变频器节能效率计算

变频器节能效率计算 WTD standardization office【WTD 5AB- WTDK 08- WTD 2C】

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；

f 1-基波绕组系数。

在变频调速时，如果只降低定子频率f 1，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U 1=U n ，f 1=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 22πf 1L 2=C f 1 其中C =r 2

2πL 2

电动机最大转矩T m =m 1pf 14π1

2πf 1L 2(E 1f 1)2=常数

最大转速降?n m =s m n 1=C f 160f 1p =60

p =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