变频调速的计算

一、变频调速与节流调节的计算

流量q v 与转速成正比，即q v2/q v1=n 2/n 1；扬程H 与转速的平方成正比，即H 1/H 2=（n 2/n 1）2；功率与转速的立方成正比功率。如（1）式所述。

31

23

1212)()(v v v q q n n p p q P ===存在的关系与流量泵与风机的功率 （1）

根据v q 、H 值可以计算泵与风机的功率，即：η

ρ102H q P V =

（2）

式中P ─功率，kW ；v q ─流量，m 3/s ；H ─扬程，m ；ρ─密度，kg/m 3；η─使用工况效率%； 泵与风机的变频节能计算

(1) 变频调速调节与节流调节

对风机、水泵常用阀门、挡板进行节流调节，增加了管路的阻尼，电机仍旧以额定速度运行，这时能量消耗较大，如果对风机、泵类设备进行调速控制，不需要再用阀门、挡板进行节流调节，将阀门、挡板开到最大，管路阻尼最小，能耗也大为减少。节能量可用GB12497《三相异步电动机经济运行》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式，即对风机、泵类、采用挡板调节流量对应电机输入功率P L 与流量q v 的关系：

)(])(

55.045.0[2

kW p q q P e ve

V L += （3） 式中 P L ─额定流量时电机输入功率，kW ；q ve ─额定流量，m 3/s ；

若流量的调节范围（0.5～1）q ve ,由上面的公式及下面的公式可得电机调速调节流量相比节流调节流量所要节约的节电率（Ki ）为：

]

)(55.045.0[)(

1/)(

23

3

ve

v b ve

v L

b ve

v e L L

q q q q P q q P P p p Ki +-

=-=∆=

ηη （4）

式中Ki ─节电率；ηb ─调速机构效率。

从上式分析，节流调速时由于q v /q ve <1，平方后更小于1，乘以0.55再加上0.45仍小于1，却节流后电机的负载变小了，消耗的功率也比额定功率小。当挡板或阀门全关时，泵与风景空载运行，消耗的功率最少，等于0.45Pc 。由（1）式可知采用电机变速调节后，电机消耗的功率与实际流量和额定流量比值的三次方成正比，由于变频调速效率高，本身的损耗相比很小，在变频器内部，逆变器功率器件的开关损耗最大，其余是电子元器件的热损耗和风机损耗，变频器的效率一般为95%～98%。采用变频调速，泵与风机的效率几乎不变，其特性近似满足相似定律，即满足（1）式的关系。因此（4）式能较准确地计算泵与风机电机变频调速调节相比节流调节所要节约的节电率。

例5.1 某厂离心风机125kW ，实际用风量为0.7，年工作4800h ，准备投资15万元改造为变频器驱动，变频器的效率为96%，估算节电率和投资回收期。

解：由题意知q v /q ve =0.7，由式（4）得节电率为

5.0)

7.055.045.0(96.07.012

3

=⨯+⨯-=Ki 由式（3）得：P L =（0.45+0.55×0.72

）×125=90(kW)

采用风门调节风量时风机所需要的轴功率为90kW 。变频器调速器调风量时相对调节风门调风量的节电率为0.50。

由条件可知风机每年工作4800h ，年节电量为：4800×90×0.5=216000kW ·h 年节电费(电价0.80元/kW ·h):0.8×216000=17.28万元

投资回收期：投资回收期=设备投资总额（元）÷年节电费（元） =15÷17.28=0.87（年）=10.4（月）

由此可判定该厂离心风机采用变频器驱动后，年节电量216000kW ·h ，年节电费17.28万元，投资回收期10个半月，技术经济效益可观。 二、变频调速与第一类变速调节的计算

第一类变速调节包括液力耦合调速系统和电磁调速系统。液力耦合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化来传递电动机能量，电动机通过液力耦合器输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力耦合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。电磁调速系统通过改变转差离合器的激磁电流来实现调速。转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻、摩擦损耗及从动部分的机械摩擦所产生的。不论是液力耦合器调速还是电磁调速系统。它们都没有改变原动机的转速，也就是说主动轮的转速是不变的。在调速过程中从动轮的转速发生变化，从动轮受的力矩也发生变化，但在忽略各种阻力矩后从动轮的力矩T 2应近似等于主动轮力矩T 1，即：T 2=T 1 (2.1)

而功率P 与转矩T 及转速n 的关系为：

9550

nT P =

(2.2)

在第一类变速调节系统中，原动机通过主动轮输入功率，从动轮获得输出功率。故它的调速效率应等于的输出、输入功率之比，即可由下式计算：

1

2112221

n n T n T n P P b =

==η （2.3）

式中ηb ─调速效率；，P 1─主动轮输入功率；P2─从动轮输入功率。 设转速差s 为：1

2

1n n n s -=

（2.4）

由式（2.3）及式（2.4）可得：ηb =1－s （2.5）

从式（2.3）及式（2.5）可看出第一类变速调速的效率等于从动机转速与主动机的转速之比。从动机转速越低，调速效率越低，转速差越大，浪费能源越大。与之相比变速调速是一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能的高效调速方式。第一类变速调速的节电率仍可用式（4）计算，但这时的调速效率不同。第一类变速调速虽比不上变速调速，但比节流调速仍有优势。

例5.2 与例5.1条件相同，若准备投资15万元改造为液力耦合器调速，估算节电率和投资回收期。并与变频调速相较。

解：因风机流量之比q v /q ve =0.7，可得

7.01

2

12==v v q q n n 由式（2.3）得液力耦合器调速系统调速效率为