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)行器這個環(huán)節(jié)，而系統(tǒng)中的被控對象則是水系統(tǒng)或風(fēng)系統(tǒng)。從自動控制控原理可知，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)時才是一個健康的人一樣。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)，就會發(fā)現(xiàn)，大部分變頻器只是從變頻器這個專業(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，這是變頻器的開發(fā)者、應(yīng)用者包括某些專家，只是從變頻器這個專業(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，對被控對象的特性認(rèn)識模糊或者根本沒有搞清，就給變頻器的應(yīng)用者發(fā)出錯誤的信息造成的[1]。

3 “系統(tǒng)思考”理想變頻器應(yīng)具備的功能

     據(jù)美國電力研究學(xué)會(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)上使用比較多的電動機(jī)上。根據(jù)電機(jī)原理，電動機(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，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者是比較大轉(zhuǎn)矩工況電機(jī)的參數(shù);
      λ—電機(jī)的過載能力，λ=Tm/TN，對于普通電機(jī)，λ=1.6~2.2，相應(yīng)的sN/sm=0.8~1.1;對于起重電機(jī)λ=2.2~2.8，相應(yīng)的sN/sm=1.1~1.4[3]。對于確定的電機(jī)，λ是不變的。

     顯然，對于一個確定的電機(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)有比較高的效率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)瞬時轉(zhuǎn)差率st變小，它與比較大轉(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)也是一個大系統(tǒng)，是牽一發(fā)而動全身的，電機(jī)的特性參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，從某一個參數(shù)的變化中，應(yīng)該能夠提取整個電機(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)動電機(jī)首先應(yīng)當(dāng)考慮電機(jī)的這個基本被控對象的特性，在電機(jī)部分負(fù)荷時調(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)在高效狀態(tài)運(yùn)行，同時用EMC濾波器盡量避免因變頻而帶來的對電網(wǎng)的諧波污染，和保持部分負(fù)荷時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高效率工況運(yùn)行。美國電力效能公司(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)動相似、動力相似)，才有和轉(zhuǎn)速的三次方成正比比較節(jié)能節(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)始終都在比較節(jié)能的全相似工況運(yùn)行，保持水泵或風(fēng)機(jī)的比較高效率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高效率工況運(yùn)行，即要保持部分負(fù)荷時，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)、水泵專用變頻器應(yīng)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(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風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能運(yùn)行特定工作轉(zhuǎn)速的要求，它對變頻器的要求的是給電機(jī)以特定要求的頻率f;而對電機(jī)相似工作的要求是電機(jī)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(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，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)長足的進(jìn)步，至于滿足第三個要求，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)水泵專用變頻器“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)在市場上的變頻器基本上都是在變頻領(lǐng)域這個專業(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。至于市場上號稱對風(fēng)機(jī)、水泵專用的變頻器，是針對風(fēng)機(jī)、水泵在比較節(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“比較小靜壓”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)水泵專用？

      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，對理想的風(fēng)機(jī)水泵專用變頻器研發(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)、水泵專用變頻器應(yīng)當(dāng)同時完成風(fēng)機(jī)水泵全相似節(jié)能控制、電機(jī)相似節(jié)能控制和自身高效運(yùn)行的要求，只有這樣的變頻器才能取得比較大的節(jié)能效果。