變頻器節(jié)能計(jì)算方法

1、變頻調(diào)速節(jié)能量的計(jì)算方法一、概述據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界的用電量中約有 60%是通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)消耗的。由于 考慮起動(dòng)、過(guò)載、安全系統(tǒng)等原因，高效的電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在低效狀態(tài)下運(yùn) 行，采用變頻器對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，可使電動(dòng)機(jī)重新回到 高效的運(yùn)行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。生產(chǎn)機(jī)械中電動(dòng)機(jī)的負(fù)載種 類千差萬(wàn)別，為便于分析研究，將負(fù)載分為平方轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩和恒功率 等幾類機(jī)械特性，本文僅對(duì)平方轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的節(jié)能進(jìn)行估算。所 謂估算，即在變頻器投運(yùn)前，對(duì)使用了變頻器后的節(jié)能效果進(jìn)行的計(jì)算 預(yù)測(cè)。變頻器一旦投運(yùn)后，用電工儀表測(cè)量系統(tǒng)的節(jié)能量更為準(zhǔn)確?，F(xiàn) 假定，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在使用變頻器調(diào)速前后的功率因數(shù)基本相同，

2、且變頻 器的效率為95%在設(shè)計(jì)過(guò)程中過(guò)多考慮建設(shè)前，后長(zhǎng)期工藝要求的差異，使裕量過(guò) 大。如火電設(shè)計(jì)規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕 度分別為5%和510%風(fēng)壓裕度為10°% 10%15%設(shè)計(jì)過(guò)程中很難計(jì)算 管網(wǎng)的阻力，并考慮長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的各種問(wèn)題，通?？偘严?統(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓裕量作為選型的依據(jù)，但風(fēng)機(jī)的系列是有限的，往 往選不到合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)就往上靠，大 20%30的比較常見(jiàn)。生產(chǎn)中實(shí) 際操作時(shí)，對(duì)于離心風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載常用閥門(mén)、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，則 增加了管路系統(tǒng)的阻尼，造成電能的浪費(fèi)；對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載常用電磁調(diào) 速器、液力耦合器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這兩種調(diào)速方

3、式效率較低，而且，轉(zhuǎn)速越 低，效率也越低。由于電機(jī)的電流的大小隨負(fù)載的輕重而改變，也即電機(jī) 消耗的功率也是隨負(fù)載的大小而改變，因此要想精確地計(jì)算系統(tǒng)的節(jié)能 是困難的，在一定程度上影響了變頻調(diào)速節(jié)能的實(shí)施。本文介紹用以下 的公式來(lái)進(jìn)行節(jié)能的估算。二、節(jié)能的估算1、風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻調(diào)速節(jié)能風(fēng)機(jī)、泵類通用設(shè)備 的用電占電動(dòng)機(jī)用電的50%左右,那就意味著占全國(guó)用電量的30%采用 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，比用擋板、閥門(mén)之類來(lái)調(diào)節(jié)，可節(jié)電 20%50%如果平均按30%+算，節(jié)省的電量為全國(guó)總用電量的 9%這將 產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。生產(chǎn)中，對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵常用閥門(mén)、擋 板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，增

4、加了管路的阻尼，電機(jī)仍舊以額定速度運(yùn)行，這時(shí) 能量消耗較大。如果用變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，不需要 再用閥門(mén)、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，將閥門(mén)、擋板開(kāi)到最大，管路阻尼最小， 能耗也大為減少。節(jié)能量可用 GB12497三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行強(qiáng) 制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式，即：能量可用GB12497三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指 南中的計(jì)算公式，即：(1)Pl-0.45 + 0.55 2 p 址歹)1幺丿式中：Pe-g$定流霾時(shí)電機(jī)輸入功率Qn額宦流量若流量的調(diào)節(jié)范圍(0.5-1) Qn，則節(jié)電率為；亠Ki =(1)(1)0斗5+0 55從式分析,節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，q <

5、;qlqiql的比值一股是小于1的分?jǐn)?shù)，其(e/ex)3的值比Q/2更小，與的乘積仍小于即節(jié)流調(diào)節(jié)后，電機(jī)的負(fù)載變小了，消耗 的功率也比額定功率小-當(dāng)捲板或閥門(mén)全關(guān)時(shí)，図機(jī).泵類空載運(yùn)行，消耗的功率最少，最 小等于0.45； (2)則表明釆用變頻調(diào)速后，由機(jī)消耗的功率與實(shí)際流量和額定流壘比值冊(cè)三次方戚正比，即馬(卷尸，再與采用攔板調(diào)節(jié)流葩對(duì)應(yīng)電機(jī)輸人功率Pl相誠(chéng)后再除以PL>得電機(jī)在糯調(diào)節(jié)消耗的功率基礎(chǔ)上計(jì)算的節(jié)能率.用相釵性廉理FE計(jì)算節(jié)能時(shí),也瞄計(jì)鵡系統(tǒng)慚調(diào)節(jié)時(shí)消耗的電紀(jì) 駛系統(tǒng)瑚調(diào)淒后消耗的電能相贏這不正好 是(2)式分子粽示式因此要準(zhǔn)確地計(jì)算節(jié)能，還需瞬(1)式計(jì)算系統(tǒng)節(jié)毓調(diào)節(jié)時(shí)

6、 消耗的電能.X恒轉(zhuǎn)拒類負(fù)載的調(diào)建觥對(duì)恒轉(zhuǎn)駁負(fù)熱有(1)(1)PbT占X- X9550(1)電購(gòu)輸入功咎繼的-後方咸正比采用變頻調(diào)謹(jǐn)后節(jié)省的功麗由下式計(jì)聲迤旦k-險(xiǎn)也(4)19550 - 9550槌率；“上生巴節(jié)省的功率與系統(tǒng)調(diào)速前后的速差成正比，速差越大，節(jié)能越顯著。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載變頻調(diào)速一般都用于滿足工藝需要的調(diào)速，不用變頻調(diào)速就得采用其他方式調(diào)速，如調(diào)壓調(diào)速、電磁調(diào)速、繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。由于這些調(diào)速是耗能的低效調(diào)速方式，使用高效調(diào)速方式的變頻調(diào)速后，可節(jié)省因調(diào)速消耗的轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能率也是很觀的。3、電磁調(diào)速系統(tǒng)電磁調(diào)速系統(tǒng)由鼠籠異步電機(jī)、轉(zhuǎn)差離合器、測(cè)速電機(jī)和控制裝置組成，通 過(guò)改

7、變轉(zhuǎn)差離合器的激磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)差離合器的本身的損耗是由主動(dòng)部分的風(fēng)阻？磨擦損耗及從動(dòng)部分的機(jī)械磨擦損所產(chǎn)生的。如果考慮這些損耗與轉(zhuǎn)差離 合器的激磁功率相平衡，且忽略不計(jì)的話，轉(zhuǎn)差離合器的輸入？輸出功率可由下式計(jì)算：電動(dòng)機(jī)軸輸出功率(13)E E E式中P： -電動(dòng)機(jī)輸岀功率電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率式中：T2轉(zhuǎn)差離合器的輸出轉(zhuǎn)矩n2 -轉(zhuǎn)差離合器的輸出軸轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的輸出功率，即為轉(zhuǎn)差離合器的輸入功率。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，T= T1 =T2=常數(shù)，所以，轉(zhuǎn)差離合器的效率：(11)其散率也是正比于輸出薦速，籀出最大轉(zhuǎn)速時(shí)其效率理論值為巧-當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí),輸出功率成比例下降，而輸入功率保持不變，

8、此時(shí)損耗功率PR與轉(zhuǎn)差損耗成正比増加，即匕TI電磁調(diào)速電機(jī)為鼠籠式電機(jī)，由于輸入功率和轉(zhuǎn)矩均保持不變，鼠籠式電機(jī)的功率保持不變。損耗以有功的形式表達(dá)出來(lái)，損耗功率通過(guò)轉(zhuǎn)差離合器渦流發(fā)熱并 由電樞上的風(fēng)葉散發(fā)出去。由損耗功率公式（10）可以清楚看到，電磁調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，浪費(fèi)能源越大，然而生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速通常不在最大轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，變頻調(diào)速是一種改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速度的方法，是不耗能的高效調(diào)速方式，因此改用變頻調(diào)速的方式會(huì)有非常好 的節(jié)能效果，節(jié)省的能量直接可用（10）式計(jì)算。4?液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)液力偶合器是通過(guò)控制工作腔內(nèi)工作油液的動(dòng)量矩變化，來(lái)傳遞電動(dòng)機(jī)能量，電動(dòng)機(jī)通過(guò)液力偶合器的輸入軸拖動(dòng)其主

9、動(dòng)工作輪，對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動(dòng)液力偶合器的從動(dòng)工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載。液力偶合器有調(diào)速型和限矩型之分， 前者用于電氣傳動(dòng)的調(diào)速，后者用于電機(jī)的起動(dòng)， 系統(tǒng)中的液力偶合器在電機(jī)起動(dòng)時(shí)起緩沖作用。由于液力偶合器的結(jié)構(gòu)與電磁轉(zhuǎn)差離合器類似，仿照電磁調(diào)速器效率的計(jì)算方法，可得：（13）式中*P.-電動(dòng)機(jī)輸出功率£ -電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率同樣，用（12 ）式可計(jì)算將液力耦合器調(diào)速改造為變頻調(diào)速后的節(jié)能量。5?繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)繞線式電機(jī)最常用改變轉(zhuǎn)子電路的串接電阻的方法調(diào)速，隨著轉(zhuǎn)子串接電阻 的增大，不但可以方便地改變電機(jī)的正向轉(zhuǎn)速，在位能負(fù)載時(shí)，

10、還可使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)和改變電機(jī)的反向轉(zhuǎn)速，因此這種調(diào)速方式在起重、冶金行業(yè)應(yīng)用較多。對(duì)于繞線式電機(jī)，無(wú)論在起動(dòng)？制動(dòng)還是調(diào)速中，采用轉(zhuǎn)子串電阻方式均會(huì)帶 來(lái)電能損耗。這種損耗隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率S的增大而增大，另外，隨著串接 電阻的增大，機(jī)械特性變軟，難以達(dá)到調(diào)速的靜態(tài)指標(biāo)。繞線式電機(jī)輸入的電磁功率為：(13)式中巴-電動(dòng)機(jī)輸出功率P -電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率PP-S)(14)丘=迂=3牙(盡十心)式中； 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子每相的電流和電阻在(14)式中*若S-0.5,電筱功率有一半消耗在轉(zhuǎn)子電阻(&+乩)上 調(diào)速系統(tǒng)飯率低于5Qb利用(14)式，只要知道電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，就可方便地計(jì)算

11、繞繞式電機(jī)串接電阻調(diào)速消耗的電能，節(jié)能量的計(jì)算就非常簡(jiǎn)單了.當(dāng)我們進(jìn)行變頻節(jié)能改造時(shí)，投入和收益是必須認(rèn)真考慮的，收益就涉及到節(jié) 能量的計(jì)算，變頻器未投運(yùn)之前，計(jì)算節(jié)能量是比較困難的，往往希望有一種簡(jiǎn)單 實(shí)用的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行節(jié)能的預(yù)測(cè)，有了以上的計(jì)算式計(jì)算節(jié)能量，投入和收益也就一目了然了。例1:有一電機(jī)4極Pe= 55KW驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的實(shí)際風(fēng)量 Q與額定風(fēng)量之比 Q/QN為0.8，現(xiàn)采用變頻器調(diào)速，求節(jié)電率。由(2)式(0.8?0 45 + 055(0.8):= 1-0.64=0.36節(jié)電率為36%三、變頻調(diào)速節(jié)能與系統(tǒng)功率因數(shù)的關(guān)系前已假定電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在使用變頻器調(diào)速前后的功率因數(shù)基本相同，

12、這樣在計(jì)算節(jié)能時(shí)可不考慮系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。 實(shí)際上，在變頻器投入前后，其功率因數(shù)可 能是不同的，因此，計(jì)算的節(jié)能量是否考慮變頻器調(diào)速前后的功率因數(shù)的變化呢？正弦電路中，功率因魏是由電壓C與電流I之間的相位駕義送定的.在出率因馥常用8羽表示口電路中闡有功功率P就是耳平的功率，眼F = L7Z cos（15）用電度表進(jìn)行計(jì)量檢測(cè)實(shí)際的節(jié)能量時(shí)，電度表測(cè)量的就是電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)消耗的有功功率。若原電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，在使用變頻器后以50Hz頻率恒速運(yùn)行，這時(shí)功率因數(shù)有所提高。功率因數(shù)提高后，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并沒(méi)有改變， 電動(dòng)機(jī)消耗的有功功率和無(wú)功功率也沒(méi)有改變。變頻器中的濾波電容與電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)功能

13、量交換，因此變頻器實(shí)際輸入電流減小，從而減小了電網(wǎng)與變頻器之間的線損和供電變壓器的銅耗，同時(shí)減小了無(wú)功電流上串電網(wǎng)。因此計(jì)算節(jié)能時(shí)，應(yīng)考慮提高功率因數(shù)后的節(jié)能。提高功率因數(shù)后，配電系統(tǒng)電流的下降率為：（式中：-補(bǔ)償前電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù)COS化-補(bǔ)償后電動(dòng)機(jī)端的功率因數(shù)配電系統(tǒng)損耗的下降率為;COS 91、COS配電系統(tǒng)的電流下降率和配電系統(tǒng)的損耗下降率都是對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償前后 電流和損耗而言，不是指配電系統(tǒng)電流和損耗的實(shí)際變化。下面舉一個(gè)典型的事例。洌2-有一臺(tái)壓料機(jī)，電機(jī)功率安裝在畜酉洼房100備關(guān)的地肓，計(jì)量?jī)x夷電壓表、電硫表和有功旦度表対在觀電房.工頻時(shí)電機(jī)空就工作電流192A1如翱巾

14、電機(jī)工作電壓波巧電S 231A,曲于負(fù)載較輕導(dǎo)鉞電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率0和效率郴蹴低這時(shí)電 動(dòng)機(jī)灼功率因數(shù)可曲=世計(jì)彈：COSp - （15）口苗UI式屯0-對(duì)應(yīng)于卿I的朝鵬電遵I束觸負(fù)我率，叩-對(duì)應(yīng)于實(shí)測(cè)的電動(dòng)機(jī)紅電流1求得的由（14式廿算eg 二0.4實(shí)測(cè)昉率因數(shù)CO,®二電機(jī)加載時(shí)消耗的帀 功功率対P-3 35631x0,42-59.32 W. -gJISffl下E料機(jī)不需調(diào)謹(jǐn)揑入孌頻器后 仍以EOKz酌瀕率運(yùn)行，這時(shí)冥測(cè)助率因數(shù)為COS塾=093.空載時(shí)角入變頻器電匏僅 36A;加裁時(shí)，輸入變頻器的電壓383V,電蠱102A.電機(jī)加就時(shí)消耗的有功功率為 PF 75 383k 102x

15、0* 93=62.93 （kr）.即加栽狀態(tài)下電機(jī)直接用市電供電時(shí)功率因數(shù)為0.42, 有功功率59.82kw;使用變頻器后功率因數(shù)為0.93-有功功率為曲9此由此可見(jiàn)，便 用變頻器后，電機(jī)消耗的有功功率略有増加，不也不節(jié)能反而耗能，其獵因是更頻器有少童 能耗但是，線路上的電流已從箔1A減少到102A, 100多米長(zhǎng)的線路損耗大大攝少，由（17） 趨耗下降率丸AP（l-）xlOO = '9 60.93*從配電房的電度表實(shí)測(cè)的結(jié)果還是節(jié)能，且節(jié)能在15鳩上。從本例看，如果單純提高功率因數(shù)， 無(wú)須使用變頻器，只需用電力電容進(jìn)行就 地補(bǔ)償，但倘若還要滿足工藝調(diào)速的需要，使用變頻器調(diào)速節(jié)能是最佳的節(jié)能方法， 這時(shí)的節(jié)能量應(yīng)是線路上的能耗與變頻調(diào)速節(jié)能之和。如果原電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)較高，變頻器投入后功率因數(shù)變化不大，可不考慮功率因數(shù)變化后線損的影響，就用本文中的（1）（ 14）進(jìn)行計(jì)算節(jié)能。四、變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算時(shí)需考慮變頻器的效率GB12668定義變頻器為轉(zhuǎn)換電能并能改變頻率的電能轉(zhuǎn)換裝置。能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中必然伴隨著損耗。 在變頻器內(nèi)部，逆變器功率器件的開(kāi)關(guān)損耗最大， 其余是電子 元器件的熱損耗和風(fēng)機(jī)損耗，變頻器的效率一般為 95%-96%因此在計(jì)