變頻器節(jié)能計算方法

1、變頻調速節(jié)能量的計算方法一、概述據統(tǒng)計，全世界的用電量中約有 60%是通過電動機來消耗的。由于 考慮起動、過載、安全系統(tǒng)等原因，高效的電動機經常在低效狀態(tài)下運 行，采用變頻器對交流異步電動機進行調速控制，可使電動機重新回到 高效的運行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。生產機械中電動機的負載種 類千差萬別，為便于分析研究，將負載分為平方轉矩、恒轉矩和恒功率 等幾類機械特性，本文僅對平方轉矩、恒轉矩負載的節(jié)能進行估算。所 謂估算，即在變頻器投運前，對使用了變頻器后的節(jié)能效果進行的計算 預測。變頻器一旦投運后，用電工儀表測量系統(tǒng)的節(jié)能量更為準確?，F 假定，電動機系統(tǒng)在使用變頻器調速前后的功率因數基本相同，

2、且變頻 器的效率為95%在設計過程中過多考慮建設前，后長期工藝要求的差異，使裕量過 大。如火電設計規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的鼓風機，引風機的風量裕 度分別為5%和510%風壓裕度為10°% 10%15%設計過程中很難計算 管網的阻力，并考慮長期運行過程中可能發(fā)生的各種問題，通?？偘严?統(tǒng)的最大風量和風壓裕量作為選型的依據，但風機的系列是有限的，往 往選不到合適的風機型號就往上靠，大 20%30的比較常見。生產中實 際操作時，對于離心風機、泵類負載常用閥門、擋板進行節(jié)流調節(jié)，則 增加了管路系統(tǒng)的阻尼，造成電能的浪費；對于恒轉矩負載常用電磁調 速器、液力耦合器進行調節(jié)，這兩種調速方

3、式效率較低，而且，轉速越 低，效率也越低。由于電機的電流的大小隨負載的輕重而改變，也即電機 消耗的功率也是隨負載的大小而改變，因此要想精確地計算系統(tǒng)的節(jié)能 是困難的，在一定程度上影響了變頻調速節(jié)能的實施。本文介紹用以下 的公式來進行節(jié)能的估算。二、節(jié)能的估算1、風機、泵類平方轉矩負載的變頻調速節(jié)能風機、泵類通用設備 的用電占電動機用電的50%左右,那就意味著占全國用電量的30%采用 電動機變頻調速來調節(jié)流量，比用擋板、閥門之類來調節(jié)，可節(jié)電 20%50%如果平均按30%+算，節(jié)省的電量為全國總用電量的 9%這將 產生巨大的社會效益和經濟效益。生產中，對風機、水泵常用閥門、擋 板進行節(jié)流調節(jié)，增

4、加了管路的阻尼，電機仍舊以額定速度運行，這時 能量消耗較大。如果用變頻器對風機、泵類設備進行調速控制，不需要 再用閥門、擋板進行節(jié)流調節(jié)，將閥門、擋板開到最大，管路阻尼最小， 能耗也大為減少。節(jié)能量可用 GB12497三相異步電動機經濟運行強 制性國家標準實施監(jiān)督指南中的計算公式，即：能量可用GB12497三相異步電動機經濟運行強制性國家標準實施監(jiān)督指 南中的計算公式，即：(1)Pl-0.45 + 0.55 2 p 址歹)1幺丿式中：Pe-g$定流霾時電機輸入功率Qn額宦流量若流量的調節(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)流調節(jié)時，q <

5、;qlqiql的比值一股是小于1的分數，其(e/ex)3的值比Q/2更小，與的乘積仍小于即節(jié)流調節(jié)后，電機的負載變小了，消耗 的功率也比額定功率小-當捲板或閥門全關時，図機.泵類空載運行，消耗的功率最少，最 小等于0.45； (2)則表明釆用變頻調速后，由機消耗的功率與實際流量和額定流壘比值冊三次方戚正比，即馬(卷尸，再與采用攔板調節(jié)流葩對應電機輸人功率Pl相誠后再除以PL>得電機在糯調節(jié)消耗的功率基礎上計算的節(jié)能率.用相釵性廉理FE計算節(jié)能時,也瞄計鵡系統(tǒng)慚調節(jié)時消耗的電紀 駛系統(tǒng)瑚調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確地計算節(jié)能，還需瞬(1)式計算系統(tǒng)節(jié)毓調節(jié)時

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

7、變轉差離合器的激磁電流來實現調速。轉差離合器的本身的損耗是由主動部分的風阻？磨擦損耗及從動部分的機械磨擦損所產生的。如果考慮這些損耗與轉差離 合器的激磁功率相平衡，且忽略不計的話，轉差離合器的輸入？輸出功率可由下式計算：電動機軸輸出功率(13)E E E式中P： -電動機輸岀功率電動機轉子電阻上消耗的轉差功率式中：T2轉差離合器的輸出轉矩n2 -轉差離合器的輸出軸轉速電動機的輸出功率，即為轉差離合器的輸入功率。對于恒轉矩負載，T= T1 =T2=常數，所以，轉差離合器的效率：(11)其散率也是正比于輸出薦速，籀出最大轉速時其效率理論值為巧-當轉速下降時,輸出功率成比例下降，而輸入功率保持不變，

8、此時損耗功率PR與轉差損耗成正比増加，即匕TI電磁調速電機為鼠籠式電機，由于輸入功率和轉矩均保持不變，鼠籠式電機的功率保持不變。損耗以有功的形式表達出來，損耗功率通過轉差離合器渦流發(fā)熱并 由電樞上的風葉散發(fā)出去。由損耗功率公式（10）可以清楚看到，電磁調速電機的轉速越低，浪費能源越大，然而生產機械的轉速通常不在最大轉速下運行，變頻調速是一種改變旋轉磁場同步速度的方法，是不耗能的高效調速方式，因此改用變頻調速的方式會有非常好 的節(jié)能效果，節(jié)省的能量直接可用（10）式計算。4?液力偶合器調速系統(tǒng)液力偶合器是通過控制工作腔內工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機能量，電動機通過液力偶合器的輸入軸拖動其主

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

10、還可使電機反向旋轉和改變電機的反向轉速，因此這種調速方式在起重、冶金行業(yè)應用較多。對于繞線式電機，無論在起動？制動還是調速中，采用轉子串電阻方式均會帶 來電能損耗。這種損耗隨著轉速的降低，轉差率S的增大而增大，另外，隨著串接 電阻的增大，機械特性變軟，難以達到調速的靜態(tài)指標。繞線式電機輸入的電磁功率為：(13)式中巴-電動機輸出功率P -電動機轉子電阻上消耗的轉差功率PP-S)(14)丘=迂=3牙(盡十心)式中； 電動機轉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子電阻(&+乩)上 調速系統(tǒng)飯率低于5Qb利用(14)式，只要知道電機運行的轉速，就可方便地計算

11、繞繞式電機串接電阻調速消耗的電能，節(jié)能量的計算就非常簡單了.當我們進行變頻節(jié)能改造時，投入和收益是必須認真考慮的，收益就涉及到節(jié) 能量的計算，變頻器未投運之前，計算節(jié)能量是比較困難的，往往希望有一種簡單 實用的計算方法來進行節(jié)能的預測，有了以上的計算式計算節(jié)能量，投入和收益也就一目了然了。例1:有一電機4極Pe= 55KW驅動風機，風機的實際風量 Q與額定風量之比 Q/QN為0.8，現采用變頻器調速，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、變頻調速節(jié)能與系統(tǒng)功率因數的關系前已假定電動機系統(tǒng)在使用變頻器調速前后的功率因數基本相同，

12、這樣在計算節(jié)能時可不考慮系統(tǒng)功率因數的影響。 實際上，在變頻器投入前后，其功率因數可 能是不同的，因此，計算的節(jié)能量是否考慮變頻器調速前后的功率因數的變化呢？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）用電度表進行計量檢測實際的節(jié)能量時，電度表測量的就是電動機系統(tǒng)消耗的有功功率。若原電動機系統(tǒng)的功率因數較低，在使用變頻器后以50Hz頻率恒速運行，這時功率因數有所提高。功率因數提高后，電動機的運行狀態(tài)并沒有改變， 電動機消耗的有功功率和無功功率也沒有改變。變頻器中的濾波電容與電動機進行無功能

13、量交換，因此變頻器實際輸入電流減小，從而減小了電網與變頻器之間的線損和供電變壓器的銅耗，同時減小了無功電流上串電網。因此計算節(jié)能時，應考慮提高功率因數后的節(jié)能。提高功率因數后，配電系統(tǒng)電流的下降率為：（式中：-補償前電動機的運行功率因數COS化-補償后電動機端的功率因數配電系統(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單臺電動機補償前后 電流和損耗而言，不是指配電系統(tǒng)電流和損耗的實際變化。下面舉一個典型的事例。洌2-有一臺壓料機，電機功率安裝在畜酉洼房100備關的地肓，計量儀夷電壓表、電硫表和有功旦度表対在觀電房.工頻時電機空就工作電流192A1如翱巾

14、電機工作電壓波巧電S 231A,曲于負載較輕導鉞電動機的負載率0和效率郴蹴低這時電 動機灼功率因數可曲=世計彈：COSp - （15）口苗UI式屯0-對應于卿I的朝鵬電遵I束觸負我率，叩-對應于實測的電動機紅電流1求得的由（14式廿算eg 二0.4實測昉率因數CO,®二電機加載時消耗的帀 功功率対P-3 35631x0,42-59.32 W. -gJISffl下E料機不需調謹揑入孌頻器后 仍以EOKz酌瀕率運行，這時冥測助率因數為COS塾=093.空載時角入變頻器電匏僅 36A;加裁時，輸入變頻器的電壓383V,電蠱102A.電機加就時消耗的有功功率為 PF 75 383k 102x

15、0* 93=62.93 （kr）.即加栽狀態(tài)下電機直接用市電供電時功率因數為0.42, 有功功率59.82kw;使用變頻器后功率因數為0.93-有功功率為曲9此由此可見，便 用變頻器后，電機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測的結果還是節(jié)能，且節(jié)能在15鳩上。從本例看，如果單純提高功率因數， 無須使用變頻器，只需用電力電容進行就 地補償，但倘若還要滿足工藝調速的需要，使用變頻器調速節(jié)能是最佳的節(jié)能方法， 這時的節(jié)能量應是線路上的能耗與變頻調速節(jié)能之和。如果原電動機系統(tǒng)的功率因數較高，變頻器投入后功率因數變化不大，可不考慮功率因數變化后線損的影響，就用本文中的（1）（ 14）進行計算節(jié)能。四、變頻調速節(jié)能計算時需考慮變頻器的效率GB12668定義變頻器為轉換電能并能改變頻率的電能轉換裝置。能量轉換過程中必然伴隨著損耗。 在變頻器內部，逆變器功率器件的開關損耗最大， 其余是電子 元器件的熱損耗和風機損耗，變頻器的效率一般為 95%-96%因此在計