摘要：从变频调速的基本原理开始，讨论了电动机调与节能的关系，根据实验数据，结合生产实践中大量使用的风机、水泵进行分析，指出变频调速有利于节能及其它优势，并结合相关实例说明了使用变频技术带来的经济效益。
关键词：变频调速；节能；流量；频率；功率
Abstract: Based on the basic principle of variable frequency and speed regulation, this paper discusses the relationship between the motor and energy conservation. And an analysis is made combining with large amount of fans and pumps in production and the experimental data, pointing out that variable frequency and speed regulation can help save energy and other advantages, An explanation of the economic benefits brought by the frequency conversion technology is given by combining with relevant examples.
Key words: variable frequency and speed regulation; energy saving; flow; frequency; power
中图分类号：TU731.5 文献标识码：A
1. 引言
我国的能源供应还很紧张，最大限度的利用能源是一种客观要求。而八十年代初发展起来的变频调速技术，正是顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代。一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。近年来变频技术被广泛的应用在生产、生活的各个方面，就是由于使用了变频技术可以大幅度提高能源的利用率。
通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。而最常用的控制手段则是调节风门、挡板开度的大小来调整受控对象。这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
泵类设备在生产领域同样有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏；还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。
风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。
近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。
变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
2. 变频调速
2.1 变频调速的基本原理
在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。在其工作时首先将三相交流电经桥式整流装置整为直流电，脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下，用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源，输出到需要调速的电动机上。根据交流电动机工作原理中的转速关系：
n=60f(1-s)/p
式中：f—水泵电机的电源频率（Hz）;p—电机的极对数；
由上式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。
2.2 电动机调速与节能的关系
风机和水泵都是流体机械，流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=(n1/n2)²
P1/P2=(n1/n2)³
上述式中Q1、H1、P1分别代表转速n1时的流量、压力、功率。Q2、H2、P2分别代表转速n2时的流量、压力、功率。既流量与转速的一次方成正比；压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。
由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。例如：当转速降到80%时，流量减少到80%，而轴功率却下降到额定功率的（80%）³≈51%；若流量需减少到40%，则转速相应减少到40%，此时轴功率下降到额定功率的（40%）³≈6.4%。
风机（水泵）调节流量，可行的方式有两种：
第一种方式是保持电机的转速不变，通过调节风阀来调节流量。此时风机的H-Q特性曲线不变。而风阀开度发生变化，即管路的阻力特性发生了变化，即管路阻力增加。
第二种方式是管路的阻力特性保持不变（即风门不变），通过调节电机的转速来调节流量。这种方式所消耗的功率相对于第一种要小得多。调速是控制风机、水泵节能的相当有效的措施。
风机、水泵一方面由于在生产中具有面广、量大、耗电多的特点，另一方面由于节能潜力大的特点，故此类电机的节能具有广阔的前景，且意义重大。
2.3 电机在不同频率下运行的节电效果：P=N3（仅供参考）
1. 频率下降10%情况下的节电率：1-（1-10%）³=27.1%；
2. 频率下降15%情况下的节电率：1-（1-15%）³=38.6%；
3. 频率下降20%情况下的节电率：1-（1-20%）³=48.8%；
4. 频率下降10%情况下的节电率：1-（1-25%）³=57.8%；
5. 频率下降10%情况下的节电率：1-（1-30%）³=65.7%；
如果电机运行频率长期稳定在30%以下，且远期负载无扩张趋势，建议更换电机拖动系统，经济上更合算。
3. 变频挑速技术节省能源：
3.1 传统的控制流量的办法是用阀门控制，而用阀门控制流量从100%流量减少到70%流量时能量只减少2%。而用变频调速控制以后，同样的降到70%流量，能量下降了52%，从而使系统的效率大为提高。国外资料表明：当工作点位于最大流量的80%时，使用风阀将消耗电机能量的93%，导流叶片消耗为70%，涡流联轴器消耗67%，而变频器消耗51%，差不多是风阀的一半；当气流量降至50%时，变频器只消耗15%，而联轴器消耗为29%，导流叶片消耗为49%，风阀为73%。这显示出在输送相同气流量情况下，风阀消耗的能量几乎是变频器的4倍。