新型綠色節能型變頻器開發成功

New Variable Frequency Drive

西安西普電力電子有限公司 戴政耀 總工

變頻器在市場上推廣已經超過50年，所有變頻器都是PWM型高低高技術（或電壓型變頻器），也就是將交流轉換為直流電壓，再由直流電壓逆變成交流電壓的基本電路拓撲，這種技術大量使用后發現環境污染問題嚴重，特別是電網諧波污染與射頻干擾（無線電干擾）問題嚴重危及變電所供電穩定性，諧波在電網內到處亂竄導致其他電氣設備、無功補償設備可靠性下降，故障率提高；且因為突波電流導致輸入變壓器功率因數惡化，鐵損增加，溫升提高，線圈絕緣惡化，抑制諧波污染是變頻器最大的挑戰，但是無法有效解決，因為三相全波整流電容平滑電路決定了先天不良。

    IGBT逆變技術導致無線電干擾（EMI）問題嚴重，車間內自動控制系統隨時故障誤動作導致廢料及停產損失嚴重，射頻干擾影響整個車間供電系統。變頻器輸出不是正弦波電壓導致電機鐵損增加發熱嚴重，尖峰電壓導致電機絕緣劣化層間短路風險提高，電磁噪音導致環境污染問題嚴重，PWM變頻器是當今污染最嚴重的電氣設備之一。

    PWM變頻器的損耗嚴重，自身半導體損耗約占2-5%，同時電機鐵損增加5%左右，輸入變壓器損耗提高3%左右，而變頻器本身需要諧波及射頻抑制，常見的是交流電抗器與直流平波電抗器、高頻射頻抑制器、輸出電抗器等設備，這些配件的·損耗各在1-3%左右，因此變頻器的效率較低，平均低壓變頻器有15%運行損耗，高壓多電平變頻器增加移相變壓器（損耗10%以上）有25%的基本損耗。因此PWM變頻器無法使用在節能省電用途驅動控制系統。

   西安西普電力電子有限公司總工程師戴政耀曾獲得中國變頻器啟蒙之母稱號，變頻器生產研究超過40年有余，交流電機節能驅動控制技術獲得國家發明專利20+多項，2024年正式推出“綠色節能型變頻器”產品，解決了PWM變頻器低效率高污染的缺失，替代PWM變頻器可以節約25%的流動電費以及35%的基本電費，對國家節能降耗，提高能源利用率具有明顯有效的貢獻，值得推廣應用。

綠色節能型變頻器采用交交變頻器技術，沒有三相全波整流拓撲，因此沒有電網諧波問題；采用晶閘管過零關斷技術，沒有IGBT逆變電路，因此不存在射頻干擾、電磁噪音與突波電壓等環境污染問題，由于可以工頻旁路運行或輕載節能控制，驅動控制系統運行效率最高，特別是利用頻繁起停控制流體機械作為流量控制基本達到沒有運行損耗，突破傳統節能技術局限，節能比率平均提高30%以上。

以下我們提出兩種變頻器的主要差異分析供大家作初步了解，相關技術資料請查詢www.westpow.com網站相關資料介紹。

變頻器

變頻器種類較多節能效果完全不一樣，市面上大部分是低效率高污染的PWM電壓型變頻器，PWM型變頻器無法達到節能減排效果，相反的帶來更嚴重的浪費能源及環境污染問題，值得節能改造用戶關注。

PWM電壓型變頻器低效率高污染

一般PWM變頻器主回路                           西普綠色節能型變頻器主回路原理圖

西普綠色節能型變頻器   

    綠色節能型變頻器顧名思義就是專門應用在交流電機綠色節能驅動控制與一般PWM變頻器具有不同的性能；比較上圖兩個主回路差異。

1. 沒有整流濾波環節，不存在電網諧波污染與尖峰電流問題。

2. 輸入端無尖峰電流及諧波可大幅度改善功率因數，而不是PWM變頻器劣化功因。

3. 不使用IGBT硬開關技術，不存在電機端產生尖峰電壓問題。

4. 沒有PWM載波頻率，不產生射頻無線電干擾以及電機電磁噪音。

5. 輸出電壓電流為正弦波，電機不會異常發熱也不會降低電機運行效率。

6. 最高效率控制技術，輕載節能可提高10%運行效率以及功率因數改善。

7. 損耗為晶閘管壓降與運行電流乘積（低于0.5%），不是PWM變頻器的15-25%。

8. 不必購買污染防治設備，因為綠色節能環保沒有電網環境污染問題。

9. 是PWM變頻器最佳節能改造產品，節電率最少可達15-25%以上。

10. 是PWM變頻器最合適技術改造產品，完全沒有電網環境污染問題。

PWM變頻器雖然本身只有3-5%的半導體損耗，必須再加上電機額外損耗以及污染防治設備損耗才是真正的基本運行損耗；從諧波抑制、射頻干擾防治、變頻器導通及IGBT開關損耗、輸出端集膚效應及噪音抑制、電機鐵損、尖峰電壓防治等整個系統低壓約有15%基本運行損耗，高壓多電平變頻器因為增加移相變壓器（損耗最低10%），因此基本運行損耗25%；這就是為什么多電平變頻器有十幾個柜子組合而且需要空調冷卻，外形龐大就可以知道多電平變頻器損耗大不節能、器件多成本高、可靠性低故障率高的原因。

西普綠色節能型變頻器專有技術（PWM變頻器不具備）：

PWM變頻器損耗分析：

1. 進線變壓器端產生尖峰電流容易熱點擊穿現象、鐵損增加3~8%、功率因數惡化（使用福祿克儀表計入諧波的電流、功率因數數據才會準確）

2. 變頻器本身損耗：5-3%（與容量、Fc、負載率、控制技術有關）

3. 三相輸入電抗器 2-5%損耗，減少電網諧波污染

4. 直流電抗器 2-3% 減少電網尖峰電流

5. 輸入端高頻濾波器：1-2% EMI防止無線電干擾

6. 輸出端高頻濾波器：1-2% EMI防止無線電干擾

7. 輸出電抗器 2-3%  降低尖峰電壓以及電磁噪音

8. 電機異常發熱損耗（與Fc成比例）5-10% 鐵損與電壓*頻率平方成比例

9. 軸承電腐蝕現象（軸承放電）

10. 尖峰電壓-請使用福祿克脈沖電壓測量才有效，在380V系統電機接線端子可達1000V以上，注意電機線圈絕緣耐壓最高只有800V

11. 輸出端電纜線集膚效應導致電纜線發熱現象，長度與載波頻率提高都會加大尖峰電壓

PWM變頻器點評（沒有合格有效的污染防治情況下）

1. 壽命最短的器件是IGBT與濾波平滑電容，處在高溫下工作急速老化崩潰。

2. 電機線圈絕緣劣化導致燒毀現象較多是因為尖峰電壓太高（與Fc、電機電纜線長度、電動機周圍濕度、負載率有正比關系）。

3. 變頻器電網諧波嚴重污染導致輸入變壓器尖峰電流線圈層間短路風險，損耗增大溫升提高，功率因數下降，變壓器效率下降。諧波在供電系統內亂串影響電氣設備正常壽命而找不到原因。

4. 變頻器減少環境污染問題最佳方法是提高污染防治設備容量，但是損耗會再加大。

5. 變頻器的功率因數很差而不是很好，因為對非正弦波的功因必須乘上諧波系數，沒有合格有效的交直流電抗器就沒有良好的功率因數，一般功率因數儀表都是依據正弦波設計，不適用于變頻器，電力公司也不買賬。

6. 一般鉗表、指針電流表測量的電氣參數都是虛假數據，一般鉗表依據正弦波設計而變頻器的波形是由脈沖組成的波形故無法量測，只有新儀表才能解決。

7. 驅動電機不但異常高溫（鐵損增加）加速電機老化而且有感電現象（人體不能碰觸）。

8. 電機電磁噪音導致生產線人員耳背重聽現象，噪音污染嚴重，加大Fc則損耗提高。

9. 配備合格標準的污染防治配件才能避免環境污染問題，但是成本增加運行效率降低。

10. PWM變頻器的損耗與污染都是因為交直交技術原理產生，屬于先天不良。

11. PWM變頻器屬于低效-高污染設備，PWM變頻器不是綠色節能產品。

12. 大部分變頻器供應商不配備合格防治污染配件而推薦客戶自行購買，導致用戶電氣設備、自動控制系統受到EMI、諧波、噪音、異常溫升等干擾不能正常工作或損壞，電氣維修人員整天疲于奔命，這是產品責任轉嫁現象。

13. “調速能夠節電”這句話是錯誤的，關掉電源不是更節電嗎？電機減速運行意味著變頻器、電機、負載設備全部降低運行效率；請特別注意電氣設備效率定義都是額定轉速、額定負載運行時最高效率。那么電機降低速度運行意味著減產、電氣系統與傳動系統每一個設備都要降低運行效率，那么損耗比例相乘結果效率下降驚人。

14. 變頻空調到處可見家電廣告，PWM變頻器屬于低效率高污染設備如何節電？要高效節電需要選擇綠色節能型變頻器才能真正節電。

15. 以上分析是針對變頻器驅動控制系統分析，也就是使用變頻器必然影響到整個系統，不是只有變頻器。