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變頻器在節(jié)能控制系統(tǒng)中的作用
點擊次數(shù)：2350 發(fā)布時間：2010-10-18
1 引言
經(jīng)變頻界同仁幾十年的竭誠努力，使變頻產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了欣欣向榮的局面，變頻器產(chǎn)品門類眾多，變頻創(chuàng)新技術不斷涌現(xiàn)，新的人才輩出，變頻節(jié)能的成功案例常常見于報章雜志……如今變頻節(jié)能無疑已經(jīng)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(jié)能控制系統(tǒng)中的作用
分析變頻器節(jié)能應用案例，變頻器都是融入節(jié)能控制系統(tǒng)，作為節(jié)能控制系統(tǒng)的不可分割的一個環(huán)節(jié)來使用的。比如在水泵、風機變頻器變流量節(jié)能控制系統(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)（可能是溫度單回路控制系統(tǒng)，也可能是壓力單回路控制系統(tǒng)）中的執(zhí)行器這個環(huán)節(jié)，而系統(tǒng)中的被控對象則是水系統(tǒng)或風系統(tǒng)。從自動控制控原理可知，控制系統(tǒng)中的傳感器、控制器、執(zhí)行器的特性，必須和被控對象的特性相匹配并構成統(tǒng)一的整體，才能取得良好的控制效果，正如人體的八大系統(tǒng)構成了健康、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的整體，當他與環(huán)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(fā)現(xiàn)，大部分變頻器只是從變頻器這個專業(yè)范圍內(nèi)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(tǒng)后變頻器這個環(huán)節(jié)和節(jié)能控制系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)、系統(tǒng)以及和環(huán)境之間的關聯(lián)、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(jié)能工程案例中，節(jié)能效果并沒有達到宣稱的和水泵、風機轉(zhuǎn)速的三次方成正比的節(jié)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(yè)模塊范圍用“片面思考”的理念開發(fā)出來的變頻器，很少或者沒有考慮變頻器融入節(jié)能控制系統(tǒng)后的需要和怎么適應控制系統(tǒng)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(fā)出錯誤的信息造成的[1]。
3 “系統(tǒng)思考”理想變頻器應具備的功能
據(jù)美國電力研究學會（epri，electric power research institute）調(diào)查統(tǒng)計顯示，工業(yè)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(jié)能應用控制主要就在工業(yè)上使用zui多的電動機上。根據(jù)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(zhuǎn)矩tn有下述關系式:
式中:t—電機的轉(zhuǎn)矩，n-m;
s—電機的轉(zhuǎn)差率，s=1－n/n1;
n—電機瞬時轉(zhuǎn)速，r/min;
nl—電機的同步轉(zhuǎn)速，n1=60f1/p，r/min;
f1—電機供電電源頻率，hz;
p—電機的極對數(shù)。
下標為n者是額定工況電機的參數(shù);
下標為m者是zui大轉(zhuǎn)矩工況電機的參數(shù);
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(jié)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)差率st變小，它與zui大轉(zhuǎn)差率的比值st/sm＜sn/sm。“系統(tǒng)是物質(zhì)世界存在的基本形式和根本屬性”，按照“系統(tǒng)思考”的理念，電機也是一個大系統(tǒng)，是牽一發(fā)而動全身的，電機的特性參數(shù)是相互關聯(lián)的，從某一個參數(shù)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(yī)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(shù)都進行分析，陷于不得要領的迷惑泥潭。
圖1 電機變頻調(diào)節(jié)u-i旋轉(zhuǎn)矢量相似工況圖
變頻器驅(qū)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(diào)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(zhuǎn)矢量三角形，和額定工況電機的電壓-電流（u-i）旋轉(zhuǎn)矢量三角形近似相似，如圖1所示，從而使電機在狀態(tài)運行，同時用emc濾波器盡量避免因變頻而帶來的對電網(wǎng)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(fā)的大方向。圖1中的（a）圖，表示額定工況時電機的u-i旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(zhuǎn)矢量三角形δa“oc”（圖1中的（c）圖）和額定工況的un-in旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩特性tf/tfm=tn/tm，轉(zhuǎn)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(shù)和額定工況的功率因數(shù)相同，電機效率也比較高。系統(tǒng)思考，電機的供電頻率f，應當按照水泵節(jié)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(diào)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(jié)能控制器（又稱功率因數(shù)控制器）就是按照電機相似運行的原理開發(fā)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(jù)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(jié)能效果。
在文獻[1]中本人曾經(jīng)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(zhuǎn)速的三次方成正比zui節(jié)能的節(jié)能效果。因此從“系統(tǒng)思考”的理念考察變頻變風量（vav）或變水量（vwv）節(jié)能控制系統(tǒng)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(tǒng)或風系統(tǒng)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(tǒng)思考”變頻變風量（vav）或變水量（vwv）節(jié)能控制系統(tǒng)，理想變頻器的主要任務首先是使水泵或風機變轉(zhuǎn)速和水系統(tǒng)或風系統(tǒng)部分負荷特性相匹配，水泵或風機始終都在zui節(jié)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(nèi)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(tǒng)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(jié)能運行特定工作轉(zhuǎn)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(jié)能控制系統(tǒng)的整體來看，變頻器應當能夠?qū)崿F(xiàn)在滿足水泵、風機相似工作轉(zhuǎn)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(jīng)沒有什么問題。
上面是用“系統(tǒng)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(fā)出這樣的“千里駒”，在一定頻率范圍內(nèi)能夠同時滿足水泵、風機變速節(jié)能和電機相似節(jié)能運行的要求，想必比美國pec公司的pe型電機節(jié)能控制器節(jié)能效果更好、應用范圍更寬。但現(xiàn)在市場上的變頻器基本上都是在變頻領域這個專業(yè)模塊范圍內(nèi)用“片面思考”的理念開發(fā)出來的產(chǎn)品，用“按圖索驥”的方法尋求“系統(tǒng)思考”理念中的理想的變頻器“千里駒”，結(jié)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(jié)能的全相似變壓變流量工況運行，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比的特性開發(fā)的。仔細分析風機、水泵的變轉(zhuǎn)速特性在不同的系統(tǒng)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(jié)能控制系統(tǒng)中，有近似的恒定轉(zhuǎn)矩特性;在先進的比較節(jié)能的“zui小靜壓”變壓變流量節(jié)能控制系統(tǒng)中，風機、水泵有介于恒轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比之間的特性，即按大系統(tǒng)理論，容入系統(tǒng)中風機、水泵的性能要發(fā)生本質(zhì)上的變化，只對一種工況運行的風機、水泵轉(zhuǎn)矩特性開發(fā)的變頻器何以談是風機水泵？
上述是作者從大系統(tǒng)理論，按“系統(tǒng)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(fā)的一些想法，觀點的不同是自然的，僅供參考。
4 結(jié)束語
從“系統(tǒng)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(jié)能控制、電機相似節(jié)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(jié)能效果。