近十幾年來，隨著電力電子技術、微電子技術、信息技術和現代控制理論的發展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻調速以其效率高、調速范圍大、調速精度高、特性硬、無級調速等優點，在各種交直流調速系統中，尤其是節能技術改造中的應用面正在不斷擴大，應用也從簡單的節能向改進工藝提高產品質量與產量的綜合型方向發展。在設計實施過程中，經常遇到的問題是使用變頻調速是否節約能源，能否滿足生產工藝要求等。本文通過分析變頻調速技術節能與負載特性的關系，具體以供水系統為例，闡述節能與工藝的關系，同時給出了一些定量計算值。
1 、變頻調速技術的節能原理與負載關系
據統計，全國每年的發電量有一半消耗在電機上，其中絕大部分的電機為結構簡單、方便實用、維修量很少的鼠籠式電機，例如各種泵用電機、制冷式壓縮機用電機、多功能天車、加料小車傳動電機、各種輸送設備用電機等。由于技術上的原因，在20 世紀80 年代前對較大功率的鼠籠式電機（幾個kW 以上）進行調速控制一直是人們夢想的事情。近20 年來，隨著電力電子技術的發展與自動控制理論的進步，采用變頻調速技術的通用型變頻調速裝置（VVVF）的價格大幅下降，在很多工廠用變頻調速裝置對鼠籠式電機進行調速控制已成為現實。
并不是在所有情況下用變頻調速裝置對鼠籠式電機進行調速控制都可以取得很好的節能效果，這要取決于電機負載的性質。一般將電動設備負載性質分成三類，如表1所列。
表1 負載性質分類
2各類負載的節能分析
為了分析簡便，假定電動機的輸入功率等于這類裝置的軸功率，即不考慮裝置效率的影響。由于恒轉矩負載的軸功率正比于電動機轉速 ，
如轉速下降10% 、則功率亦下降10% 。
在理論上改變離心泵轉速時、泵特性有如下關系式
Q1/Q2 =n1/n2 (1)
H1/H2=(n1/n2)2 (2)
P1/P2=(n1/n2)3 (3)
式中：Q 為流量，H 為揚程，P 為泵軸功率，n 為泵轉速，下標1、2 表示泵的兩種不同轉速。
從式(3) 可以看出，當流量從100% 下降到80% 時，功率將從100% 下降到51.2%，可以節省48.8% 的功率,節能效果非常顯著。
3變頻調速在鑄造車間恒壓供水系統上的應用
3.1 1變頻器在恒壓供水系統中的選用
該系統分別有3 臺30 kW 熱泵、3 臺55 kW 冷泵，二用一備，采用ABB 公司的ACS601-0011-3 帶內置PID 功能的變頻器，可編程控制器選用西門子S7-214-1BC10-0XB0 型，具體原理框圖如圖1 所示。圖1 中M1~M3 為電機，P1~P3 為水泵，JC1~JC6 為電機起、停、互相切換的交流接觸器，由可編程控制器定時切換。由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID 調節器給出的，所以對可編程控制器來講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/ 輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/ 數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口另接一塊PWM 調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為控制變頻器輸出頻率的模擬信號，這樣可編程控制器的成本非但沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/ 輸出的可編程控制器和一個PID 調節器，其成本也和帶模擬量輸入/ 輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID 控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。
圖1 新型變頻恒壓供水系統
由于PID 運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID 算法的編程，而且參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID 調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失真，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。
3.2 運行方式
該系統有手動和自動兩種運行方式。
3.2.1 手動運行
按下啟動或停止按鈕控制水泵啟停，可根據需要分別控制熱、冷泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。
3.2.2 自動運行
系統運行由變頻柜與循環轉換柜,水泵、水流、壓力傳感裝置等構成的閉環系統進行自動控制，即由PID 調節器接收來自壓力傳感器的反饋信號，與給定的壓力參數進行比較運算，將調節參數送給變頻器進行轉速調節。
當合上自動開關后，首先由變頻柜軟啟動1# 水泵，變頻器頻率從零升到50 Hz，水泵達到額定轉速， 此時供水壓力若達不到設定的壓力，系統自動將1# 水泵切換到工頻恒速運行，變頻器再軟啟動2# 水泵，進行調速供水，如還達不到設定壓力，系統又自動將2# 水泵切換到工頻恒速運行，變頻器又再軟啟動3# 水泵，直至達到設定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調速運行。如運行中變頻泵運行頻率降至設定的最低頻率，供水水壓仍大于設定壓力時，系統將自動停止最先啟動的水泵，如仍大，再停第二次啟動的水泵。在夜間運行時，當最后一臺變頻泵運行頻率降到設定的最低頻率時供水壓力還大于設定的壓力，變頻裝置將進入休眠狀態，系統自動停止水泵工作。此時由壓力傳感裝置監視管網壓力，若低于設定壓力的0.05MPa，變頻裝置自動喚醒，啟動水泵補水。該系統就根據壓力傳感器反饋信號不斷進行調整，達到恒壓供水的目的。
3.3經濟效益分析
目前該廠鑄造車間應用3 臺55 kW 三相異步電機驅動的冷泵供應冷卻水，3 臺30 kW 熱泵抽取冷卻鋁錠的回流熱水，達到循環供水。平常豎井及橫鑄機組未啟動時用水量較小,一般只開一臺冷泵一臺熱泵，水壓限于0.4 MPa 左右。由于泵的功率較大,在該條件下工作時間較長，采用變頻調速節能效果非常顯著。
改造前每年用電量約為（55+30）×24×365 =744 600 kW·h
泵類變頻調速節能可達到20%~30%，月均值在25%；電費價格按0.2977 元/kW·h 計算，則每年可節約電費744 600×25%×0.2977 =55 416.86 元
采用變頻調速, 根據管路水流量或壓力大小的變化自動調節電機轉速，保證了水壓處于設定值，達到了改善供水工藝條件的目的。除了節約電能外，還防止了由于人為操作閥門跟不上水壓的變化（特別是在交接班時），引起鑄造廠房“水淹”事故的發生。
4 結語
1）恒壓供水采用變頻器改變電動機轉速達到水泵出口壓力穩定，比靠人工操作調節閥門開啟度控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力,大大減少截流損失的效能。
2)當供水系統要求泵出口流量小于額定流量時，則泵轉速自動降低，不僅節能可觀,而且還減少了軸承的磨損和發熱，從而延長了泵和電動機的機械使用壽命,綜合經濟效益明顯。
3)因實現了恒壓自動控制，不需要操作人員對閥門頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。
4)水泵電動機采用變頻軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免了電動機啟動時的電流沖擊對電網電壓造成的波動，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統的喘振。
5)節電效果明顯，收回投資快，且長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大的。