变频技术与现代物质文明

今天，人类享受着高度发达的现代物质文明。在“现代”这个词中，“电”扮演着何等重要的作用是不言而喻的。我们不能设想，也不敢设想，在现代社会中如果没有电将会怎样。当然，我们没有必要作这样的设想和担心，因为电力工业的巨大生产能力和传输能力是可靠的、安全的。可是，我们又清醒的认识到，在地球上，能源和资源并不是取之不尽、用之不竭的。地球上的生态环境也不允许人类为所欲为地挥霍这些能源和资源。似乎有这样的共识，能源、资源、环境是21世纪困扰人类的三大难题。面对难题，现代人是不会无所作为的。变频技术正在成为人类解决这三大难题的有力工具之一。
　　一 变频技术
　　50年代发明了晶闸管，人们开始了用弱电控制强电的研究。经过几十年的努力，诞生了一个新兴学科——电力电子技术。它是一门研究如何利用电力电子器件对电能进行控制、变换和传输的学科。这个学科的核心或着说最重要的成就是变频技术。它是微电子技术、现代控制技术、计算机技术等多门学科相互结合、相互渗透的结晶。它能使物美价廉的交流感应电动机的调速性能象直流电机一样完美。
　　电厂发电，电网送电，电到了用户身边，这就是频率为50赫兹的市电。用户要想把市电改造成频率能够大范围连续可调的电源，就要用变频器来实现。变频器的输出频率可在几赫兹甚至零点几赫兹到几百赫兹的范围内任意选择或自动调整。
　　交流异步感应电动机诞生于19世纪80年代，在这种电动机中转子侧的电流不从外部引入，而由电磁感应产生，故而结构简单牢固、体积小、重量轻、价格低廉便于维护。在当今的电气传动总容量中，这种电机占有80%左右的分比。但它有一个致命的缺点，就是不易调速。在不调速的情况下，这种电机已经运转了120年。所有必须调速的场合全是直流电机的一统天下。直到20世纪80年代，在发达国家变频技术达到了实用阶段。在我们国家，变频技术的应用仅是近十多年的事情。交流电动机还是原来的交流感应电动机，自从有了变频器，它就获得了快快慢慢的自由。作为交流感应电动机的电源，由于电机的转速近似正比于电源频率，频率连续可调，则转速连续可调。变频器的全名应为交流感应电动机变频调速器。
　　二、变频与节能
　　大力推广变频器应用意义重大。其社会效益和经济效益可观。在提升机、起重机、机床、食品机械、挤压机、自动仓库等场合使用，能明显提高生产率。在风扇、鼓风机、各种泵、机床、食品机械、造纸机械、薄膜生产线、钢板加工生产线、印刷电路板基板钻孔机、高速刻纹机等场合使用，能明显提高产品质量。在搬运机械、金属加工机械、纤维机械、造纸生产线、薄膜生产线、钢板加工生产线等场合使用，还可以减少维护、降低成本、简化操作或实现操作自动化。
　　用上变频器，在多数场合节约电能十分明显。以下特把节能原理简述几句。
　　在矿山、油田、化工、电厂等单位都有风扇、鼓风机一类的设备。其功率可达数百千瓦甚至上千千瓦。调节风量和压力可以有两种方法：一种是传统方法，即使用风门。当要求减少风量时，就关小风门。显然将有相当一部分能量消耗到了管阻上。另一种方法是改变设备的转速，不用风门，或者风门始终开到最大位置，因而系统的管阻很小，当然管道系统消耗的能量就小。由空气动力学知识可知，风量与转速成正比、转矩与转速的平方成正比、轴功率与转速的立方成正比。例如：设风量最大值为1，所对应的转速、轴功率当然也是最大值，也都设为1。当要求风量减到0.5时，所对应的转速也就是0.5了。这时轴头功率则为：（0.5）3=0.125=1/8。这就是说若风量减少一半，所要求的功率只有1/8就够了。若对于一个数百千瓦的风机而言，其节能效果将十分明显。例如1999年山东费县水泥厂的主窑风机用上山东汶上产的风光牌JD-BP4245型变频器后，节电效果≥30%，十几万元的变频器，5个月就收回了投资。再例，山东桑盾集团中密度纤维板厂将汶上产的JD—BP430型变频器用到深井水泵上，山东能源利用检测中心于1997年10月31日对其进行了测试，试验报告中说，仅生活用水时节电率为58%，生产、生活正常用水时节电为40%。再例，山东滨州造纸厂30千瓦的风机用上变频器后，节电率为31%。成功使用变频器的例子成千上万，请不要把节省了电费看成唯一的收益。其实还有更大的社会效益，例如锅炉风机用上了变频器，除了节约电费外，由于燃烧充分，就节约了燃料，烟囱冒黑烟变成了冒白烟，这不就与前面的三大难题都联系起来了吗？将来变频技术在交通工具方面得到广泛应用，对治理环境会有更大贡献。难能可贵，一种技术对解决三大难题都有好处。
　　三、提高与推广
　　国产机与跨国大公司的洋产品相比还有差距。但是多数适应场合如风机、水泵、油泵、空压机、纺织行业的梳毛机、钢厂喂丝机、塑料行业的挤塑机、建材行业的拔丝机、各种送料的传送带、矿山提升机等，国产机完全可以胜任，成功的例子不胜枚举。在高压变频器、矢量控制、直接力矩控制型的变频器方面，国产机正在努力，估计3～5年内可形成规模生产能力。
　　在推广应用方面，笔者曾在《变频器世界》上提出过一个思路：采用租赁方式。用户可以一分钱不化，用每个月节约的电费付租赁费，半年后制造商全部收回货款后，就把变频器送给用户了。我看这种方式很有诱惑力。
　　变频器市场前景十分美好，大面积推广必定会有丰厚的经济效益和社会效益。