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，口的人才辈出，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使用案例，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，当他和环境良好的适应时才是一个健康的人一样。仔细研究变频器使用有关文章、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，因此在变频器推广使用中，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、使用者包括某些专家，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，就给变频器的使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]。变频器节能使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电机的转口， n-m;s电机的转差率， s=11n/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者是最大转口工况电机的参数 ;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，口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=0.4~0.5OOOO,电机瞬时转差率 stDO,它和最大转差率的比值 st/sm口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0000,如图1所示，从而使电机在高效状态运行，同时用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0000,这些才应当是变频器研发的大方向。额定工况时电机的 u-i旋转矢量图，电压矢量emc滤波器尽量避图1中的（a）图，表示un和电流矢量in之间的夹角为n;图的夹角为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，并和额定夹角n进行比较得出夹角偏差 =（1n）,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）口）和额定工况的un-in旋转矢量三角形 aoc（图1中的（a）口）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，这时电机的转口特性 tf/tfm=tn/tm,转差率特性sf/sfm=sn/sm。显然，在相似工况，电机在输出口功率不变的情况下，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口功率要求的前提下，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TOC\o"1-5"\h\z0000, 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。（vav）或变水量（vwv）（vav）或变水量（vwv）p不变，这是变频器外节能控制系统，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口00000;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0、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0,但从系统的观点进行分析，风0、水泵全相似工作要求的主要是对口0、水泵节能运行特定工作转速0要求，口对变频器的要求的是给电机以特定要求的频率 f;而对电机相口000要求是电000作电压，口对变频器的要求是在特定频率 f下的给电机以特定000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，想必比美国公司的pe型电机节能控制器节能效果更好、 使用范围更宽。 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、水口专用的变频器，是针对风机、水泵在最节能的全相似变压变流量工况运行，转口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，有近似的恒定转口特性；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口和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、水泵转口特性开发的变频器何以谈是风机水泵专用？pec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

pec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引言皿口界同仁口十年的竭口努力， 使□□□口口口□欣欣向口的局面，皿器口品□□□多，口□口新技口不口□口，新的人才口出，口口口能的成功案例常常□於口章口志如今□口□能口疑已□成口□□我皿源□□形□非常重要的技口手段。2口口器在口能控制系□中的作用分析皿器口能□用案例，皿器都是融入口能控制系口，作皿能控制系□的不可分割的一皿口□使用的。比如在水泵、口口皿器皿量口能控制系□中，皿器、口口和水泵或□□共同［成一叫DODO,作□口流量□□控制系口 （可能是口度皿路控制系口， 也可能是□力口回路控制系口 ）中的口行口口叫口, 而系口中的被控口象口是水系口或口系口。口自口控制控原理可知，控制系□中的叫器、控制器、口行器的特性，口口和被控口象的特性相匹配口口成口一的整D,才能取得良好的控制效果，正如人DO八大系□□成口健康、口□、口一的整D,□他口□境良好的□口口才是一口健康的人一口。仔口研究□□□口用有口文章、口著、使用口明等文口，就口口口，大部分□□口口是口口□口□□□口范□□深入研究口的口作，很少或者□有考口口口口融入控制系□□□□□□□□□□□能控制系口中的其他口口、系口以及和口口之口的口口、制口、影］，因此在□□□推口口用中，有口多水泵、口□口□□□能工程案例中，口

能效果□□有口到宣口的口水泵、口口口口的三次方成正比的口能效果，而口不知原因所在 ［1］。究其原因，口是□□器的□□者、口用者包括某些口□，口是□□口器□□□口模口范口用片面思考的理念□□出口的□□器，很少或者皿考口口口口融入口能控制系口□的需要和口口口口控制系口整口性能的要求，口被控口象的特性□□模糊或者根本口有搞清，就口□皿的口用者口出皿的信息造成的 ［1］。3系］思考理想□□器口口口的功能□美□□力研究□口 (epri,electricpowerresearchinstitute)□查叫口口，工口用口的 70%是口口□行所耗， 而通常的60%的口口□荷率在 60%以下［行 ［2］。］□器□能□用控制主要就在工口上使用最多的口□□上。根口口□原理，DDD0D00D (口是借用口口、 水泵技口中的口□川，其口定口矩 tn有下述□系式 ：式中：t□□的□矩， n-m;s□□的口差率， s=11n/n1;nDDODDO, r/min；nl□□的同步□速， n1=60f1/p,r/min;fl□□供口□源口率， hz;pDDODDDDODDn者是□定工□口□的口口 ；ODDm者是最大口□工口口□的口口 ;□的□□能力， =tm/tn,口於普通口口， =1.6~2.2,相口的

sn/sm=0.8~1.1;□於起重口口=2.2~2.8,相口的sn/sm=1.1~1.4[3]。口於口定的口口，是不口的。然，口於一口□定的口□， 它的□□是口定的， 因而公式（2）的表口式是恒定的。在口定工口，口口的功率因口 cos0.85~0.92（小功率的叫cos□要小些）,□□有最高的效率 n=0.85~0.97（小功率的口□口定效率nDOOO）。但是□□上 60%的口口，是在口荷率 60%以下DCOOOODDDDOOODOODDODOOODODOOD皿功率因口cos0.4~0.6甚至更小，口而使皿的效率 mt=0.4~0.5OOOO,DDODDOO stDO,它□最大口差率的比值 st/sm口sn/sm。系□是物口世界存在的基本形式和根本口性， 按照系□思考的理念，□□也是一口大系口，是口一口而皿身的，口□的特性叫是相互□□的，口某一口□□□□化中，口□能口提取整口口□的口行特性，正像高水平的老中口可以□□象提取人皿康口□信息一口，而不必口口□的口口口口□都口行分析，陷於不得要口的迷惑泥潭。□□□□□口首先□□考口□□的□□基本被控口象的特性，在口口部分口□□□整□□的供口口□和供口□率，使得□□在口足部分口□有功功率要求的前提下，使得口□的口□ 一□流（u-i）旋口矢量三角形，和口定工口口口的口□ 一□流（u-i）旋口矢量三角形近似相似，如口1所示，口而使□□在高效口口□行，同口用免因□□而□□的口□口的口波污染，和保持部分口□口□如口1所示，口而使□□在高效口口□行，同口用免因□□而□□的口□口的口波污染，和保持部分口□口□□器的高0000, □些才□□是D□器研口的大方向。□定工□□□口的 u-i旋口矢量口，口口矢量emcDOODOO口1中的（a）口，表示un和口流矢量in之口的口角口n;11的口角口n;11中的（b）□，表示□工□□□口的u-i旋口矢量口，口矢量u和1流矢量i之1的口角口，它的有效口流口 it;□□口器口查到□□□口矢量 u和1流矢量i之1的口角口，口口□定口角n□行比□得出口角偏差 =（1n）,以此偏差□□□□□□□□□□ uf,使uf和if之口的口角 fn,使uf-if旋口矢量三角形 aoc（11中的（c）口）和口定工叫un-in旋口矢量三角形 aoc（11中的（a）口）相似，ODODDDOD 1中的（c）□工□和1 1中的（a）□工□相似，口口□的口矩特性 tf/tfm=tn/tm,口差率特性sf/sfm=sn/sm。□然，在相似工口，口口在口出皿率不□的情口下，皿的功率因口和叫工□的功率因［相同，皿效率也比□高。系皿口，口□的供叫率f,□□按照水泵口能］行的要求□定 ；口□的效率□□按照一定口率口在保□□□口出口功率要求的前提下，口口供口口口口口皿在和口定工口相似的高效率工□□行。美□口力效能公司 （pec,powerefficiencycorporation）推出的pe型口□□能控制器 （又口功率因口控制器 ）就是按照□□相似口行的原理口□的，口口 pe□□是把口率固定在50hz（或60hz）口口，叫□□的功能。 ［文口［2］口］，□在部分口□口使用 pe控制器，可以取得 10%~30%的口能效果。在文口［1］中本人曾口口明， 水泵、口口□有在全相似工口 （口何相似、□相似、口力相似），才有和口□的三次方成正比最□能的口能效果。因此□系□思考的理念考察□□□口口 （vav）或口水量（vwv）口能控制系□主要的任□可由下式表示 ：式中：wp水泵或□□的口口口功率， w;

pp水泵或□□的□口， pa;lt水系□或□系口口流量，等於水泵或口口的流量，m3/s;TOC\o"1-5"\h\zpplt水泵或口□的有效功率， w;p水泵效率，口因次 ；m□□效率，口因次 ;in□□器效率，口因次。（vav）或口水量（vwv）（vav）或口水量（vwv）p不口，口是□□器外皿控制系口，理想皿器的主要任皿先是使水泵或口□□口□和水系皿口系□部分口荷特性相匹配，水泵或皿口口都在最口能的全相似工口口行，保持水泵或口□的最高效率控回路要完成的工作 ；其次是在保皿口部分口□口功率要求的前提下，使□□也在和口定工口相似的高效率工口□行，即要保持部分口荷口，口口的效率 m基本不口或口化的很小，口是□□口皿回路要完成的工作；保口口□□在部分口□口自身的效率 in也基本不口，口是口力口子元件、□□器技口本身需要完成的任口。口就是理想的口口、水泵口用□□器□□具有的三口功能。表面上看起口，口口口同口完成三件任口，是相互矛盾的，但□系□的口口口行分析，口口、水泵