1.15 中、高壓變頻調速系統的節能

采用變頻調速系統的主要目的有兩個：一是為了保證產品質量而調速，可提高設備自動化程度和生產的可靠性，改善運行環境；二是為了節約電能而調速，特別是在風機、水泵和各類膠帶輸送機上的應用，節能效果顯著，降低了生產成本，產生了巨大的社會效益。

1.15.1 變頻器的負載類型與節能

變頻并不是任何時候可以節約電能，作為電子電路，變頻器本身也要耗電（額定功率的3%～5%），很多場合下使用變頻的性價比并不高。例如，作為“變頻電源”的儀器儀表的檢測設備，其要求可變頻率逆變器輸出標準的正弦波，故對波形需要進行必要的整理，一般“變頻電源”是“變頻器”價格的15～20倍，變頻調速的這種應用并不節能，只可滿足設備技術的需求，提高產品的質量。

以節能為主要目的的變頻器調速應視負載性質及用途等而定。對于不同的生產機械負載，只有在恒轉矩負載和二次方轉矩負載上使用變頻器調速時才會節能。負載類型與節能的關系見表1-21。

表1-21 負載類型與節能關系^[1]

對于各類風機、泵類、平運膠帶輸送機、上運膠帶輸送機、下運膠帶輸送機、長距離膠帶輸送機、港口膠帶輸送機系統的節能，在以后有關章節中還有較詳細的介紹，并給出若干工程實例。

1.15.2 變頻調速的節能

在電氣傳動設計中，選擇設備設計裕量時，往往需要考慮設備極端條件下的運行情況，從而會導致“大馬拉小車”現象，過去因電動機在額定電壓的工頻情況下運行，電動機定速旋轉不可調節，這樣運行自然浪費很大。而逆變為頻率可調、電壓可調的變頻器，與PLC、現場總線以及現場的智能化儀表、傳感器等組成變頻調速系統，則徹底解決了這一問題。它輸出的波形是模擬正弦波，由于它的性價比較高，已廣泛用于三相異步電動機調速。

離心式風機、水泵、油泵等設備傳統的調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和液體流量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調速時，變頻調節響應極快，基本與工況變化同步，如果流量要求減小，通過節能軟件降低泵或風機的轉速即可滿足要求。由于風機和泵類負載在一定的條件下，功率與轉速的三次方成正比，使低速時耗能大大降低，所以節能效果顯著。

在設計上運、平運、長距離、港口用等膠帶輸送機時，為了保證生產的可靠性，上述膠帶輸送機設計配用動力驅動時，都留有一定的裕量，選用較大的電動機額定功率；膠帶輸送機在額定情況下運行少，常常因給料較少達不到額定量而輕載運行；有時由于工藝要求，膠帶輸送機會空轉運行，這說明膠帶輸送機經常運行在輕載工況，造成“大馬拉小車”的電能浪費。根據實際運量動態調節帶速，可提高有效負載率，把全速運行中浪費的電能節約了下來，節能效果明顯。

上述傳動系統的變頻調速原理、節能的分析和實測、工程應用實例等可參見第4～9章有關內容。

1.15.3 四象限變頻器的能量回饋節能

中、高壓變頻器的運行象限沿用電動機運行象限的定義，當電動機輸出的軸轉矩與電動機轉向相反時，如電動機需要減速或制動或者下運膠帶輸送機向下輸送物料或者電動機拖動絞車下放重物時，電動機運行在發電模式下，變頻器從電動機獲得有功功率并回饋電網，節約電能。

對于上述傳動系統的節能原理、節能分析和實測，工程應用的實例等可見第7章內容，電動機減速或制動時的回饋節能見9.7節內容。

1.15.4 變頻使電動機軟起動（軟停止）的節能

大功率電動機用工頻電源直接起動時，起動電流會比額定電流高6～7倍，因此會對電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，起動時產生的大電流和振動時對某些設備（如擋板、閥門、膠帶）的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。

使用變頻器傳動后，利用變頻器的軟起動功能，將使起動電流從零開始，平滑起動（起動時間變長）：一般不超過額定電流，最大值也不會超過額定電流的2倍，起動轉矩為70%～120%額定轉矩；對于帶有轉矩自動增強功能的變頻器，起動轉矩為100%額定轉矩以上，可以滿載起動。優點是：減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備的使用壽命；不但節約了電能，而且節省了設備的維護費用。

同樣，用變頻器使電動機軟停止也得到良好的效果。

1.15.5 變頻器使功率因數提高的節能

無功功率不但會增加線損和設備的發熱，更主要的是，功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路中，設備使用效率低下，浪費嚴重。我們一般使用的交-直-交電壓源變頻調速裝置，由于變頻器內部濾波電容的作用，功率因數通常由變頻前的0.85左右提高到0.95以上；減少了線損，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。