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1 引言
經(jīng)變頻界同仁幾十年的竭誠(chéng)努力，使變頻產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了欣欣向榮的局面，變頻器產(chǎn)品門類眾多，變頻創(chuàng)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新的人才輩出，變頻節(jié)能的成功案例常常見于報(bào)章雜志……如今變頻節(jié)能無疑已經(jīng)成為減緩我國(guó)能源緊張形勢(shì)非常重要的技術(shù)手段。
2 變頻器在節(jié)能控制系統(tǒng)中的作用
分析變頻器節(jié)能應(yīng)用案例，變頻器都是融入節(jié)能控制系統(tǒng)，作為節(jié)能控制系統(tǒng)的不可分割的一個(gè)環(huán)節(jié)來使用的。比如在水泵、風(fēng)機(jī)變頻器變流量節(jié)能控制系統(tǒng)中，變頻器、電機(jī)和水泵或風(fēng)機(jī)共同組成一個(gè)一體的組件，作為變流量閉環(huán)控制系統(tǒng)（可能是溫度單回路控制系統(tǒng)，也可能是壓力單回路控制系統(tǒng)）中的執(zhí)行器這個(gè)環(huán)節(jié)，而系統(tǒng)中的被控對(duì)象則是水系統(tǒng)或風(fēng)系統(tǒng)。從自動(dòng)控制控原理可知，控制系統(tǒng)中的傳感器、控制器、執(zhí)行器的特性，必須和被控對(duì)象的特性相匹配并構(gòu)成統(tǒng)一的整體，才能取得良好的控制效果，正如人體的八大系統(tǒng)構(gòu)成了健康、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的整體，當(dāng)他與環(huán)境良好的適應(yīng)時(shí)才是一個(gè)健康的人一樣。仔細(xì)研究變頻器應(yīng)用有關(guān)文章、專著、使用說明等文獻(xiàn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，大部分變頻器只是從變頻器這個(gè)專業(yè)范圍內(nèi)深入研究后的杰作，很少或者沒有考慮變頻器融入控制系統(tǒng)后變頻器這個(gè)環(huán)節(jié)和節(jié)能控制系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)、系統(tǒng)以及和環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)、制約、影響，因此在變頻器推廣應(yīng)用中，有許多水泵、風(fēng)機(jī)變頻器節(jié)能工程案例中，節(jié)能效果并沒有達(dá)到宣稱的和水泵、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比的節(jié)能效果，而并不知原因所在[1]。
究其原因，這是變頻器的、應(yīng)用者包括某些專家，只是從變頻器這個(gè)專業(yè)模塊范圍用“片面思考”的理念開發(fā)出來的變頻器，很少或者沒有考慮變頻器融入節(jié)能控制系統(tǒng)后的需要和怎么適應(yīng)控制系統(tǒng)整體性能的要求，對(duì)被控對(duì)象的特性認(rèn)識(shí)模糊或者根本沒有搞清，就給變頻器的應(yīng)用者發(fā)出錯(cuò)誤的信息造成的[1]。
3 “系統(tǒng)思考”理想變頻器應(yīng)具備的功能
據(jù)美國(guó)電力研究學(xué)會(huì)（epri，electric power research institute）調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，工業(yè)用電的70%是電機(jī)運(yùn)行所耗，而通常的60%的電機(jī)負(fù)荷率在60%以下運(yùn)行[2]。變頻器節(jié)能應(yīng)用控制主要就在工業(yè)上使用zui多的電動(dòng)機(jī)上。根據(jù)電機(jī)原理，電動(dòng)機(jī)在額定工況（這是借用風(fēng)機(jī)、水泵技術(shù)中的術(shù)語）時(shí)，其額定轉(zhuǎn)矩tn有下述關(guān)系式:
式中:t—電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，n-m;
s—電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，s=1－n/n1;
n—電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min;
nl—電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，n1=60f1/p，r/min;
f1—電機(jī)供電電源頻率，hz;
p—電機(jī)的極對(duì)數(shù)。
下標(biāo)為n者是額定工況電機(jī)的參數(shù);
下標(biāo)為m者是zui大轉(zhuǎn)矩工況電機(jī)的參數(shù);
λ—電機(jī)的過載能力，λ=tm/tn，對(duì)于普通電機(jī)，λ=1.6~2.2，相應(yīng)的sn/sm=0.8~1.1;對(duì)于起重電機(jī)λ=2.2~2.8，相應(yīng)的sn/sm=1.1~1.4[3]。對(duì)于確定的電機(jī)，λ是不變的。
顯然，對(duì)于一個(gè)確定的電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)是確定的，因而公式（2）的表達(dá)式是恒定的。在額定工況，電機(jī)的功率因數(shù)cosφ≈0.85~0.92（小功率的電機(jī)cosφ還要小些），電機(jī)有zui高的效率ηn=0.85~0.97（小功率的電機(jī)額定效率ηn還要小些）。但是實(shí)際上60%的電機(jī)，是在負(fù)荷率60%以下運(yùn)行，即大部分時(shí)間電機(jī)在部分負(fù)荷工況運(yùn)行。在部分負(fù)荷運(yùn)行的電機(jī)，功率因數(shù)cosφ≈0.4~0.6甚至更小，從而使電機(jī)的效率ηmt=0.4~0.5甚至更小，電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差率st變小，它與zui大轉(zhuǎn)差率的比值st/sm＜sn/sm。“系統(tǒng)是物質(zhì)世界存在的基本形式和根本屬性”，按照“系統(tǒng)思考”的理念，電機(jī)也是一個(gè)大系統(tǒng)，是牽一發(fā)而動(dòng)全身的，電機(jī)的特性參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，從某一個(gè)參數(shù)的變化中，應(yīng)該能夠提取整個(gè)電機(jī)的運(yùn)行特性，正像高水平的老中醫(yī)可以從脈象提取人們健康狀況信息一樣，而不必將電機(jī)的幾百個(gè)參數(shù)都進(jìn)行分析，陷于不得要領(lǐng)的迷惑泥潭。
圖1 電機(jī)變頻調(diào)節(jié)u-i旋轉(zhuǎn)矢量相似工況圖
變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)首先應(yīng)當(dāng)考慮電機(jī)的這個(gè)基本被控對(duì)象的特性，在電機(jī)部分負(fù)荷時(shí)調(diào)整電機(jī)的供電電壓和供電頻率，使得電機(jī)在滿足部分負(fù)荷有功功率要求的前提下，使得電機(jī)的電壓-電流（u-i）旋轉(zhuǎn)矢量三角形，和額定工況電機(jī)的電壓-電流（u-i）旋轉(zhuǎn)矢量三角形近似相似，如圖1所示，從而使電機(jī)在狀態(tài)運(yùn)行，同時(shí)用emc濾波器盡量避免因變頻而帶來的對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，和保持部分負(fù)荷時(shí)變頻器的高工作效率，這些才應(yīng)當(dāng)是變頻器研發(fā)的大方向。圖1中的（a）圖，表示額定工況時(shí)電機(jī)的u-i旋轉(zhuǎn)矢量圖，電壓矢量un和電流矢量in之間的夾角為φn;圖1中的（b）圖，表示變工況時(shí)電機(jī)的u-i旋轉(zhuǎn)矢量圖，電壓矢量u和電流矢量i之間的夾角為φ，它的有效電流為it;當(dāng)變頻器檢查到實(shí)際電壓矢量u和電流矢量i之間的夾角為φ，并與額定夾角φn進(jìn)行比較得出夾角偏差δφ=（φ－φn），以此偏差調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓為uf，使uf和if之間的夾角φf≈φn，使uf-if旋轉(zhuǎn)矢量三角形δa“oc”（圖1中的（c）圖）和額定工況的un-in旋轉(zhuǎn)矢量三角形δa‘oc’（圖1中的（a）圖）相似，我們就說電機(jī)在圖1中的（c）圖工況和圖1中的（a）圖工況相似，這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性tf/tfm=tn/tm，轉(zhuǎn)差率特性sf/sfm=sn/sm。顯然，在相似工況，電機(jī)在輸出軸功率不變的情況下，電機(jī)的功率因數(shù)和額定工況的功率因數(shù)相同，電機(jī)效率也比較高。系統(tǒng)思考，電機(jī)的供電頻率f，應(yīng)當(dāng)按照水泵節(jié)能運(yùn)行的要求確定;電機(jī)的效率應(yīng)當(dāng)按照一定頻率時(shí)在保證電機(jī)輸出軸功率要求的前提下，調(diào)整供電電壓使電機(jī)處在和額定工況相似的率工況運(yùn)行。美國(guó)電力效能公司（pec，power efficiency corporation）推出的pe型電機(jī)節(jié)能控制器（又稱功率因數(shù)控制器）就是按照電機(jī)相似運(yùn)行的原理開發(fā)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(jù)文獻(xiàn)[2]介紹，電機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)使用pe控制器，可以取得10%~30%的節(jié)能效果。
在文獻(xiàn)[1]中本人曾經(jīng)證明，水泵、風(fēng)機(jī)只有在全相似工況（幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似），才有和轉(zhuǎn)速的三次方成正比zui節(jié)能的節(jié)能效果。因此從“系統(tǒng)思考”的理念考察變頻變風(fēng)量（vav）或變水量（vwv）節(jié)能控制系統(tǒng)主要的任務(wù)可由下式表示:
式中:wp—水泵或風(fēng)機(jī)的輸入電功率，w;
δpp—水泵或風(fēng)機(jī)的壓頭，pa;
lt—水系統(tǒng)或風(fēng)系統(tǒng)總流量，等于水泵或風(fēng)
機(jī)的流量，m3/s;
δpp×lt—水泵或風(fēng)機(jī)的有效功率，w;
ηp—水泵效率，無因次;
ηm—電機(jī)效率，無因次;
ηin—變頻器效率，無因次。
從（3）式可以很清楚看出，“系統(tǒng)思考”變頻變風(fēng)量（vav）或變水量（vwv）節(jié)能控制系統(tǒng)，理想變頻器的主要任務(wù)首先是使水泵或風(fēng)機(jī)變轉(zhuǎn)速和水系統(tǒng)或風(fēng)系統(tǒng)部分負(fù)荷特性相匹配，水泵或風(fēng)機(jī)始終都在zui節(jié)能的全相似工況運(yùn)行，保持水泵或風(fēng)機(jī)的zui率ηp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(jī)部分負(fù)荷軸功率要求的前提下，使電機(jī)也在和額定工況相似的率工況運(yùn)行，即要保持部分負(fù)荷時(shí)，電機(jī)的效率ηm基本不變或變化的很小，這是變頻器內(nèi)控回路要完成的工作;保證變頻器在部分負(fù)荷時(shí)自身的效率ηin也基本不變，這是電力電子元件、變頻器技術(shù)本身需要完成的任務(wù)。這就是理想的風(fēng)機(jī)、水泵變頻器應(yīng)該具有的三個(gè)功能。表面上看起來，變頻器同時(shí)完成三件任務(wù)，是相互矛盾的，但從系統(tǒng)的觀點(diǎn)進(jìn)行分析，風(fēng)機(jī)、水泵全相似工作要求的主要是對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能運(yùn)行特定工作轉(zhuǎn)速的要求，它對(duì)變頻器的要求的是給電機(jī)以特定要求的頻率f;而對(duì)電機(jī)相似工作的要求是電機(jī)的工作電壓，它對(duì)變頻器的要求是在特定頻率f下的給電機(jī)以特定的工作電壓uf，因此從變頻器變風(fēng)量（vav）或變水量（vwv）節(jié)能控制系統(tǒng)的整體來看，變頻器應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)在滿足水泵、風(fēng)機(jī)相似工作轉(zhuǎn)速要求的同時(shí)，給電機(jī)供給一定的電壓uf，也能滿足電機(jī)相似工作的要求，這兩個(gè)要求并不矛盾。由于微機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)、變頻技術(shù)長(zhǎng)足的進(jìn)步，至于滿足第三個(gè)要求，應(yīng)當(dāng)已經(jīng)沒有什么問題。
上面是用“系統(tǒng)思考”的理念描繪出來的一匹理想的風(fēng)機(jī)水泵變頻器“千里駒”，如果能開發(fā)出這樣的“千里駒”，在一定頻率范圍內(nèi)能夠同時(shí)滿足水泵、風(fēng)機(jī)變速節(jié)能和電機(jī)相似節(jié)能運(yùn)行的要求，想必比美國(guó)pec公司的pe型電機(jī)節(jié)能控制器節(jié)能效果更好、應(yīng)用范圍更寬。但現(xiàn)在市場(chǎng)上的變頻器基本上都是在變頻領(lǐng)域這個(gè)專業(yè)模塊范圍內(nèi)用“片面思考”的理念開發(fā)出來的產(chǎn)品，用“按圖索驥”的方法尋求“系統(tǒng)思考”理念中的理想的變頻器“千里駒”，結(jié)果恐怕令人失望。至于市場(chǎng)上號(hào)稱對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵的變頻器，是針對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵在zui節(jié)能的全相似變壓變流量工況運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比的特性開發(fā)的。仔細(xì)分析風(fēng)機(jī)、水泵的變轉(zhuǎn)速特性在不同的系統(tǒng)是不同的。風(fēng)機(jī)、水泵在一般的定壓變風(fēng)量（vav）或定壓變水量（vwv）節(jié)能控制系統(tǒng)中，有近似的恒定轉(zhuǎn)矩特性;在先進(jìn)的比較節(jié)能的“zui小靜壓”變壓變流量節(jié)能控制系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)、水泵有介于恒轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比之間的特性，即按大系統(tǒng)理論，容入系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、水泵的性能要發(fā)生本質(zhì)上的變化，只對(duì)一種工況運(yùn)行的風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)矩特性開發(fā)的變頻器何以談是風(fēng)機(jī)水泵？
上述是作者從大系統(tǒng)理論，按“系統(tǒng)思考”的理念，從使用者的角度，對(duì)理想的風(fēng)機(jī)水泵變頻器研發(fā)的一些想法，觀點(diǎn)的不同是自然的，僅供參考。
4 結(jié)束語
從“系統(tǒng)思考”的理念來看，理想的風(fēng)機(jī)、水泵變頻器應(yīng)當(dāng)同時(shí)完成風(fēng)機(jī)水泵全相似節(jié)能控制、電機(jī)相似節(jié)能控制和自身運(yùn)行的要求，只有這樣的變頻器才能取得zui大的節(jié)能效果。
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