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張燕賓 （1937-）

男，畢業于上海電機學院的工業企業自動化專業和吉林函授學院的數學系，高級工程師。
1969年前曾先后在長春工業大學和長春大學任教。曾任宜昌市自動化研究所副所長、宜昌市科委深圳聯絡處主任、宜昌市自動化學會理事長、湖北省自動化學會常務理事等職。退休于宜昌市自動化研究所。退休后從事變頻調速技術的推廣應用。主要工作有：每年應邀在各地主講變頻調速學習班；在各種雜志上發表介紹變頻調速應用方面的文章百余篇；編寫變頻器應用方面的通俗讀物。已經出版的著作有《SPWM變頻調速應用技術》（第一、第二、第三版）、《變頻調速應用實踐》（主編）、《電動機變頻調速圖解》、《實用變頻調速技術培訓教程》、《常用變頻器功能手冊》、《變頻調速460問》、《變頻器應用教程》、《變頻器的安裝、使用和維護》等。

    時至今日，知道變頻調速的人已經相當地普遍了。大多數人一提起變頻調速，總是和節能掛起鉤來。尤其是改革開放以來，由于各行各業的蓬勃發展，盡管我國在能源開發方面進展迅速，但還是跟不上需求的增長，節能問題始終處于相當突出的位置。變頻調速的節能效果因此也格外地引人注目。

    總體上看，變頻調速的節能，主要是三個方面，分述如下：

1 減少工頻運行的浪費

    第一個方面，是工頻全速運行時，拖動系統提供的能量超過了負載的需求，造成浪費。例如：

    （1）空壓機的泄載

    空壓機在全速運行的情況下，當儲氣罐內的壓力太高時，常常用泄載閥放掉多余的壓縮空氣，使儲氣罐內的壓力保持平穩。這放掉的壓縮空氣，實際上就是一種浪費，如圖1（a）所示。

    （2）給水泵的回流

    鍋爐的給水泵在全速運行的情況下，當鍋爐內的水位太高時，通過回流閥將水泵打出去的水部分地回流到貯水罐中。這回流的水，也是一種浪費，如圖1（b）所示。

                                       圖1　浪費能源的實例

                                （a）空壓機的泄載　（b）水泵的回流
1.1 調速運行的節能原理

    針對上述情況，如能根據需要調整轉速，使機器的平均轉速降下來，就可以節能。

    （1）恒轉矩負載

    如圖2（a）所示，是恒轉矩負載調速運行的結果。帶式輸煤機在全速運行時，常常由于煤的堆積而浪費人力和物力，如果根據需要來調節輸煤的速度，把平均運行轉速降到額定轉速的60%的話，則與全速運行相比，可以節能40%。

    （2）二次方律負載

    圖2（b）是風機水泵類負載，被稱為二次方律負載，當平均轉速降到額定轉速的70%時，與全速運行相比，可以節能66%。

    （3）調速節能的實質

    負載平均轉速的下降，實際上是負載消耗的功率下降了。因此，通過降低平均轉速來節能的實質，是電動機根據負載的實際需要提供機械功率，消除了因不必要的浪費而實現了節能。這是節能運行中最重要的一個方面。

                                     圖2　降低平均轉速的節能

                                （a）恒轉矩負載　（b）二次方律負載

1.2 節能計算舉例

    某紡織廠的排風扇，原來是全速運行的，采用變頻調速后，非但能自動地調節車間內的溫度和濕度，并且由于年平均轉速nL’降為額定轉速nLN的70%。

    nL’＝0.7nLN

    式中，nL’—負載的平均轉速，r/min；

    nLN—負載的額定轉速，r/min。

    負載所消耗的平均功率為：                        
    PL’≈ KP（0.7nLN）3

               ＝0.343 KP nLN3

               ＝0.343 PLN

    式中，PL’— 負載消耗的平均功率，kW；

        KP—系數；

        PLN—負載的額定功率，kW。

    節約電功率：

        ΔPL＝PLN－PL’＝0.657 PLN

    式中，ΔPL—節約的電功率，kW。

    假設電動機的容量為22 kW，則每臺風扇節約的電功率為：

    ΔPL＝0.657×22＝14.45 kW

    按每天工作24小時、每年工作300天計，則每臺風扇一年可節約電能：

    ΔW＝14.45×24×300＝104040kWh

    式中，ΔW—節約的電能，kWh。

    每kWh的電費按0.6元計，則一年可節約電費：

    Δ￥＝0.6×104040＝62424元≈6.24萬元

    式中，Δ￥—節約的電費。

    可見，節能效果是十分可觀的。

2 高拖動系統的效率

    節能的第二個方面，是通過提高設備的效率而獲得的。

2.1 提高生產機械的效率

    這方面的典型例子是水泵。

    （1）水泵效率的計算

    水泵的輸出功率PG與軸功率（輸入功率，即電動機的輸出功率）PP之比，即為水泵的工作效率，符號是ηP：

    ηP＝（1）

    式中，ηP—水泵的效率；

         PG—水泵的輸出功率（供水功率），kW；

         PP—水泵的輸入功率（軸功率），kW。

                                    圖3　水泵的效率

    據有關資料介紹，水泵工作效率相對值η*的近似計算公式如下：

    ηP*＝C1（）－C2    （2）

    式中，ηP*—水泵效率的相對值；

          Q*—流量的相對值；

          n*—轉速的相對值；

          C1 、C2—常數，由制造廠家提供。C1與C2之間，通常遵循如下規律：

     C1－C2＝１    （3）

    （2）閥門控制方式的水泵效率     

    當通過關小閥門來調節流量Q*時，由于轉速不變，n*＝１，故比值Q* / n*＝Q*。

    就是說，采用調節閥門開度來調節流量時，水泵的效率將隨著流量的減小而減小，如圖3中的曲線①所示。

    （3）變頻調速時的水泵效率    

    由式（2）可知：當采用調節轉速的控制方式時，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q*和轉速n*是成正比的： 

    Q* / n*＝１

    ηP*＝１

    就是說，在變頻調速的情況下，水泵的工作效率總是處于最佳狀態，效率曲線如圖3中之曲線②所示。

    所以，采用了變頻調速，也就提高了水泵的效率。

2.2 提高電動機的效率

    （1）“大馬拉小車”的浪費

    “大馬拉小車”的含義是：電動機的有效轉矩（在額定轉速下是額定轉矩）比負載的實際轉矩大得多。

    要了解電動機在大馬拉小車時的浪費，必須分析電動機在輕載運行時的功率損耗的情況。

    A．機械損失

    電動機在輕載運行時的機械損耗功率和額定運行時相差不多，而由于負載較輕，故機械損耗功率在輸出功率中所占的比重增加了。

    B．鐵損和銅損

    在異步電動機里，磁通的大小是和反電動勢與頻率之比成正比的。而反電動勢的大小又等于電源電壓與電阻壓降之差：

    Φ1＝KΦ ＝KΦ     （4）

    式中，Φ1—電動機每極下的磁通，Wb；

       E1X—電動機一相繞組在頻率為fX時的反電動勢，V；

       fX—電動機的工作頻率，Hz；

       KΦ—比例常數；

       U1X—電動機在頻率為fX時的相電壓，V；

       I1X—電動機的相電流，A；

       r1—電動機每相繞組的電阻，Ω。

    由式（4）知，如果電壓偏高，而負載又較輕（從而電流I1較小）時，反電動勢增大，磁通也增大，磁路趨向飽和，鐵心里的渦流損失和磁滯損失增加。

    與此同時，由于磁路開始進入飽和段，勵磁電流和定子電流I1也較大，如圖4（a）所示，銅損也增加。

    可見，輕載運行時，電動機的輸出功率減小，而損耗卻增加了。所以，效率將降低，造成浪費。

    （2）提高效率的途徑

    因為機械損失是無法改變的，所以，提高效率只能從減小鐵損和銅損著手。

    由式（4）知，在輕載的情況下，如果適當降低電源電壓，可使反電動勢和磁通減小，磁路不再飽和，如圖4（b）所示。非但鐵損減小，且因為勵磁電流的減小，銅損也減小了，從而電動機的效率得到了提高。

    變頻器由于其U／f比可以任意調節，所以，針對大馬拉小車的情形，可以十分靈活地實施降壓節能，成為了變頻節能的一大亮點。

                                    圖4　電動機的矢量圖

                           （a）大馬拉小車時　（b）適當降低電壓
    （3）低頻輕載的節能措施　

    風機、水泵類二次方律負載在低頻運行時，在不采取特殊措施的情況下，無一例外地處于大馬拉小車的狀態，如圖5（a）所示，曲線①是風機的機械特性，曲線②是電壓與頻率成正比（轉矩提升量等于0）時，電動機的有效轉矩線。由圖5（a）知，在轉速等于50%額定轉速時，電動機的有效轉矩比負載的阻轉矩大了許多，負荷率約只有0.28／0.96＝29%。

                                     圖5　異步電動機帶風機

                  （a）無補償有效轉矩　（b）低勵磁U／f線　（c）低勵磁有效轉矩

    為了降低電動機在低頻運行時的電壓，轉矩提升線應該選擇“低勵磁U／f線”。所謂低勵磁U／f線，也叫負補償U／f線，如圖5（b）中之曲線④所示（曲線③是轉矩提升等于0時的U／f線）就是說，在低頻運行時，電壓非但不增加，反而還要減小。所得的有效轉矩線如圖5（c）中之曲線⑤所示，在轉速等于50%額定轉速時，電動機的負荷率增加至0.28／0.50＝56%，從而提高了電動機的效率。為了防止啟動困難，在預置U／f線時，也應該預置一點零速時的轉矩提升量，如圖（b）中之ΔUC所示。

    有一種叫“超能士”的變頻器，能夠自動地搜索最佳工作點，節能效果特別好。但由于搜索的過程較慢，動態響應能力很差。所以，只能用在風機、水泵類的二次方律負載上。

    （4）額頻輕載的節能措施

    如圖6（a）所示的拖動系統，55kW的電動機在額定頻率下運行時，實際工作電流只有62A（額定電流為102.5A）。

    很明顯，該電動機處于大馬拉小車的狀態。針對這種情況，可以通過適當加大基本頻率來降低電動機的工作電壓。例如，把基本頻率加大為55Hz，變頻器的輸出電壓為380V，則50Hz時，變頻器的輸出電壓只有345V。從而實現了降壓節能。

                                     圖6　額頻輕載的節能方法

                              （a）額頻輕載實例　（b）降低電壓的方法
    （5）低頻重載的節能措施　

    有的生產機械，采用變頻調速后，上限頻率很低。這說明負載實際所需的功率比電動機的額定功率小很多，實際上也是一種大馬拉小車。

    如圖7（a）所示，有一臺機器，電動機的數據是90kW、164.3A、1480r/min，計算出額定轉矩等于580N?m。實際運行電流是150A，負荷率ξ＝0.91。實現變頻調速后，根據工藝要求，上限頻率只有30Hz。

                                     圖7　低頻重載的節能方法

                      （a）低頻重載實例　（b）加大傳動比　（c）加大基本頻率

    任何調速電動機，當轉速低于額定轉速時，其有效功率都要隨轉速的下降而減小。異步電動機在30Hz時的有效功率是：

    PME＝PMN ＝90×＝54 kW

    式中，PME—電動機低頻運行時的有效功率，kW；

        PMN—電動機的額定功率，kW；

        fX—電動機的實際工作頻率，Hz；

        fN—電動機的額定頻率，Hz。    

    負載側的數據計算如下：

    電動機運行在30Hz時的轉速：

        nMX＝nMN＝1480×＝888 r/min

    式中，nMX—電動機的實際轉速，r/min；

        nMN—電動機的額定轉速，r/min。

    負載的轉速：

        nL＝nMX／λ＝888／4＝222 r/min

    式中，nL—負載的轉速，r/min；

    　λ—傳動比。

    負載的轉矩：

        TL＝TMNλξ＝540×4×0.9＝2088 N m

    式中，TL—負載的轉矩，N m；

        TMN—電動機的額定轉矩，N m；

        ξ—電動機的負荷率。

    負載轉矩折算到電動機軸上的折算值：

        TL’＝＝＝522 N m

    式中，TL’—負載轉矩的折算值，N m。

    負載的功率：

        PL＝＝＝48.5kW

    式中，PL—負載的功率，kW。

    可見，負載只有48.5kW，而拖動它的電動機卻是90kW的，屬于大馬拉小車。但是從轉矩的角度看，電動機的額定轉矩比負載的折算轉矩大不了多少，又不是大馬拉小車。怎樣節能呢？

    如果把傳動比加大為6.5，那電動機的轉速就應該上升為1443 r/min，工作頻率增大為49Hz，電動機的有效功率也就接近于額定功率了。從轉矩看，負載的折算轉矩減小為：

        TL’＝＝＝321 N m

    如圖（b）所示。而電動機的額定轉矩有580N m，負荷率只有：

        ξ’＝ ＝ ＝0.55

    于是，大馬拉小車的特點體現了出來。再通過加大基本頻率。例如，把基本頻率加大為56Hz，則與50Hz對應的電壓就只有340V，實現了降壓節能。

    這個例子的實質，是把功率的大馬拉小車，通過加大傳動比，轉化成轉矩的大馬拉小車后，再實施降壓節能。

2.3 充分利用拖動系統釋放的能量

    變頻節能的第三個方面，是把拖動系統在運行過程中釋放的能量充分利用起來。

    （1）拖動系統釋放的能量

    拖動系統在運行過程中，常常會釋放機械能。主要是兩種情況：
 
    第一種是減速運行，高速運行時，拖動系統的動能較大，轉速下降后動能減小。所以，拖動系統的減速過程，也是釋放動能的過程，如圖8（a）所示。

    第二種是重物下降的過程，重物在高處時位能較大，下降后，位能減少。所以，重物下降的過程也是拖動系統釋放位能的過程，如圖8（b）所示。

                                     圖8　拖動系統釋放能量

                     （a）拖動系統減速時釋放動能　（b）重物下降時釋放位能

    事實上，在這兩種情況下，電動機都將處于發電機狀態（再生制動狀態），拖動系統釋放的能量轉換成了電能，使變頻器的直流電壓升高。一般情況下，是通過制動電阻和制動單元把升高了的直流電壓消耗掉的。要是不消耗掉，而把它利用起來，就是節能的第三個方面。

    利用多余能量的方法主要有兩種：

    一種叫作能源互補。當一臺機器上有多臺變頻器時，可以把這些變頻器的直流母線都并聯起來，如圖9所示。這樣做的好處是：

    一方面，增大了直流電源的總容量，減小了直流電壓的上升幅度。

                                     圖9   直流母線并聯

    另一方面，實現了能量的互補，因為多臺電動機不大可能同時處于再生制動狀態。于是，處于再生制動狀態的電動機發出來的電，正好被其他電動機所利用。

    第二種方法是采用“回饋單元”。

    所謂回饋單元，就是當直流回路的電壓超過某一限值時，把多余的直流電通過回饋單元逆變成三相交流電，并反饋到電網去。實際上相當于把拖動系統在運行過程中釋放的能量（動能或位能）通過電動機轉換成電能，又通過回饋單元反饋給電網，如圖10所示。所以，是一種十分理想的節能方法。

                                     圖10　回饋單元的接線

2.4 節能以外的經濟效益

    采用了變頻調速系統后，明顯的節能效果只是經濟效益的一個比較重要的方面，但絕不是經濟效益的全部。

    （1）減少故障率的經濟效益

    直流電動機的調速性能雖然優越，但它的故障率很高。每次發生故障，必將造成如下損失：

    A．正在加工過程中的工件報廢。

    B．在處理和維修期間，不能進行生產造成的損失。

    C．維修費用本身的損失等。

    例如，印染機械通常由若干個單元構成，各單元之間要求布速同步。過去采用直流電動機控制，故障率較高，平均一個月要發生一次故障。改造為變頻調速后，連續若干年未發生故障。某印染廠的廠長說，每發生一次故障所造成的損失（包括整匹布報廢的損失、在一段時間內不能生產造成的損失以及修理費用等）足以購買許多臺變頻器，其經濟效益由此可見。

    （2）延長設備壽命的經濟效益

    主要有以下兩種情形：

    A．由于平均轉速下降而使設備壽命延長

    如風機、水泵、空氣壓縮機等在全速運行時，由于阻轉矩很大，各部分的磨損以及主要部件所受到的應力都很大。采用了變頻調速后，由于平均轉速的降低，應力和磨損都大為減小，使機器的壽命得到延長。

    B．由于起動和停機過程得到改善而使設備壽命延長

    許多設備在直接起動和停機時，將因受到較大沖擊而影響其使用壽命。

    各種設備中的壓縮機在直接起動和停機時，因內部壓力變化過大而影響使用壽命。

    C．直接起動將使供水的管道系統產生水錘效應，使閥門、接頭和水管受到損壞，等等。

    采用變頻調速后，由于加速和減速過程可以預置得比較緩慢，從而徹底地消除了水錘效應，延長了水泵和管道系統的壽命。

    這方面尚無準確的統計數字，但據部分用戶反映，設備的使用壽命至少延長一倍以上。毫無疑問，這也是一種相當可觀的經濟效益。

    （3）提高產品質量帶來的經濟效益

    主要有如下幾個方面：

    A．因實現無級調速而使質量提高

    例如，某廠用于研磨軸承外園的無心磨床，原來是齒輪調速，其轉速不可能調得恰到好處。配用變頻調速后，操作人員可以一邊觀察火花，一邊調節轉速，可以使加工過程達到最佳狀態，從而提高了軸承表面的光潔度。

    B．因實現了閉環控制而使質量提高

    例如，某塑料廠的空氣壓縮機配用變頻器后，實現了恒壓供氣，產品質量因壓縮空氣的壓力穩定而得到了提高。

    C．因檢測準確而使質量提高

    例如，某紡織廠的漿紗機，有十二個單元同步運行，原來憑手感通過調整錐形皮帶來進行微調。非但費力，且調整的精度難以控制。采用了變頻調速后，可使變頻器顯示輸出電流，通過觀察各單元電動機的電流大小作為進行微調的依據。非但調節方便，并且使產品的檔次得到了提高，等等。

    產品的質量提高了，其價值也必升高，經濟效益難以估量。

    （4）其他方面的經濟效益

    例如，某鋼廠的軋鋼設備，通過燃燒重油來加熱鋼材。原來由人工控制，非但費油，并且煙囪里黑煙滾滾，周圍居民怨聲載道，還常被環保部門罰款。配用了變頻器后，實現了恒壓供油，既實現了節電和節油的目的，煙囪里不再冒黑煙了，環保問題也解決了。

    又如，某廠鍋爐的鼓風機和引風機在采用了變頻調速后，不但節省了電和煤，并且由于風機的轉速下降了，噪音也大為減小。

    這無疑也是不容小視的經濟效益。