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一、概述
據(jù)統(tǒng)計，全世界的用電量中約有60%是通過電動機來消耗的。由于考慮起動、過載、安全系統(tǒng)等原因，高效的電動機經(jīng)常在低效狀態(tài)下運行，采用變頻器對交流異步電動機進行調(diào)速控制，可使電動機重新回到高效的運行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。生產(chǎn)機械中電動機的負載種類千差萬別，為便于分析研究，將負載分為平方轉(zhuǎn)矩﹑恒轉(zhuǎn)矩和恒功率等幾類機械特性，本文僅對平方轉(zhuǎn)矩﹑恒轉(zhuǎn)矩負載的節(jié)能進行估算。所謂估算，即在變頻器投運前，對使用了變頻器后的節(jié)能效果進行的計算預(yù)測。變頻器一旦投運后，用電工儀表測量系統(tǒng)的節(jié)能量更為準確。現(xiàn)假定，電動機系統(tǒng)在使用變頻器調(diào)速前后的功率因數(shù)基本相同，且變頻器的效率為95%。
在設(shè)計過程中過多考慮建設(shè)前，后長期工藝要求的差異，使裕量過大。如火電設(shè)計規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的鼓風(fēng)機,引風(fēng)機的風(fēng)量裕度分別為5%和5～10%，風(fēng)壓裕度為10%和10%～15%，設(shè)計過程中很難計算管網(wǎng)的阻力，并考慮長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通常總把系統(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓裕量作為選型的依據(jù)，但風(fēng)機的系列是有限的，往往選不到合適的風(fēng)機型號就往上靠，大20%～30%的比較常見。生產(chǎn)中實際操作時，對于離心風(fēng)機﹑泵類負載常用閥門、擋板進行節(jié)流調(diào)節(jié)，則增加了管路系統(tǒng)的阻尼，造成電能的浪費；對于恒轉(zhuǎn)矩負載常用電磁調(diào)速器﹑液力耦合器進行調(diào)節(jié)，這兩種調(diào)速方式效率較低，而且，轉(zhuǎn)速越低，效率也越低。由于電機的電流的大小隨負載的輕重而改變,也即電機消耗的功率也是隨負載的大小而改變，因此要想精確地計算系統(tǒng)的節(jié)能是困難的，在一定程度上影響了變頻調(diào)速節(jié)能的實施。本文介紹用以下的公式來進行節(jié)能的估算。
二、節(jié)能的估算
1、風(fēng)機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負載的變頻調(diào)速節(jié)能風(fēng)機、泵類通用設(shè)備的用電占電動機用電的50%左右,那就意味著占全國用電量的30%。采用電動機變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)流量，比用擋板﹑閥門之類來調(diào)節(jié)，可節(jié)電20%～50%，如果平均按30%計算，節(jié)省的電量為全國總用電量的9%，這將產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。生產(chǎn)中，對風(fēng)機﹑水泵常用閥門、擋板進行節(jié)流調(diào)節(jié)，增加了管路的阻尼，電機仍舊以額定速度運行，這時能量消耗較大。如果用變頻器對風(fēng)機﹑泵類設(shè)備進行調(diào)速控制，不需要再用閥門、擋板進行節(jié)流調(diào)節(jié)，將閥門、擋板開到最大，管路阻尼最小，能耗也大為減少。節(jié)能量可用GB12497《三相異步電動機經(jīng)濟運行》強制性國家標準實施監(jiān)督指南中的計算公式，即：
也應(yīng)先計算原系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)時消耗的電能，再與系統(tǒng)變頻調(diào)速后消耗的電能相減，這不正好是（2）式分子的表示式。因此，要準確地計算節(jié)能，還需使用（1）式計算系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)時消耗的電能。
2、恒轉(zhuǎn)矩類負載的調(diào)速節(jié)能
恒轉(zhuǎn)矩負載變頻調(diào)速一般都用于滿足工藝需要的調(diào)速，不用變頻調(diào)速就得采用其他方式調(diào)速，如調(diào)壓調(diào)速﹑電磁調(diào)速﹑繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。由于這些調(diào)速是耗能的低效調(diào)速方式，使用高效調(diào)速方式的變頻調(diào)速后，可節(jié)省因調(diào)速消耗的轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能率也是很可觀的。
3、電磁調(diào)速系統(tǒng)
電磁調(diào)速系統(tǒng)由鼠籠異步電機、轉(zhuǎn)差離合器、測速電機和控制裝置組成，通過改變轉(zhuǎn)差離合器的激磁電流來實現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)差離合器的本身的損耗是由主動部分的風(fēng)阻､磨擦損耗及從動部分的機械磨擦損所產(chǎn)生的。如果考慮這些損耗與轉(zhuǎn)差離合器的激磁功率相平衡，且忽略不計的話，轉(zhuǎn)差離合器的輸入､輸出功率可由下式計算：
電磁調(diào)速電機為鼠籠式電機，由于輸入功率和轉(zhuǎn)矩均保持不變，鼠籠式電機的功率保持不變。損耗以有功的形式表達出來，損耗功率通過轉(zhuǎn)差離合器渦流發(fā)熱并由電樞上的風(fēng)葉散發(fā)出去。
由損耗功率公式（10）可以清楚看到，電磁調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速越低，浪費能源越大，然而生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速通常不在最大轉(zhuǎn)速下運行，變頻調(diào)速是一種改變旋轉(zhuǎn)磁場同步速度的方法，是不耗能的高效調(diào)速方式，因此改用變頻調(diào)速的方式會有非常好的節(jié)能效果，節(jié)省的能量直接可用（10）式計算。
4、液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)
液力偶合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負載。液力偶合器有調(diào)速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調(diào)速，后者用于電機的起動，系統(tǒng)中的液力偶合器在電機起動時起緩沖作用。由于液力偶合器的結(jié)構(gòu)與電磁轉(zhuǎn)差離合器類似，仿照電磁調(diào)速器效率的計算方法，可得：
5、繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)
繞線式電機最常用改變轉(zhuǎn)子電路的串接電阻的方法調(diào)速，隨著轉(zhuǎn)子串接電阻的增大，不但可以方便地改變電機的正向轉(zhuǎn)速，在位能負載時，還可使電機反向旋轉(zhuǎn)和改變電機的反向轉(zhuǎn)速，因此這種調(diào)速方式在起重﹑冶金行業(yè)應(yīng)用較多。
對于繞線式電機，無論在起動､制動還是調(diào)速中，采用轉(zhuǎn)子串電阻方式均會帶來電能損耗。這種損耗隨
