变频器节能效率计算

概述
在许多情况下, 使用变频器的目的是调速, 尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说, 设计选型往往以最大工况来选。

与实际的工况存在较大的可调整空间。

在运行中根据实际运行需要，按照流量、杨程等调节电动机的转速，从而改变电动机的输出转矩和输出功率，以代替传统上利用挡板和阀门进行的流量和扬程的控制, 节能效果非常明显。

同时分析变频器在选型、应用中的注意事项。

1变频调速原理
三相异步电动机转速公式为:
n=
60f p(1−s)
式中：n-电动机转速，r/min；
f-电源频率，Hz；
p-电动机对数
s-转差率,
从上式可见交流电动机的调速可以概括为改变极对数，控制电源频率以及通过改变参数如定子电压、转子电压等使电机转差率发生变化等几种方式。

变频器效率维持在94%~96%，变频调速是一种高效率、高效能的调速方式，使异步电动机在整个工作范围内保持正常的小转差率下运转，实现无极平滑调速。

变频工作原理
异步电动机的额定频率称为基频，即电网的频率，在我国为50Hz。

电机定子绕组内部感应电动势为
U1≈E1=4.44f1Nk1?1
式中E1-定子绕组感应电动势，V；
?1-气隙磁通，Wb；
N-定子每相绕组匝数；
f1-基波绕组系数。

在变频调速时，如果只降低定子频率f1，而定子每相电压保持不变，则必然会造成?1增大。

由于电机制造时，为提高效率减少损耗，通常在U1=U n，f1=f n时，电动机主磁路接近饱和，增大?1势必使主磁路过饱和，将导致励磁电流急剧增大，铁损增加，功率因素降低。

若在降低频率的同时降低电压使E 1f 1⁄保持不变则可保持?1不变从而避免了主磁路过饱和
现象的发生。

这种方式称为恒磁通控制方式。

此时电动机转矩为
T =m 1pf 12π(r 2s +sx 22r 2)(E 1f 1
)2
式中T -电动机转矩，；
m 1—电源极对数；
p —磁极对数； s —转差率；
r 2—转子电阻；
x 2—转子电抗；
由于转差率s 较小，(r 2s ⁄)2?x 22则有 T ≈m 1pf 12πr 2s
(E 1f 1)2
=kf 1s 其中k =m 1p 2πr 2(E 1f 1)2 由此可知：若频率f 1保持不变则T ∝s ；若转矩T 不变则s ∝1f 1⁄； 电动机临界转差率s m ≈r 2x 2=r 2
2πf 1L 2=C f 1 其中C =r
22πL 2 电动机最大转矩T m =m 1pf 1
4π12πf 1L 2(E 1f 1)2=常数 最大转速降?n m =s m n 1=C f 160f 1
p =60p =常数
由此可知：保持E 1f 1=⁄常数，最大转矩和最大转矩处的转速降落均等于常数，与频率无关。

因此不同频率的各条机械特性曲线是平行的，硬度相同。

风机、泵负载特性
以风机、泵类为代表的二次方减转矩负载即转矩与转速平方成正比。

如图所示，在低转速下负载转矩非常小。

风机、水泵的负载特性如下
n 1n 2⁄=Q 1Q 2⁄
(n 1n 2⁄)2=H 1H 2⁄=T 1T 2⁄
(n 1n 2⁄)3=P 1P 2⁄
式中Q 1Q 2⁄—风量、流量，m 3s ⁄；
H 1H 2⁄—风压，Pa ；
T 1T 2⁄—轴功率，kW ；
P 1P 2⁄—负载转矩，；
n 1n 2⁄—转速，r min ⁄。

从上式可知，风机风量、泵的流量与转速成正比；风机风压、泵的杨程与转速的二次方成正比；风机、泵的轴功率与转速、风机风量、泵流量的三次方程正比；风机、泵的轴功率在速度不变时与风机风压、泵杨程成正比。

按离心式泵功率选择电动机 P=kγQ(H+?H)/ηηc
×10−3 式中P —离心式泵电动机功率，kW ；
γ—液体密度，kg/m 3；
Q —泵的出水量，m 3s ⁄；
H —水头，m ；
?H —主管损失的水头，m ； η—水泵效率，约为~ ηc —传动效率，与电动机直连时取ηc
=1；
K —裕量系数，与功率有关。

当管道长、流速高、弯头与阀门数量多时，裕量系数适当增大。

由于风机、泵的容量是按最大风量及风压、流量及杨程确定的，与实际需要存在较大的可调整空间，按照风量、风压、流量、杨程等调节电动机的转速，从而改变电动机的输出功率和输出转矩达到节能效果。

如下图，曲线1是阀门全部打开时供水系统的阻力特性，曲线2是额定转速时泵的杨程特性；此时供水系统的工作点位A ，流量为Q a ，杨程为H a ；电动机的轴功率与O-Q a -A-H a -O 面积成正比。

如果要将流量减少为主要的调节方式有两种：
1） 传统的方法是保持电动机转速不变，将阀门关小，此时阻力特性曲线如图3所示，工作点移至B 点，流量为
Q b ，杨程为H b ；电动机的轴功率与面积O-Q b -B-H b -O 成正比。

2） 阀门的开度不变，降低电动机的转速，此时杨程特性如曲线4所示，工作点移至C 点，流量仍为Q b ，但杨程
为H C ；电动机的轴功率为O-Q b -C-H C -O 成正比。

由此可见当需求量下降时，调节转速可以节约大量能源。

之所以变频比变阀门开度节能，因为在改变流量的同时对压力没有要求，也就是说改变流量的同时允许改变压力。

变频调速改变流量的同时，压力也在改变。

流量减少，压力也在减小，功率等于压力与流量的乘积，功率在双倍减小；而改变阀门开度的同时，流量减少，压力基本没有变，甚至增加。

功率在单倍减小，因此变频比变阀门开度消耗的功率少，节省能量。

2变频器的选型和应用
变频器分为通用型（G）和风机、水泵专用型（P），应根据负载进行选择。

通常变频器以适用的电机容量（kW）、输出容量（kVA）、额定输出电流（A）表示。

其中额定电流为变频器允许的最大连续输出电流的方均根值，不能长期超出此连续电流值。

不同厂家的电动机、不同系列的电动机、不同极数的电动机，即使同一容量等级，其额定电流也不尽相同。

由于变频器输出中包含谐波成分，其电流有所增加，应适当考虑加大容量。

一般风机、泵类负载不宜在低于15Hz以下运行，如果确实需要在15Hz以下长期运行，需要考电动机的允许温升，必要时采用外置强迫风冷措施。

如果电动机的启动转矩能满足要求，
⁄模式，以获得较大的节能效果。

宜选用变频器的降低转矩U f
用变频器传动电动机与用正弦波传动的电动机相比，由于变频器输出波形中含有高次的影响，电动机的功率因素，效率均将恶化，温度升高。

另一方面，变频传动要得到与工频传动同样的转矩，变频器输出电流的基波方均根值通常要等于工频电源的方均根值。

变频器输出电流由基波电流与高次谐波电流叠加合成。

因此，变频器传动时的基本特性将不同于工频传动。

利用电机的等值电路可求得空载电流为
I0=√I012+∑I0ℎ2
式中I0—空载电流，A；
I1—定子空载基波电流，A；
I0ℎ—定子空载h次谐波电流，A。

上式表明，变频传动比工频传动的空载电流要大，其中，定子、转子铜损和与载波率有关的铁损是高次谐波引起铁损耗增大的主要原因。

高次谐波引起的损耗与负载的大小无关，大体上与空载一致，基本为一定值。

因此，负载越轻，谐波损耗增加的影响越大，以功率因素降低，效率下降，温升升高。

通常电动机额定运行（输出额定电流、频率及功率）时，变频器供电的电动机电流比工频供电的电动机电流增加约5%~10%，温升增加20%。

因此变频器供电时普通电动机不宜在额定频率下满载运行。

3结束
综上所诉，变频调速在实际生产中有着无可比拟的先天优势。

变频调速有以下的的优点：
1、调速效率高。

这是由于在频率变化后，电动机仍在同步转速附近运行，基本保持额定转差。

2、调速范围宽。

一般可达20:1，并在整个调速范围内具有高的调速效率。

所以变频调速适用于调速范围宽，且经常处于低负荷状态下运行的场合。

3、机械特性较硬。

在无自动控制时，转速变化率在5%以下；当采用自动控制时，能做高精度运行，把转速波动率控制在%|~1%左右。

4、能兼作启动设备。

即通过变频电源将电动机启动到某一转速，再断开变频电源，电动机可直接接到工频电源使泵或风机加速到全速。

5、兼做电机保护设备。

变频器对电机的保护主要有以下几方面：过电压保护、欠电压保护、过电流保护、缺相保护、反相保护、过负荷保护、接地保护、短路保护、超频保护和失速保护。

在使用中需注意不宜在过低频率（<15Hz）和工频（50Hz）情况下运行。

避免电机温升发热。

热力站变频调速节能分析和运行
第一供暖分公司
籍晋鹏
2017年9月。