本文綜述交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)對節(jié)能、環(huán)保、制造業(yè)（產(chǎn)量和質(zhì)量提升）、交通牽引及家用電器的重大貢獻。

1、變頻調(diào)速

交流電動機，特別是籠型異步電動機，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、制造成本和運行費用低、能在惡劣環(huán)境下可靠運行等一系列優(yōu)點。但是過去由于實現(xiàn)調(diào)速困難或者某些調(diào)速方式低效不夠理想，因此，長期以來在調(diào)速的領(lǐng)域仍被直流調(diào)速占領(lǐng)，交流電動機的優(yōu)點在調(diào)速傳動中未能獲得發(fā)揮。直到上世紀(jì)七十年代初，隨著電力電子、微電子（集成電路）和微機技術(shù)的飛速發(fā)展，人們長期渴望的變頻調(diào)速器實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

1.1 所謂變頻調(diào)速器——它將三相工頻（50Hz）交流電源（或任意電源）變換成　　三相電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的交流電源，有時又將變頻調(diào)速器稱為變壓變頻裝置VVVF。主要用于交流電動機（異步機或同步機）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

1.2 一個交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻調(diào)速器驅(qū)動器交流電動機和控制器三大部分組成。其中關(guān)鍵核心設(shè)備是變頻調(diào)速器，由它來實現(xiàn)電動機電壓和頻率的平滑變化。

1.3 變頻調(diào)速在調(diào)頻范圍、靜態(tài)精度、動態(tài)品質(zhì)、系統(tǒng)效率、完善的保護功能、容易實現(xiàn)自動控制和過程控制等諸方面是以往的調(diào)壓調(diào)速、變調(diào)速、串級調(diào)速、滑差調(diào)速和液力耦合器調(diào)速等無法比擬的。它是公認(rèn)的交流電動機理想有前途的調(diào)速方案，代表今后電氣傳動的發(fā)展方向。

1.4 近三十多年來變頻調(diào)速已在鋼鐵、冶金、石油、化工、紡織、化纖、輕工、造紙、橡膠、塑料、電力、水務(wù)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。低壓電動機變頻調(diào)速應(yīng)用已非常普及和成熟。高壓電動機變頻調(diào)速也正在被人們關(guān)注和逐步應(yīng)用。交流電動機變頻調(diào)速除了有不錯的調(diào)速性能之外，還有顯著的節(jié)約電能和保護環(huán)境等重大作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置。

2、變頻調(diào)速與風(fēng)機水泵節(jié)能

2.1 電力供應(yīng)與需求矛盾（供不應(yīng)求）存在較大電力缺口，需要節(jié)電。

根據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，2002年我國發(fā)電裝機容量319億kW，年發(fā)電量13466億kWH。雖然電力規(guī)模列世界第二位，但人均用電量卻為世界倒數(shù)位置。況且我國經(jīng)濟快速發(fā)展需求更多的電力。若按國民經(jīng)濟增長8%要求電力增長11%計算，到2010年我國發(fā)電容量應(yīng)為5.7~6.0億kW，年發(fā)電量達(dá)28000~29000億kWH。2003年夏季持續(xù)高溫造成部分省市電力供應(yīng)緊張，被迫采取拉閘限電措施。由于電力網(wǎng)負(fù)擔(dān)過重，造成局部電力系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

以上說明，我國電力供需不平衡，供小于求。因此，需要節(jié)約用電。

2.2風(fēng)機水泵變頻調(diào)速節(jié)能效益

2.2.1 我國電動機總裝機容量達(dá)4.5億kW，約消耗全國65%發(fā)電量。因此如何實現(xiàn)電動機節(jié)電就非常重要。一般電機節(jié)能有二個途徑：一是提高電機本身效率達(dá)到長期運行，主要用于恒速機械；另一個是提高電機轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機在節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行。

2.2.2 風(fēng)機水泵和壓縮機是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中量大面廣的電動機驅(qū)動設(shè)備，總電機容量達(dá)1.5億，用電量占全國發(fā)電量的35%左右，其中約20%~30%風(fēng)機水泵需要調(diào)速。

2.2.3 變頻調(diào)速是風(fēng)機水泵節(jié)能的佳方案。根據(jù)流體理論，離心式風(fēng)機水泵的軸功率是轉(zhuǎn)速的三次方函數(shù)關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)速降低后，其消耗功率會大幅下降，例如50%轉(zhuǎn)速時，軸機械功率僅為12.5%。當(dāng)然不同，調(diào)速方案的效率相差很大，滑差后液力調(diào)速裝置效率不高，η≈（1-S），在50%轉(zhuǎn)速時，ηvs≈50%，而變頻調(diào)速器效率，效率因數(shù)高，ηvvvF≈95%~98%，而且近似不變。所以在諸多調(diào)速方案中變頻調(diào)速節(jié)能效益佳，理應(yīng)為理想選擇方案。

[舉例]同一風(fēng)機水泵，100%轉(zhuǎn)速流量時，軸功率為100%；50%轉(zhuǎn)速流量時，軸功率降為50%。

若采用擋板，閥門控制到50%流量，仍需從電網(wǎng)吸入70-80%的功率；若采用滑差低效調(diào)速到50%，則需從電網(wǎng)吸入≈25%的功率；若采用變頻調(diào)速到50%流量，僅需從電網(wǎng)吸入10%功率。

2.2.4 風(fēng)機水泵調(diào)節(jié)流量方法多種多樣，各有特點，但歸納起來可分為三大類型：

（1）傳統(tǒng)的機械方法調(diào)節(jié)風(fēng)機的擋板，導(dǎo)流器以及水泵的閥門開啟度；

（2）采用電磁轉(zhuǎn)差離合器或液力耦合器調(diào)節(jié)風(fēng)機水泵的轉(zhuǎn)速（而電動機恒速運轉(zhuǎn)）；

（3）交流電動機變頻調(diào)速方案。

下表系三大類型風(fēng)機水泵調(diào)節(jié)流量方法比較及結(jié)論意見。（見表1）

2.2.5 當(dāng)今更應(yīng)該在大容量高壓電動機驅(qū)動的風(fēng)機水泵和壓縮機上推廣應(yīng)用高壓變頻調(diào)速節(jié)能。理由很簡單，在節(jié)電率百分比相同的情況下裝機容量愈大，其節(jié)電量也愈大。

3．變頻調(diào)速與環(huán)境保護：

3.1 電動機驅(qū)動是電能消耗的大戶，在中國占全部用電量的60%以上。過度的電力消耗使得煤炭和石油（天然氣）燃料枯竭，同時由于CO2和NO2的大量排放，造成污染環(huán)境，破壞臭氧層，影響甚至危及人類的生存。

人類不斷地從對生存環(huán)境的破壞和對能源資源的浪費過程中接受了慘痛的教訓(xùn)，于是保護人類生存環(huán)境成為全世界人民共同的呼聲，掀起了減少節(jié)約能源和環(huán)境保護，造福于社會的浪潮。1972年，瑞典斯德哥爾摩世界人類環(huán)境宣言以及1994年日本京都協(xié)議，規(guī)定所有簽約國應(yīng)使其國家的CO2及其它產(chǎn)生溫室效應(yīng)的有害氣體排放量控制在1990年的水平。充分說明環(huán)境保護的重要性和全世界人民的關(guān)注。

3.2 據(jù)估計，電氣產(chǎn)品對環(huán)境污染的影響約占30%左右，因此節(jié)省電能，減少浪費便成為履行京都協(xié)議承諾的重要因素，變頻調(diào)速和變頻技術(shù)能發(fā)揮些什么作用和貢獻呢？

(1)推廣風(fēng)機水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)可達(dá)到20%~30%的節(jié)電率，這樣可以少建火電廠，少發(fā)電，即少排放SO2、SO、CO2及灰塵，減少大氣環(huán)境污染；

(2)牽引變頻機車應(yīng)用，不用燃煤和燒油，減少排放污染；

(3)發(fā)展城市軌道交通（地鐵和磁懸浮列車）和燃料電池汽車，減少CO2排放。

(4)提倡采用電動自行車（無刷直流電機、自制式變頻調(diào)速），停用燃油助動車等。

4．變頻調(diào)速與制造業(yè)生產(chǎn)：

4．1變頻調(diào)速可提高產(chǎn)量

交流電動機設(shè)計在氣隙磁通近似不變的條件下，電機允許超速5－10％長期運行（20％短時試驗）。例如，某些國家電機可以在50/60Hz下長期運行（當(dāng)然應(yīng)保證V／F＝Cont），只要電機軸承能夠承受，提高5－10％轉(zhuǎn)速是可行的。我公司某化纖廠結(jié)合變頻調(diào)速改造，適當(dāng)提高變頻器的輸出頻率，已帶來可觀的增產(chǎn)效果。

（２）變頻調(diào)速可提高產(chǎn)品質(zhì)量

變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，對于化纖紡絲機、紡織印染聯(lián)合機、造紙機和注塑機等多單元同步傳動或比例同步（牽伸）傳動非常適用，既有之前直流機傳動的性能，又有交流機堅固、可靠、維護簡單的特點，使得產(chǎn)品的質(zhì)量有較大的提升。自動化程度提高，減輕工人勞動強度。

（3）變頻調(diào)速與某些特殊加工設(shè)備

由于變頻技術(shù)進步，變頻調(diào)速更適宜用于惡劣環(huán)境（爆炸、腐蝕、水下核輻射等）無升速齒輪的甚高速或無降速齒輪的甚低速，以及jing確位置控制（變頻伺服系統(tǒng)，步進系統(tǒng)，機械手和機器人）系統(tǒng)。

5、變頻調(diào)速與軟起動、軟起動、軟停止

5.1 電力網(wǎng)和生產(chǎn)工藝需要電機軟起動、軟停止

5.1.1 交流電動機的起動電流一般為5-7倍額定電流，如果直接起動會對電網(wǎng)引起沖擊，影響同一電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常運行。另外巨大的起動電流對電動機和機械設(shè)備也會造成嚴(yán)重的電磁應(yīng)力和機械應(yīng)力，縮短設(shè)備的使用壽命，因此電力系統(tǒng)希望能夠軟起動（特別是高壓大容量電動機）。

5.1.2 某些加工機械，例如自動流水生產(chǎn)線（瓶、罐包裝線，輸送機等），要求平穩(wěn)起動和停車以免相互碰撞倒歪；水泵為了防止水錘、喘振現(xiàn)象，也希望軟起動和軟停止（好是“泵控特性”專用的軟起動和軟停止）。

5.2變頻器用作軟起動器的特點

不同于電子固態(tài)電動機軟起動器，因為變頻器起動時，電動機的電壓和頻率同時改變，可以維持電動機的磁通不變（電子式軟起動器只變壓不變頻，故電機在削弱磁通下起動），因此變頻器軟起動具有更大的起動力矩。非常適合用于重負(fù)載、大慣性的設(shè)備，例如：高爐風(fēng)機等。這種場合電子式電動機軟起動器性能無法比擬或根本不能勝任的變頻器既可軟起動又可調(diào)速，應(yīng)用前景十分看好。目前因價格因素尚不能廣泛推廣，除非個別的重載起動和大慣量起動場合外，變頻器不單作軟起動器來使用。也許若干年后，待變頻器進一步降價會普遍地應(yīng)用。

6、變頻調(diào)速（含變頻器技術(shù)與家用電器）

在普通家庭中，耗電比重大的是空調(diào)器，其次是電熱器具，后是照明和視聽電器等，變頻調(diào)速（含變頻技術(shù)）也能發(fā)揮節(jié)約電能和保護環(huán)境的作用。

6.1 變頻空調(diào)器——由于配置了變頻器（有常規(guī)的它制式變頻器和自制式變頻器，即直流無刷電動機調(diào)速兩種），不停壓縮機能夠連續(xù)控制壓縮機的制冷量，實現(xiàn)有效的運轉(zhuǎn)，有利于節(jié)能。另外，變頻空調(diào)器的快速性和舒適感非常好，也有利于環(huán)保。

6.2 高頻電磁灶和電飯煲——利用變頻技術(shù)產(chǎn)生（20-30）KHZ高頻電源使電飯煲本身電磁感應(yīng)（IH-Induction heating）加熱方式，其烹調(diào)熱效率達(dá)80%左右（比早先的電阻加熱器的電飯煲效率提高30%），有利于節(jié)能。

6.3 變頻式照明設(shè)備——利用變頻技術(shù)產(chǎn)生（20-70）KHZ高頻電源給日光燈，可節(jié)省15%電功率，同時可做到立即點亮，沒有工頻日光燈的內(nèi)爍，適于工作或?qū)W習(xí)，也有利于環(huán)保。

6.4 其他家用電器例如變頻冰箱，變頻洗衣機、變頻微波爐等也已相繼出現(xiàn)。

[結(jié)語]：

據(jù)統(tǒng)計，2000年中國變頻器市場銷售額大約30億人民幣（60%應(yīng)用于風(fēng)機水泵節(jié)能），僅占需求量的15%左右，因此變頻器市場非?？春?，今后發(fā)展趨勢大致為：主控一體化、裝置小型化、綠色電源（EMC電器兼容）環(huán)保化、設(shè)備裝置專用化和系統(tǒng)化。此外，成本低價化利于進一步推廣應(yīng)用。

技術(shù)部