变频器在节能控制系统中的作用.docx

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变频器在节能控制系统中的作用

变频器在节能控制系统中的作用

1引言

经变频界同仁几十年的竭诚努力，使变频产业出现了欣欣向荣的局面，变频器产品门类众多，变频创新技术不断涌现，新的人才辈出，变频节能的成功案例常常见于报章杂志如今变频节能无疑已经成为减缓我国能源紧张形势非常重要的技术手段。

2变频器在节能控制系统中的作用

分析变频器节能应用案例，变频器都是融入节能控制系统，作为节能控制系统的不可分割的一个环节来使用的。

比如在水泵、风机变频器变流量节能控制系统中，变频器、电机和水泵或风机共同组成一个一体的组件，作为变流量闭环控制系统（可能是温度单回路控制系统，也可能是压力单回路控制系统）中的执行器这个环节，而系统中的被控对象则是水系统或风系统。

从自动控制控原理可知，控制系统中的传感器、控制器、执行器的特性，必须和被控对象的特性相匹配并构成统一的整体，才能取得良好的控制效果，正如人体的八大系统构成了健康、协调、统一的整体，当他与环境良好的适应时才是一个健康的人一样。

仔细研究变频器应用有关文章、专著、使用说明等文献，就会发现，大部分变频器只是从变频器这个专业范围内深入研究后的杰作，很少或者没有考虑变频器融入控制系统后变频器这个环节和节能控制系统中的其他环节、系统以及和环境之间的关联、制约、影响，因此在变频器推广应用中，有许多水泵、风机变频器节能工程案例中，节能效果并没有达到宣称的和水泵、风机转速的三次方成正比的节能效果，而并不知原因所在[1]。

究其原因，这是变频器的开发者、应用者包括某些专家，只是从变频器这个专业模块范围用片面思考的理念开发出来的变频器，很少或者没有考虑变频器融入节能控制系统后的需要和怎么适应控制系统整体性能的要求，对被控对象的特性认识模糊或者根本没有搞清，就给变频器的应用者发出错误的信息造成的[1]。

3系统思考理想变频器应具备的功能

据美国电力研究学会（epri，electricpowerresearchinstitute）调查统计显示，工业用电的70%是电机运行所耗，而通常的60%的电机负荷率在60%以下运行[2]。

变频器节能应用控制主要就在工业上使用最多的电动机上。

根据电机原理，电动机在额定工况（这是借用风机、水泵技术中的术语）时，其额定转矩tn有下述关系式:

式中:

t电机的转矩，n-m;

s电机的转差率，s=1－n/n1;

n电机瞬时转速，r/min;

nl电机的同步转速，n1=60f1/p，r/min;

f1电机供电电源频率，hz;

p电机的极对数。

下标为n者是额定工况电机的参数;

下标为m者是最大转矩工况电机的参数;

电机的过载能力，=tm/tn，对于普通电机，=1.6~2.2，相应的sn/sm=0.8~1.1;对于起重电机=2.2~2.8，相应的sn/sm=1.1~1.4[3]。

对于确定的电机，是不变的。

显然，对于一个确定的电机，它的结构是确定的，因而公式

（2）的表达式是恒定的。

在额定工况，电机的功率因数cos0.85~0.92（小功率的电机cos还要小些），电机有最高的效率n=0.85~0.97（小功率的电机额定效率n还要小些）。

但是实际上60%的电机，是在负荷率60%以下运行，即大部分时间电机在部分负荷工况运行。

在部分负荷运行的电机，功率因数cos0.4~0.6甚至更小，从而使电机的效率mt=0.4~0.5甚至更小，电机瞬时转差率st变小，它与最大转差率的比值st/sm＜sn/sm。

系统是物质世界存在的基本形式和根本属性，按照系统思考的理念，电机也是一个大系统，是牵一发而动全身的，电机的特性参数是相互关联的，从某一个参数的变化中，应该能够提取整个电机的运行特性，正像高水平的老中医可以从脉象提取人们健康状况信息一样，而不必将电机的几百个参数都进行分析，陷于不得要领的迷惑泥潭。

变频器驱动电机首先应当考虑电机的这个基本被控对象的特性，在电机部分负荷时调整电机的供电电压和供电频率，使得电机在满足部分负荷有功功率要求的前提下，使得电机的电压-电流（u-i）旋转矢量三角形，和额定工况电机的电压-电流（u-i）旋转矢量三角形近似相似，如图1所示，从而使电机在高效状态运行，同时用emc滤波器尽量避免因变频而带来的对电网的谐波污染，和保持部分负荷时变频器的高工作效率，这些才应当是变频器研发的大方向。

图1中的（a）图，表示额定工况时电机的u-i旋转矢量图，电压矢量un和电流矢量in之间的夹角为n;图1中的（b）图，表示变工况时电机的u-i旋转矢量图，电压矢量u和电流矢量i之间的夹角为，它的有效电流为it;当变频器检查到实际电压矢量u和电流矢量i之间的夹角为，并与额定夹角n进行比较得出夹角偏差=（－n），以此偏差调节变频器输出电压为uf，使uf和if之间的夹角fn，使uf-if旋转矢量三角形aoc（图1中的（c）图）和额定工况的un-in旋转矢量三角形aoc（图1中的（a）图）相似，我们就说电机在图1中的（c）图工况和图1中的（a）图工况相似，这时电机的转矩特性tf/tfm=tn/tm，转差率特性sf/sfm=sn/sm。

显然，在相似工况，电机在输出轴功率不变的情况下，电机的功率因数和额定工况的功率因数相同，电机效率也比较高。

系统思考，电机的供电频率f，应当按照水泵节能运行的要求确定;电机的效率应当按照一定频率时在保证电机输出轴功率要求的前提下，调整供电电压使电机处在和额定工况相似的高效率工况运行。

美国电力效能公司（pec，powerefficiencycorporation）推出的pe型电机节能控制器（又称功率因数控制器）就是按照电机相似运行的原理开发的，不过pe装置是把频率固定在50hz（或60hz）工频，没有变频的功能。

据文献[2]介绍，电机在部分负荷时使用pe控制器，可以取得10%~30%的节能效果。

在文献[1]中本人曾经证明，水泵、风机只有在全相似工况（几何相似、运动相似、动力相似），才有和转速的三次方成正比最节能的节能效果。

因此从系统思考的理念考察变频变风量（vav）或变水量（vwv）节能控制系统主要的任务可由下式表示:

式中:

wp水泵或风机的输入电功率，w;

pp水泵或风机的压头，pa;

lt水系统或风系统总流量，等于水泵或风

机的流量，m3/s;

pplt水泵或风机的有效功率，w;

p水泵效率，无因次;

m电机效率，无因次;

in变频器效率，无因次。

从（3）式可以很清楚看出，系统思考变频变风量（vav）或变水量（vwv）节能控制系统，理想变频器的主要任务首先是使水泵或风机变转速和水系统或风系统部分负荷特性相匹配，水泵或风机始终都在最节能的全相似工况运行，保持水泵或风机的最高效率p不变，这是变频器外控回路要完成的工作;其次是在保证电机部分负荷轴功率要求的前提下，使电机也在和额定工况相似的高效率工况运行，即要保持部分负荷时，电机的效率m基本不变或变化的很小，这是变频器内控回路要完成的工作;保证变频器在部分负荷时自身的效率in也基本不变，这是电力电子元件、变频器技术本身需要完成的任务。

这就是理想的风机、水泵专用变频器应该具有的三个功能。

表面上看起来，变频器同时完成三件任务，是相互矛盾的，但从系统的观点进行分析，风机、水泵全相似工作要求的主要是对风机、水泵节能运行特定工作转速的要求，它对变频器的要求的是给电机以特定要求的频率f;而对电机相似工作的要求是电机的工作电压，它对变频器的要求是在特定频率f下的给电机以特定的工作电压uf，因此从变频器变风量（vav）或变水量（vwv）节能控制系统的整体来看，变频器应当能够实现在满足水泵、风机相似工作转速要求的同时，给电机供给一定的电压uf，也能满足电机相似工作的要求，这两个要求并不矛盾。

由于微机技术和电力电子技术、变频技术长足的进步，至于满足第三个要求，应当已经没有什么问题。

上面是用系统思考的理念描绘出来的一匹理想的风机水泵专用变频器千里驹，如果能开发出这样的千里驹，在一定频率范围内能够同时满足水泵、风机变速节能和电机相似节能运行的要求，想必比美国pec公司的pe型电机节能控制器节能效果更好、应用范围更宽。

但现在市场上的变频器基本上都是在变频领域这个专业模块范围内用片面思考的理念开发出来的产品，用按图索骥的方法寻求系统思考理念中的理想的变频器千里驹，结果恐怕令人失望。

至于市场上号称对风机、水泵专用的变频器，是针对风机、水泵在最节能的全相似变压变流量工况运行，转矩和转速的平方成正比的特性开发的。

仔细分析风机、水泵的变转速特性在不同的系统是不同的。

风机、水泵在一般的定压变风量（vav）或定压变水量（vwv）节能控制系统中，有近似的恒定转矩特性;在先进的比较节能的最小静压变压变流量节能控制系统中，风机、水泵有介于恒转矩和转矩与转速的平方成正比之间的特性，即按大系统理论，容入系统中风机、水泵的性能要发生本质上的变化，只对一种工况运行的风机、水泵转矩特性开发的变频器何以谈是风机水泵专用？

上述是作者从大系统理论，按系统思考的理念，从使用者的角度，对理想的风机水泵专用变频器研发的一些想法，观点的不同是自然的，仅供参考。

1引言

經變頻界同仁幾十年的竭誠努力，使變頻產業出現瞭欣欣向榮的局面，變頻器產品門類眾多，變頻創新技術不斷湧現，新的人才輩出，變頻節能的成功案例常常見於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並構成統一的整體，才能取得良好的控制效果，正如人體的八大系統構成瞭健康、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，大部分變頻器隻是從變頻器這個專業范圍內深入研究後的傑作，很少或者沒有考慮變頻器融入控制系統後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，節能效果並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，而並不知原因所在[1]。

究其原因，這是變頻器的開發者、應用者包括某些專傢，隻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後的需要和怎麼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，electricpowerresearchinstitute）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最多的電動機上。

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者是最大轉矩工況電機的參數;

電機的過載能力，=tm/tn，對於普通電機，=1.6~2.2，相應的sn/sm=0.8~1.1;對於起重電機=2.2~2.8，相應的sn/sm=1.1~1.4[3]。

對於確定的電機，是不變的。

顯然，對於一個確定的電機，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cos0.85~0.92（小功率的電機cos還要小些），電機有最高的效率n=0.85~0.97（小功率的電機額定效率n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cos0.4~0.6甚至更小，從而使電機的效率mt=0.4~0.5甚至更小，電機瞬時轉差率st變小，它與最大轉差率的比值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，陷於不得要領的迷惑泥潭。

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，從而使電機在高效狀態運行，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n;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，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，並與額定夾角n進行比較得出夾角偏差=（－n），以此偏差調節變頻器輸出電壓為uf，使uf和if之間的夾角fn，使uf-if旋轉矢量三角形aoc（圖1中的（c）圖）和額定工況的un-in旋轉矢量三角形aoc（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高效率工況運行。

美國電力效能公司（pec，powerefficiencycorporation）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、風機隻有在全相似工況（幾何相似、運動相似、動力相似），才有和轉速的三次方成正比最節能的節能效果。

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;

pp水泵或風機的壓頭，pa;

lt水系統或風系統總流量，等於水泵或風

機的流量，m3/s;

pplt水泵或風機的有效功率，w;

p水泵效率，無因次;

m電機效率，無因次;

in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最節能的全相似工況運行，保持水泵或風機的最高效率p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高效率工況運行，即要保持部分負荷時，電機的效率m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in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、水泵專用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，這兩個要求並不矛盾。

由於微機技術和電力電子技術、變頻技術長足的進步，至於滿足第三個要求，應當已經沒有什麼問題。

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專用變頻器千裡駒，如果能開發出這樣的千裡駒，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裡駒，結果恐怕令人失望。

至於市場上號稱對風機、水泵專用的變頻器，是針對風機、水泵在最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最小靜壓變壓變流量節能控制系統中，風機、水泵有介於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，隻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專用？

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，對理想的風機水泵專用變頻器研發的一些想法，觀點的不同是自然的，僅供參考。

（注：

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