0 引言

隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術的發展，交流變頻調速技術亦得到了不斷的發展。時至今日，交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果而在國民經濟眾多領域中得到了廣泛應用，并被公認為是一種最有前途的交流調速方式，引領了電氣傳動發展方向。變頻調速技術為節能降耗、改善控制性能、提高產品產量和質量提供了強有力的保障。變頻調速理論已形成了完整的科學體系，成為一門相對獨立的學科。

本文是在我公司多年來自主研發的產品在各個行業實際應用的基礎上總結出來的。

變頻器在我國的各個行業中已經使用多年，但是不論是進口的還是國產的，節電率都沒有達到理論值，一般都在15%~20%左右。我們開發的智能化節電設備，節電率都達到甚至超過了40%;系統的電壓諧波控制在5%以下，電流諧波控制在15%以下;

功率因數提高到0.96以上。如何能做到這一點呢?我們主要從以下三個方面實現。

1 智能化應用變頻器

智能化應用變頻器，使系統中變頻器、電機、風機(水泵)三者工作在最佳效率曲線內，達到三者效率乘積最大化。

根據流體力學的原理可知電機的轉速n與風量q、壓力h、軸功率P之間的關系為

顯而易見，通過調整電機的轉速，可以大幅度地降低電機的功率，通過計算，可以得出調節轉速后，理論上電機所節約的電能，如表1所列。

由于軸功率與轉速的三次方成正比，因此通過調整電機的轉速，節電效果是非常顯著的。當頻率下降10%時電機的轉速就會下降10%，風量也會下降10%，這時的軸功率和電機轉速的三次方成正比。這時理論上的節電率是27.1%，如果轉速下降20%，理論上的節電率是48.8%。

采用交流變頻調速技術控制水泵的運行，是目前系統節能改造的有效途徑之一，下面繪出閥門控制調節和變頻調速控制兩種狀態的水泵功率消耗—流量關系曲線。

圖1顯示了變頻器控制和閥門控制水泵所消耗的功率，從圖中我們可以清楚地看出水泵的流量為額定的60%時，變頻控制與閥門控制相比，功率下降了60%;所以水泵依靠閥門控制所消耗的電量遠遠大于變頻器控制所消耗的電量。

但是，為什么我們在安裝變頻器以后節電率達不到表1所列的數值呢?為什么節電率總是在20%以下呢?離變頻器的理論值相差甚遠，是什么原因?

經過多年的研究，我們找到了問題的答案：雖然我們在系統中安裝了變頻器，但是沒有找到最佳的控制應用手段來挖掘出變頻器和動力系統配合的潛力，用什么方法使變頻器、電機、風機(水泵)三者效率的乘積最大化呢?我們通過幾年的努力，搜集了變頻器、電機、風機和水泵幾千家制造商上萬種產品的效率曲線數據，建立了開發控制軟件的基礎，開發出了智能化控制變頻調速的專利軟件。由于這套軟件的開發成功，解決了如何使變頻器、電機、風機或水泵在系統工作時三者效率乘積最大化的問題，使節電率在原來變頻器的基礎上提高了10%左右。

2 系統諧波治理

很多單位在安裝變頻器之后，節電率低，電機發熱、噪音大。大家都知道，每一個變頻器本身就是一個諧波源，產生的諧波有正相序、負相序和零相序之分。諧波能大大影響我們的節電率，舉個例子，例如我們在100 kW 的電機上加裝變頻器控制器轉速，100 kW的電機的額定電流大約是200 A，假設轉速降低20%，理論節電率應該是48.8%，從電流的角度上說節省了97.6 A，但是變頻器本身產生多次諧波，以其中的5 次諧波為例，5 次諧波是負相序諧波，能產生與原基波電流方向相反的電流40 A，帶動電機反轉，此時電機的負載增大，效率降低，必須增加40 A的基波電流抵消掉諧波電流，此時，我們節約的電流只有57.6 A(這只是5次諧波產生的危害，還有其它次諧波也大大影響節電率)。從這些數字我們可以看出，諧波的存在對節電率有著非常大的影響。另外，諧波還有許多其它的危害，例如：影響電機效率和正常運行，縮短電動機壽命;加速元器件的老化;增加變壓器和線路損耗等。由此可知，對諧波的治理是當務之急。

目前對諧波的治理方法主要是在系統中加裝無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器主要是電容和電抗，價格便宜，可是只能濾除30%左右的諧波;有源濾波器治理諧波的效果很好，對諧波的濾除率能達到95%以上，可是成本太高，平均每千瓦要上萬元，對企業來講投資太大。我們利用有源濾波器的原理，在變頻器的基礎上加裝諧波發生器，當系統出現諧波時，計算機就會發出指令，產生一個頻率相同方向相反的諧波把產生的諧波抵消掉，其諧波濾除率高達90%以上，接近于有源濾波器的治理效果，可成本比有源濾波器低了許多，用我們的方法濾除諧波平均1 000元/ kW左右，這樣我們就用最小的投入解決了最大的問題。

下面是一汽大眾用我們的產品在治理諧波方面的檢測數據。經過治理后，諧波電壓含有率分別是：42Hz時為4.47%;38 Hz時為4.85%;35 Hz時為4.50%。

安裝LP牌智能化節電設備前后啟動電流、電機表面溫升對比如表2所列。

由于減少了諧波的影響，電機的電能損耗降低了，電機表面的溫度下降了，同時又提高了變頻器的節電率，此時的節電率已接近于理論值。

3 提高電機功率因數

影響電機功率因數的因素有三個：電壓波動，諧波影響，電機的空載和輕載。

我們國家的電網電壓已經很穩定，一般不會產生波動，另外，我們對諧波的治理也已經接近理想狀態，現在我們只考慮第三個因素：電機的輕載和空載，空載的情況很少，解決輕載問題的關鍵就是必須首先知道負載在工作過程中隨時的變化情況，變化量是多少?用什么控制方法來實現?

以鋼鐵廠的除塵風機為例，在開始出鐵時灰塵含量多，負載重，工作電流大，出鐵結束后，含塵量減少，電機的負載也會降低，電流減小，一般的變頻器只能解決在出鐵時帶動風機滿載運行，煉鐵時變頻低速運行，而不能解決隨含塵量和負載的變化適時進行變頻調速運行，解決不了電機輕載的問題。我們的產品就做到了這一點，通過軟件對系統的實時監測，控制電機運行狀況隨系統的變化而變化，使系統始終在最佳的工作狀態下運行。

表3是一汽大眾汽車有限公司對我們產品調速后各頻率段的功率因數的檢測數據。

事實證明，在使用我們的產品以后，原設備的功率因數有了大幅度的提高。

4 結語

通過我們的研究和我們所服務客戶的實際使用情況證明，智能化應用變頻器和治理諧波是提升變頻器在動力節電領域節電率的切實有效的方法。