2013年变频器节能原理及变频方式

       导读：2013年变频器节能原理及变频方式.在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的，只需要调节输入电压即可。但由于直流电机存在换向器，制造复杂，造价较高，所以目前仅用在调速性能要求较高的场合应用－如电动汽车和用直流电源（电池）供电的小型电机。 
参考：《中国节能装备市场动向调研及未来五年盈利前景预测报告》
       在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的，只需要调节输入电压即可。
       1、变频器的节能原理
       为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类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给水量，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，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。 由流体力学可知，P(功率)＝Q(流量)×H(压力)，流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40%一50%，从而达到节电的目的。 例如：一台离心泵电机功率为55千瓦，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16千瓦，省电48.8%，当转速下降到原转速的l/2时，其耗电量为6.875千瓦，省电87.5%。
       风机在不同频率下的节电率


       2、变频器的变频方式
       在变频调速技术成熟之前，直流电动机的调速特性被公认为是最好的，只需要调节输入电压即可。但由于直流电机存在换向器，制造复杂，造价较高，所以目前仅用在调速性能要求较高的场合应用－如电动汽车和用直流电源（电池）供电的小型电机。 交流电机的转速由三个因素决定：转差率、磁极对数和供电频率。磁极对数一般由电机结构决定，难以调节；调节转差率会带来比较大的负面效果，要么电机效率较低，要么电机转矩下降，电机失去过载能力。同时调节转差率只能使转速在5%以内波动，调节范围狭小。所以最好的转速调节方法，就是调节供电频率。
       1. V/f控制
       V/f控制同时调节电压与频率，使其比值保持不变，磁通恒定。V/f是一种转速开环控制，原理简单，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，通用性强，经济性好。但缺点是：1. 当频率升高时，为了保持磁通不变（否则过饱和），电压需下降，造成电机输出下降，负载能力减弱。这时候为恒功率工作模式。2. 当频率下降，电压同步下降到一定程度时，定子上面的阻抗压降就不可以忽略，需要适当提高逆变器的输出电压，保证异步电机的输出转矩，不影响电机的低频工作性能。3. V/f控制本身还是标量控制，没有考虑异步电机是一个多变量耦合关联的非线性系统，异步电机内转矩和磁链是电压和频率的函数，在高动态控制时（快速改变转矩），电机的动态响应性能较差，无法做到精确控制。同时偏离额定转速的低频状态下，难以保持磁链稳定，或者导致铜损和铁损增加。
       2. 矢量控制
       矢量变换控制是20世纪70年代原西德Blaschke等人首先提出来的。其基本思想是把交流异步电动机模拟成直流电动机，能够像直流电动机一样进行控制。采用矢量控制可以提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解为磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制。自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。可以说，V/f调速只是间接的控制决定转矩和转速的量（气隙磁通），而矢量控制直接控制决定转矩和转速的电流和频率。同时矢量控制是闭环控制，精度更高，响应速度更快。