽然很简单，但是电机会不断地启动、制动，而在启动和制动过程中电机的耗能很大。如果采用变频技术来对电机进行调速，电机转速不但能平滑过渡， 而且节能效果也能在很大程度上得到提高。

三、电机变频控制技术的发展过程与应用

在最初的时候我国的电机频率都是固定的，电机只能固定的输出一种功率，一个电压。所以说当时的电机在工作的时候输出的驱动频率是完全不变的。但是往往负载所需要的驱动频率却是在不断变化的，为了能够满足负载所需要的驱动频率，电机的额定驱动频率一般都是大于负载所需要的驱动频率的。这样做虽然能够保证电机提供足够的驱动频率，保证电机的正常运作，但是其中有很大一部分的驱动频率都会被浪费掉，这就造成了大量的电力能源被浪费，不能得到有效的利用，完全不符合我国可持续发展的战略要求。为了达到节约电力，使电力得到充分利用的要求，电机变频控制技术被开发了出来，电机变频控制技术能够根据负载所需要的驱动频率来改变电机输出的功率和电压，保证不会有多余的驱动被浪费，很好的提高了电能的利用率，完全符合我国节能减排的要求。随着我国对节能减排的要求越来越高，对于变频节能控制系统的开发和研究也不断的完善，并且得到了更好的推广，在越来越多的地方被应用。

1.电机变频技术的发展过程

现在的电机变频系统大都采用恒 v/F控制系统，这个变频控制系统的特点是结构简单、制作便宜。这个系统被广泛应用在风机等大型的并且对于变频系统的动态性能要求不是很高的地方。这个系统是一种典型的开环控制系统，这个系统能够满足大多数电机的平滑的变速要是，但是对于动态和静态的调节性能都是有限的，不能应用在对动态和静态性能要求比较严格的地方。为了实现动态和静态调节的高性能，我们只能采用闭环控制系统来实现。所以有的科研人员提出了控制闭环转差频率的电机调速方式，这种调速方式能够在静态动态调速中达到很高的性能，但是这种系统只能在转速比较慢的电机中得到应用，应为在电机的转速较高的时候，这种系统不仅不会达到节约电能的目的，还会使电机产生极大的瞬态电流，使得电机的转矩在瞬间发生变化。因此，为了在较高的转速中实现较高的动态和静态性能，只有先解决电机产生瞬态电流的问题，我们才能更好的发展电机变频节能控制技术。

2.电机变频控制的应用

在电机的能耗中，大约有百分之八十都是应用在了风机和泵类负载当中，所以说电机变频控制技术能够很好的节约这一部分负载的能耗，实现节能减排的目的。以空调为例，没有应用变频控制系统的空调，在设置的温度低于阈值的时候，只能通过关闭风路的方式来实现，但是这个时候空调的电机还是在继续运转的，这一部分驱动功率就完全没有被利用，只是单纯的被浪费掉了。但是在运用了变频控制系统的空调当中，如果当空调设置的温度降低的时候，只需要控制电动机的转速降低，减少输出的驱动功率就可以实现，完全没有必要将风路进行关闭，而且也不会浪费电机的驱动频率，很好的提高了电能的利用效率。

此外，在实际应用中需要根据不同的需要选择大小合适、性能高的电机，减小电机的浮装容量，防止能量浪费。同时，在实际应用中还要不断优化电机系统结构，尽可能降低额外能量的损失，并选择导磁性高的材料，比如冷轧硅钢片等。

总之，电机变频控制节能技术的应用可以有效减少电机不必要的驱动频率的输出，提高电能的利用效率，这在很大程度上缓解了我国电力能源紧缺的现状。随着我国对节能环保投入的不断增加，电机的变频控制将会得到更好的发展。

参考文献

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