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:

；-电动机转速，r/min式中：n电源频率，Hz；f- - 电动机对数p 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。

1.1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

式中-定子绕组感应电动势，V；

-气隙磁通，Wb；

-定子每相绕组匝数；

基波绕组系数。-

，而定子每相电压保持不变，则必然在变频调速时，如果只降低定子频率时，为提高效率减少损耗，通常在，由于电机制造时，会造成增大。

将导致励磁电流急剧增大，增大电动机主磁路接近饱和，势必使主磁路过饱和，铁损增加，功率因素降低。保持不变则可保持不变从而避免了若在降低频率的同时降低电压使

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

π

电动机转矩，N.m；式中- —电源极对数；

—磁极对数；

—转差率；

—转子电阻；

—转子电抗；

则有由于转差率较小，

其中

；不变则由此可知：若频率保持不变则；若转矩

电动机临界转差率其中

电动机最大转矩常数=

=常数最大转速降

常数，最大转矩和最大转矩处的转速降落均等于常数，由此可知：保持

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。．

1.2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

；—风量、流量，式中

—风压，Pa；

—轴功率，kW；

—负载转矩，N.m；

。—转速，

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

ηη

式中P—离心式泵电动机功率，kW；

； kg/ —液体密度，

；—泵的出水量，Q

H—水头，；m

；m —主管损失的水头，η—水泵效率，约为0.6 0.84;

η—传动效率，与电动机直连时取η=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，杨程为；电动机的

轴功率与O--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，杨程为；电动机的轴功率与面积

O--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，但杨程为；电动机的轴功率为O--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。

也就是因为在改变流量的同时对压力没有要求，之所以变频比变阀门开度节能，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。如果电动模式，以获得较大的节机的启动转矩能满足要求，宜选用变频器的降低转矩能效果。

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

式中—空载电流，A；

—定子空载基波电流，A；

—定子空载次谐波电流，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、转子铜损和高次