变频器在满载和部分负载时的效率

1、变频器在满载和部分负载时的效率在许多应用中，可以通过使用变频器来实现节能。特别是变频器用于 驱动平方负载特性的泵和风机时，在非满载的工况可以实现显著的节 能。这种类型的系统在很宽的速度范围内产生的损耗非常低，因此效 率很高。为了能够量化这些节约，需要研究变频器的损耗和效率与负 载和速度的关系。效率定义为输出端提供的有功电功率 POut 与输入端获取的有功电功 率 PIn 之比。 如果考虑输入端的有功电功率PIn 比输出端提供的有功电 功率 POut 高出一个与功率损耗 PL 相对应的系数， 则可应用以下通用公式计算效率：2.4.1 变频器满载时的效率变频器在满载时的效率是根据与变频器的额定电压

2、和额定电流相匹配 的电机运行在其标称工作点的数据来计算的。为了计算该额定点的效 率100 ，必须明确变频器输出端的有功功率POut-100 和变频器的功率损耗 PL-100 。满载时，在 变频器 输出端 提供 的有功电功率 POut-100 是：采用脉冲边沿调制方式工作时，矢量控制模式下的变频器输出电压VOut-100 几乎等于输入侧的进线电源电压V Line 。输出电流 IOut-100 是变频器的额定输出电流 IOut-rated ，功率因数 cos Mot 是电机的功率因数， 该电机的额定电压和额定电流与变频器的额定数据相匹配，并在其标 称工作点工作。因此，满载时，变频器输出端的有功功率

3、为 ：变频器在满载时的功率损耗PL-100 是变频器装置的特定值，一般都可以在相关的样本或手册中找到。根据输出有功功率 POut-100 和功率损耗 PL-100 ，变频器在满载时的效率 为：该公式可用于单独计算变频器的满载效率，该效率与进线电压和所连接电机的功率因数有关。如果根据典型功率因数 cos Mot =0.88 （功率范围为 100kW 至1000kW 的 4 极异步电动机）计算变频器的效率，则可获得以下西门 子变频器满载时的典型效率值供参考：? S120 基本整流满载效率典型值为 99%? S120 回馈整流满载效率典型值为 98.5%? S120 有源整流满载效率典型值为 97.

4、5%? S120 逆变单元满载效率典型值为 98.5%? G130/G150 变频器在满载且脉冲频率为出厂设定值时的效率典型值为97.7-98.3%? S150 有源整流变频器在满载且脉冲频率为出厂设定值时的效率典型值 为 96-96.5%2.4.2 变频器非满载时的效率变频器样本或手册中给定的总功率损耗 PL-100 是变频器在满载下的最 大值，正常情况下，损耗相应会低一些。总功率损耗 PL-100 有三个不同的功率损耗分量：? 固定功率损耗（不考虑负载条件）? 电流相关的功率损耗（与输出电流成比例）? 功率相关的功率损耗（与有功输出功率成比例）固定功率损耗 PL const 与负载无关：

5、PL const =k const *P L-100固定功率损耗 在所有的各类整流、 逆变和变频器中都存在， 它们包括风 扇和风扇变压器的功率损耗，由电容漏电流和平衡电阻中的电流引起的直流母线的功率损耗，以及线路板（印刷电路板）中的功率损耗。电流相关的功率损耗 与输出电流 IOut = 电机电流 IMot 成正比，并细分为：a ）电流相关的传导损耗 PL-I-CON ：它们存在于所有的变频器或逆变器中，主要包括逆变器中功率半导体IGBT 的导通损耗， 与输出电流 = 电机电流成正比。 公式中 IOut /I Out-rated 确定了 变频器 在部分负载时的输出电流 IOut 与满载时的额定电

6、流 I Out-rated 之间的关系。b ）电流相关的开关损耗 PL-I-Switch :它们存在于所有的变频器或逆变器中，主要包括逆变器中功率半导体IGBT 的开关损耗，就像电流相关的传导损耗一样，与输出电流= 电机电流成比例。此外，它们还取决于在部分负载时的直流母线电压VDC和脉冲频率 fp 。 VDC-rated 是额定或参考的直流母线电压，f p-rated 是工厂设定的脉冲频率。 公式中 IOut /I Out-rated 确定了变频器在部分负载时的 输出电流 I Out 与满载时的额定电流 IOut-rated 之间的关系。功率相关的功率损耗 与有功输出功率成正比，并细分为：a）

7、功率相关的传导损耗 PL-P-Con ： 它们存在于各类整流和所有的变频器中，包括进线侧整流器中功率半导体的传导损耗，并且与有功输出功率成正比。公式中POut /P Out-100 确定了变频器在部分负载时的有功输出功率 POut 与满载时的有功输出功率 POut-100 之间的关系。的 开 关 损 耗P L-P-Switch他们存在于有源整流及有源整流变频器，包含进线侧整流中功率模块V DC 。V DC-ratedIGBT 的开关损耗。 并且与功率相关的传导损耗一样， 与有功输出功率 成正比。此外，它们还取决于部分负载时的直流母线电压是额定或参考直流母线电压。公式中POut /P Out-1

8、00 确定了部分负载时的有功输出功率 POut 与满载时的有功输出功率POut-100 之间的关系。上述方程式中应用的常数， 即 kconst 、k I-Con 、k I-Switch 、k P-Con 和 k P-Switch ， 定义了在满载条件下总功率损耗PL-100 划分为的不同功率损耗分量，这些常数是特定于变频器设备的。部分负载时的总功率损耗 PL 对应于所有功率损耗分量的总和， 如下所 示：部分负载时的效率 是由总功损耗 PL 和有功输出功率 POut 计算出来的， 如下所示：任何部分负载点的功率损耗和效率都可以根据上述方程式计算，只需 相对较少的变频器特定常数和部分负载时的少量电

9、气参数， 如下所示：?变频器特定常数 k const ， k I-Con ， k I-Switch ， k P-Con 和 k P-Switch? 变频器满载总功率损耗 PL-100 （查询相关样本或手册）?脉冲频率 f p? 直流母线电压 V DC?输出电流 IOut （=电机电流 IMot ）以额定输出电流 IOut-rated 为基准? 有功输出功率 POut 以满载时的有功输出功率 POut-100 为基准 以下举例说明如何计算功率损耗或者效率。2.4.3 基本整流在非满载时的效率举例以西门子 S120 基本整流 BLM 为例， BLM 不考虑进线电抗的总功率 损耗包括以下功率损耗分量

10、（回馈整流也一样，有源整流多了一项功 率相关的开关损耗）：?固定功率损耗?功率相关的传导损耗则基本整流 BLM 的效率公式如下：其中 Pout =V DC *I DC =1.32V Line *IDC如果我们现在将功率损耗 PL-100-BLM 替换为满载时的有功电输出功率 POut-100 和效率 100-BLM根据下式，我们得到了在任意给定部分负载时的效率 BLM 作为有功输 出功率比 Pout /P out-100 的函数根据该方程， 在部分负载范围内的效率仅与常数kconst-BLM （风冷 0.2 ，水冷 0.1 ）和 kP-Con-BLM （风冷 0.8 ，水冷 0.9 ），以及满

11、载效率 100-BLM 和有功输出功率比 Pout/Pout-100 有关。因此一旦确定了 BLM 在满 载时的效率，就可以使用上述公式在任何给定的部分负载点（即任何 有功输出功率值）执行直接分析效率计算。下图显示了风冷和液冷 S120 基本整流模块在部分负载时的效率。计 算基于满载时的典型效率 99% 。效率表示为 BLM 提供给所连接的S120 逆变模块的有功输出功率比POUT /P OUT-100 的函数。2.4.4 逆变单元在非满载时的效率举例以西门子 S120 逆变单元 / 电机模块为例，电机模块的总功率 PL-MoMo 损耗包括以下功率损耗分量：?固定功率损耗?电流相关的传导损耗

12、?电流相关的开关损耗电机模块的效率 MoMo 计算公式如下：其中：为了简化计算，我们做如下假设：? 直流母线电压 V DC 等于额定或参考直流母线电压V DC-rated 。?脉冲频率 fP 等于出厂设定的脉冲频率fP-rated 。?电机仅在低于额定转速的恒定磁通范围内运行。 由于在电机的恒定磁通范围内， 电机模块的输出电压 V Out 与电机模块 的输出频率 f Out 成正比，因此电机模块的有功输出功率比计算公式如 下：V line 。其中 f Out-rated 是在电机模块上运行的电机的额定频率，在该频率下输 出电压 V Out 达到电机的额定电压。 在矢量控制模式下工作并利用脉冲

13、边沿调制的驱动器上，这实际上等于线电压如果我们现在将电机模块在满载时的功率损耗PL-100-MoMo 替换为有功输出电功率 POut-100 和效率 100-MoMo那么我们可以推导出部分负载时电机模块的效率公式如下，他与输出 电流比 IOUT /I OUT-rated 和输出频率比 fOUT /f OUT-rated 是函数关系 :根据该公式，在部分负载时的效率仅取决于特定逆变模块常数k const-MoMo （风冷 0.2 ，水冷 0.05 ）， k I-Con-MoMo （风冷 0.55 ，水冷0.65 ），k I-Switch-MoMo （风冷 0.25 ，水冷 0.3 ），以及满载效

14、率 100-Momo ， 输出电流比 IOUT /I OUT-rated 和输出频率比 fOUT /f OUT-rated 。所以一旦确 定了 S120 电机模块的满载效率，就可以使用上述公式在任何给定的部分负载点（即任何输出频率或输出电流）进行直接效率计算。下图显示了用于恒转矩驱动的风冷S120 电机模块的部分负载效率。计算基于满载时 98.5% 的典型效率。效率用两种不同的方式表示。在一个图表中，效率以输出电流为参数表示为输出频率的函数，在第二个图表中，效率以输出频率为参数表示为输出电流的函数。上图显示了恒转矩驱动的效率特性曲线，他是输出频率比 fOut /f OUT-rated （与电机

15、转速比 n/n rated 成正比） 的函数 。曲线族的参数 是输出电流比 IOut /I OUT-rated ，它与电机转矩比 M/M rated 成正比。上图显示了恒转矩驱动效率与输出电流比IOUT /I OUT-rated （与电机转矩比 M/M Rated 成正比）的函数关系的特性曲线。曲线族的参数为输出 频率比 fOUT /f OUT-rated ，他与电机速比 n/nrated 成正比。2.4.5 变频器在非满载时的效率举例以西门子 G150/G130 变频器为例，变频器的总功率损失包含以下分 量：?固定功率损耗?电流相关的传导损耗 ?电流相关的开关损耗?功率相关的传导损耗 ?进线

16、电抗器损耗，如果安装的话。为了简化计算，我们做如下假设：? 公式仅适用于西门子 G150/G130 风冷变频器。 ?变频器不配置进线电抗器。? 直流母线电压 V DC 等于额定或参考直流母线电压V DC-rated?脉冲频率 fP 等于出厂设定的脉冲频率 fP-rated 。 ?电机仅在低于额定转速的恒定磁通范围内运行。忽略推导过程，我们可以得到如下效率计算公式：根据该公式，在部分负载时的效率仅取决于G150/G130 常数 kconst风冷 0.15 ），k I-Con （风冷 0.44 ），k I-Switch （风冷 0.21 ），k P-Con （风 冷 0.2 ） ，以及满载效率 1

17、00 ，输出电流比 IOUT /I OUT-rated 和输出频率比 fOUT /f OUT-rated 。对于采用 G130 或 G150 变频器的驱动，一旦确定满 载变频器效率，就可以使用上述公式在任何给定的部分负载点（即任何输出频率或输出电流）进行直接效率计算。恒转矩工况： 下图根据上面的公式显示了 G130 和 G150 变频器对于恒转矩驱动的 部分负载效率。计算基于满载时的典型效率 98% 。效率用两种不同的 方式表示。在第一个图表中，效率以输出电流为参数表示为输出频率 的函数，在第二个图表中，效率以输出频率为参数表示为输出电流的 函数上显示了恒转矩驱动的效率特性曲线，它是输出频率比

18、f out /f out-rated（与电机速度比 n/n rated 成正比）的函数。曲线族的参数是输出电流比I out /I out-rated ，与电机转矩比 M/M rated 成正比。显示了恒转矩驱动的效率特性曲线，他是输出电流比I OUT /I OUT-rated与电机转矩比 M/M Rated 成正比）的函数。曲线族的参数为输出频 率比 f OUT /f OUT-rated （与电机速比 n/n rated 成正比）。平方转矩工况在具有平方负载特性 Mn 2的驱动中， 电机转矩 M 与电机速度 n 之间 存在固定关系， 因此变频器输出电流比IOUT /I OUT-rated 与变频器输出频率比 fOUT /f OUT-rated 之间也存在固定关系，可以推导出如下公式下面三个图根据上面三个公式显示了 G130 和 G150 变频器对于具有 平方负载特性 Mn 2 的驱动器在部分负载时的效率。计算基于满载时 的典型效率 98% 。效率用三种不同的方式表示