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變頻器在節能控制系統中的作用
點擊次數：2128 發布時間：2010-10-18
1 引言
經變頻界同仁幾十年的竭誠努力，使變頻產業出現了欣欣向榮的局面，變頻器產品門類眾多，變頻創新技術不斷涌現，新的人才輩出，變頻節能的成功案例常常見于報章雜志……如今變頻節能無疑已經成為減緩我國能源緊張形勢非常重要的技術手段。
2 變頻器在節能控制系統中的作用
分析變頻器節能應用案例，變頻器都是融入節能控制系統，作為節能控制系統的不可分割的一個環節來使用的。比如在水泵、風機變頻器變流量節能控制系統中，變頻器、電機和水泵或風機共同組成一個一體的組件，作為變流量閉環控制系統（可能是溫度單回路控制系統，也可能是壓力單回路控制系統）中的執行器這個環節，而系統中的被控對象則是水系統或風系統。從自動控制控原理可知，控制系統中的傳感器、控制器、執行器的特性，必須和被控對象的特性相匹配并構成統一的整體，才能取得良好的控制效果，正如人體的八大系統構成了健康、協調、統一的整體，當他與環境良好的適應時才是一個健康的人一樣。仔細研究變頻器應用有關文章、專著、使用說明等文獻，就會發現，大部分變頻器只是從變頻器這個專業范圍內深入研究后的杰作，很少或者沒有考慮變頻器融入控制系統后變頻器這個環節和節能控制系統中的其他環節、系統以及和環境之間的關聯、制約、影響，因此在變頻器推廣應用中，有許多水泵、風機變頻器節能工程案例中，節能效果并沒有達到宣稱的和水泵、風機轉速的三次方成正比的節能效果，而并不知原因所在[1]。
究其原因，這是變頻器的、應用者包括某些專家，只是從變頻器這個專業模塊范圍用“片面思考”的理念開發出來的變頻器，很少或者沒有考慮變頻器融入節能控制系統后的需要和怎么適應控制系統整體性能的要求，對被控對象的特性認識模糊或者根本沒有搞清，就給變頻器的應用者發出錯誤的信息造成的[1]。
3 “系統思考”理想變頻器應具備的功能
據美國電力研究學會（epri，electric power research institute）調查統計顯示，工業用電的70%是電機運行所耗，而通常的60%的電機負荷率在60%以下運行[2]。變頻器節能應用控制主要就在工業上使用zui多的電動機上。根據電機原理，電動機在額定工況（這是借用風機、水泵技術中的術語）時，其額定轉矩tn有下述關系式:
式中:t—電機的轉矩，n-m;
s—電機的轉差率，s=1－n/n1;
n—電機瞬時轉速，r/min;
nl—電機的同步轉速，n1=60f1/p，r/min;
f1—電機供電電源頻率，hz;
p—電機的極對數。
下標為n者是額定工況電機的參數;
下標為m者是zui大轉矩工況電機的參數;
λ—電機的過載能力，λ=tm/tn，對于普通電機，λ=1.6~2.2，相應的sn/sm=0.8~1.1;對于起重電機λ=2.2~2.8，相應的sn/sm=1.1~1.4[3]。對于確定的電機，λ是不變的。
顯然，對于一個確定的電機，它的結構是確定的，因而公式（2）的表達式是恒定的。在額定工況，電機的功率因數cosφ≈0.85~0.92（小功率的電機cosφ還要小些），電機有zui高的效率ηn=0.85~0.97（小功率的電機額定效率ηn還要小些）。但是實際上60%的電機，是在負荷率60%以下運行，即大部分時間電機在部分負荷工況運行。在部分負荷運行的電機，功率因數cosφ≈0.4~0.6甚至更小，從而使電機的效率ηmt=0.4~0.5甚至更小，電機瞬時轉差率st變小，它與zui大轉差率的比值st/sm＜sn/sm。“系統是物質世界存在的基本形式和根本屬性”，按照“系統思考”的理念，電機也是一個大系統，是牽一發而動全身的，電機的特性參數是相互關聯的，從某一個參數的變化中，應該能夠提取整個電機的運行特性，正像高水平的老中醫可以從脈象提取人們健康狀況信息一樣，而不必將電機的幾百個參數都進行分析，陷于不得要領的迷惑泥潭。
圖1 電機變頻調節u-i旋轉矢量相似工況圖
變頻器驅動電機首先應當考慮電機的這個基本被控對象的特性，在電機部分負荷時調整電機的供電電壓和供電頻率，使得電機在滿足部分負荷有功功率要求的前提下，使得電機的電壓-電流（u-i）旋轉矢量三角形，和額定工況電機的電壓-電流（u-i）旋轉矢量三角形近似相似，如圖1所示，從而使電機在狀態運行，同時用emc濾波器盡量避免因變頻而帶來的對電網的諧波污染，和保持部分負荷時變頻器的高工作效率，這些才應當是變頻器研發的大方向。圖1中的（a）圖，表示額定工況時電機的u-i旋轉矢量圖，電壓矢量un和電流矢量in之間的夾角為φn;圖1中的（b）圖，表示變工況時電機的u-i旋轉矢量圖，電壓矢量u和電流矢量i之間的夾角為φ，它的有效電流為it;當變頻器檢查到實際電壓矢量u和電流矢量i之間的夾角為φ，并與額定夾角φn進行比較得出夾角偏差δφ=（φ－φn），以此偏差調節變頻器輸出電壓為uf，使uf和if之間的夾角φf≈φn，使uf-if旋轉矢量三角形δa“oc”（圖1中的（c）圖）和額定工況的un-in旋轉矢量三角形δa‘oc’（圖1中的（a）圖）相似，我們就說電機在圖1中的（c）圖工況和圖1中的（a）圖工況相似，這時電機的轉矩特性tf/tfm=tn/tm，轉差率特性sf/sfm=sn/sm。顯然，在相似工況，電機在輸出軸功率不變的情況下，電機的功率因數和額定工況的功率因數相同，電機效率也比較高。系統思考，電機的供電頻率f，應當按照水泵節能運行的要求確定;電機的效率應當按照一定頻率時在保證電機輸出軸功率要求的前提下，調整供電電壓使電機處在和額定工況相似的率工況運行。美國電力效能公司（pec，power efficiency corporation）推出的pe型電機節能控制器（又稱功率因數控制器）就是按照電機相似運行的原理開發的，不過pe裝置是把頻率固定在50hz（或60hz）工頻，沒有變頻的功能。據文獻[2]介紹，電機在部分負荷時使用pe控制器，可以取得10%~30%的節能效果。
在文獻[1]中本人曾經證明，水泵、風機只有在全相似工況（幾何相似、運動相似、動力相似），才有和轉速的三次方成正比zui節能的節能效果。因此從“系統思考”的理念考察變頻變風量（vav）或變水量（vwv）節能控制系統主要的任務可由下式表示:
式中:wp—水泵或風機的輸入電功率，w;
δpp—水泵或風機的壓頭，pa;
lt—水系統或風系統總流量，等于水泵或風
機的流量，m3/s;
δpp×lt—水泵或風機的有效功率，w;
ηp—水泵效率，無因次;
ηm—電機效率，無因次;
ηin—變頻器效率，無因次。
從（3）式可以很清楚看出，“系統思考”變頻變風量（vav）或變水量（vwv）節能控制系統，理想變頻器的主要任務首先是使水泵或風機變轉速和水系統或風系統部分負荷特性相匹配，水泵或風機始終都在zui節能的全相似工況運行，保持水泵或風機的zui率ηp不變，這是變頻器外控回路要完成的工作;其次是在保證電機部分負荷軸功率要求的前提下，使電機也在和額定工況相似的率工況運行，即要保持部分負荷時，電機的效率ηm基本不變或變化的很小，這是變頻器內控回路要完成的工作;保證變頻器在部分負荷時自身的效率ηin也基本不變，這是電力電子元件、變頻器技術本身需要完成的任務。這就是理想的風機、水泵變頻器應該具有的三個功能。表面上看起來，變頻器同時完成三件任務，是相互矛盾的，但從系統的觀點進行分析，風機、水泵全相似工作要求的主要是對風機、水泵節能運行特定工作轉速的要求，它對變頻器的要求的是給電機以特定要求的頻率f;而對電機相似工作的要求是電機的工作電壓，它對變頻器的要求是在特定頻率f下的給電機以特定的工作電壓uf，因此從變頻器變風量（vav）或變水量（vwv）節能控制系統的整體來看，變頻器應當能夠實現在滿足水泵、風機相似工作轉速要求的同時，給電機供給一定的電壓uf，也能滿足電機相似工作的要求，這兩個要求并不矛盾。由于微機技術和電力電子技術、變頻技術長足的進步，至于滿足第三個要求，應當已經沒有什么問題。
上面是用“系統思考”的理念描繪出來的一匹理想的風機水泵變頻器“千里駒”，如果能開發出這樣的“千里駒”，在一定頻率范圍內能夠同時滿足水泵、風機變速節能和電機相似節能運行的要求，想必比美國pec公司的pe型電機節能控制器節能效果更好、應用范圍更寬。但現在市場上的變頻器基本上都是在變頻領域這個專業模塊范圍內用“片面思考”的理念開發出來的產品，用“按圖索驥”的方法尋求“系統思考”理念中的理想的變頻器“千里駒”，結果恐怕令人失望。至于市場上號稱對風機、水泵的變頻器，是針對風機、水泵在zui節能的全相似變壓變流量工況運行，轉矩和轉速的平方成正比的特性開發的。仔細分析風機、水泵的變轉速特性在不同的系統是不同的。風機、水泵在一般的定壓變風量（vav）或定壓變水量（vwv）節能控制系統中，有近似的恒定轉矩特性;在先進的比較節能的“zui小靜壓”變壓變流量節能控制系統中，風機、水泵有介于恒轉矩和轉矩與轉速的平方成正比之間的特性，即按大系統理論，容入系統中風機、水泵的性能要發生本質上的變化，只對一種工況運行的風機、水泵轉矩特性開發的變頻器何以談是風機水泵？
上述是作者從大系統理論，按“系統思考”的理念，從使用者的角度，對理想的風機水泵變頻器研發的一些想法，觀點的不同是自然的，僅供參考。
4 結束語
從“系統思考”的理念來看，理想的風機、水泵變頻器應當同時完成風機水泵全相似節能控制、電機相似節能控制和自身運行的要求，只有這樣的變頻器才能取得zui大的節能效果。