变频器节能效率计算

1、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： 60? ?= ?(1- ?) 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

2、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50Hn电机定子绕组内部 感应电动势为 ?1 ?i = 4.44?i?i?i 式中?i-定子绕组感应电动势，V; ?i-气隙磁通，Wb ?-定子每相绕组匝数； ?i-基波绕组系数。 在变频调速时，如果只降低定子频率？?1，而定子每相电压保持不变，则必然会造成 ?i 增大。由于电机制造时，为提高效率减少损耗，通

3、常在？?1 = ?，?1 = ?时，电动机 主磁路接近饱和，增大？i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？?i?i保持不变则可保持?i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 ?1 ?1 2n （箸 + ? ?1 （初） 式中T-电动机转矩，N.m； ?1 电源极对数; ?磁极对数; ?转差率; ?2 转子电阻; ?2转子电抗; 由于转差率？?较小，（？?2?）2?2则有 其中?= ?彳？ ？彳 2n ?2?/ ?1 ?1 ?1 =?*? 电动机临界转差率 由此可知：若频率？?1保持不变

4、则T *S；若转矩T不变则s * 1?1； ? ?2= 2n ?1?盘=?1 其中C = 2n ? 2 电动机最大转矩?=?丁?二？爲2（笔）=常数 最大转速降? = ?1 = ? ?- = ?=常数 由此可知：保持？?1?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。 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 ?1 ?2 = ?1 ?2 (?1?2)2= ?1?2 = ?1 ?2 (?1?2)3= ?1?2 式中?

5、1?2风量、流量，？?3?； ?i?2风压，Pa； ?1?2轴功率，kW ?1?2负载转矩，N.m； ?i?2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 P=k丫 Q(H+?H)/nn ? x 10-3 式中P离心式泵电动机功率，kW 丫一液体密度，kg/?3； Q泵的出水量，r?2r?； h水头，m ?h-主管损失的水头，m n 水泵效率，约为 0.6 0.84; n ?传动效率，与电动机直连时取n

6、 ?=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0- ?-A- ?-0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

7、至B点，流量为？?，杨程为？?；电动机的轴功率与面积 0-?-B-?-0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 0-?-C-?-0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

8、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。如果电动机的启动转矩

9、能满足 要求，宜选用变频器的降低转矩？?模式，以获得较大的节能效果。 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 ?o = V?0i + 刀?為? 式中?o空载电流，A; ?i定子空载基波电流，A; ?o?定 子空载h次谐波电流，Ao 上式表明，变频传动比工频传动的空载电流要

10、大， 其中，定子、转子铜损和与载波率有 关的铁损是高次谐波引起铁损耗增大的主要原因。高次谐波引起的损耗与负载的大小无关， 大体上与空载一致，基本为一定值。因此，负载越轻，谐波损耗增加的影响越大，以功率因 素降低，效率下降，温升升高 通常电动机额定运行（输出额定电流、频率及功率）时，变频器供电的电动机电流比工 频供电的电动机电流增加约 5%10%温升增加20%因此变频器供电时普通电动机不宜在 额定频率下满载运行。 3结束 综上所诉，变频调速在实际生产中有着无可比拟的先天优势。变频调速有以下的的优 占： 八、 1、调速效率高。这是由于在频率变化后，电动机仍在同步转速附近运行，基本 保持额定转差。 2、调速范围宽。一般可达20:1，并在整个调速范围内具有高的调速效率。所以 变频调速适用于调速范围宽，且经常处于低负荷状态下运行的场合。 3、机械特性较硬。在无自动控制时，转速变化率在5%以下；当采用自动控制时， 能做高精度运行，把转速波动率控制在 0.5%卜1%左右。 4、能兼作启动设备。即通过变频电源将电动机启动到某一转速，再断开变频电 源，电动机可直接接到工频电源使泵或风机加速到全