变频器节能计算方法

1、变频调速节能量的计算方法一、概述据统计，全世界的用电量中约有 60%是通过电动机来消耗的。由于 考虑起动、过载、安全系统等原因，高效的电动机经常在低效状态下运 行，采用变频器对交流异步电动机进行调速控制，可使电动机重新回到 高效的运行状态，这样可节省大量的电能。生产机械中电动机的负载种 类千差万别，为便于分析研究，将负载分为平方转矩、恒转矩和恒功率 等几类机械特性，本文仅对平方转矩、恒转矩负载的节能进行估算。所 谓估算，即在变频器投运前，对使用了变频器后的节能效果进行的计算 预测。变频器一旦投运后，用电工仪表测量系统的节能量更为准确。现 假定，电动机系统在使用变频器调速前后的功率因数基本相同，

2、且变频 器的效率为95%在设计过程中过多考虑建设前，后长期工艺要求的差异，使裕量过 大。如火电设计规程SDJ-79规定，燃煤锅炉的鼓风机，引风机的风量裕 度分别为5%和510%风压裕度为10°% 10%15%设计过程中很难计算 管网的阻力，并考虑长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总把系 统的最大风量和风压裕量作为选型的依据，但风机的系列是有限的，往 往选不到合适的风机型号就往上靠，大 20%30的比较常见。生产中实 际操作时，对于离心风机、泵类负载常用阀门、挡板进行节流调节，则 增加了管路系统的阻尼，造成电能的浪费；对于恒转矩负载常用电磁调 速器、液力耦合器进行调节，这两种调速方

3、式效率较低，而且，转速越 低，效率也越低。由于电机的电流的大小随负载的轻重而改变，也即电机 消耗的功率也是随负载的大小而改变，因此要想精确地计算系统的节能 是困难的，在一定程度上影响了变频调速节能的实施。本文介绍用以下 的公式来进行节能的估算。二、节能的估算1、风机、泵类平方转矩负载的变频调速节能风机、泵类通用设备 的用电占电动机用电的50%左右,那就意味着占全国用电量的30%采用 电动机变频调速来调节流量，比用挡板、阀门之类来调节，可节电 20%50%如果平均按30%+算，节省的电量为全国总用电量的 9%这将 产生巨大的社会效益和经济效益。生产中，对风机、水泵常用阀门、挡 板进行节流调节，增

4、加了管路的阻尼，电机仍旧以额定速度运行，这时 能量消耗较大。如果用变频器对风机、泵类设备进行调速控制，不需要 再用阀门、挡板进行节流调节，将阀门、挡板开到最大，管路阻尼最小， 能耗也大为减少。节能量可用 GB12497三相异步电动机经济运行强 制性国家标准实施监督指南中的计算公式，即：能量可用GB12497三相异步电动机经济运行强制性国家标准实施监督指 南中的计算公式，即：(1)Pl-0.45 + 0.55 2 p 址歹)1幺丿式中：Pe-g$定流霾时电机輸入功率Qn额宦流量若流量的调节范围(0.5-1) Qn，则节电率为；亠Ki =(1)(1)0斗5+0 55从式分析,节流调节时，q <

5、;qlqiql的比值一股是小于1的分数，其(e/ex)3的值比Q/2更小，与的乘积仍小于即节流调节后，电机的负载变小了，消耗 的功率也比额定功率小-当捲板或阀门全关时，図机.泵类空载运行，消耗的功率最少，最 小等于0.45； (2)则表明釆用变频调速后，由机消耗的功率与实际流量和额定流壘比值册三次方戚正比，即马(卷尸，再与采用拦板调节流葩对应电机输人功率Pl相诚后再除以PL>得电机在糯调节消耗的功率基础上计算的节能率.用相钗性廉理FE计算节能时,也瞄计鵡系统惭调节时消耗的电紀 駛系统瑚调淒后消耗的电能相赢这不正好 是(2)式分子粽示式因此要准确地计算节能，还需瞬(1)式计算系统节毓调节时

6、 消耗的电能.X恒转拒类负载的调建觥对恒转駁负热有(1)(1)PbT占X- X9550(1)电购输入功咎繼的-後方咸正比采用变频调谨后节省的功丽由下式计聲迤旦k-险也(4)19550 - 9550槌率；“上生巴节省的功率与系统调速前后的速差成正比，速差越大，节能越显著。恒转矩负载变频调速一般都用于满足工艺需要的调速，不用变频调速就得采用其他方式调速，如调压调速、电磁调速、绕线式电机转子串电阻调速等。由于这些调速是耗能的低效调速方式，使用高效调速方式的变频调速后，可节省因调速消耗的转差功率，节能率也是很观的。3、电磁调速系统电磁调速系统由鼠笼异步电机、转差离合器、测速电机和控制装置组成，通 过改

7、变转差离合器的激磁电流来实现调速。转差离合器的本身的损耗是由主动部分的风阻？磨擦损耗及从动部分的机械磨擦损所产生的。如果考虑这些损耗与转差离 合器的激磁功率相平衡，且忽略不计的话，转差离合器的输入？输出功率可由下式计算：电动机轴输出功率(13)E E E式中P： -电动机输岀功率电动机转子电阻上消耗的转差功率式中：T2转差离合器的输出转矩n2 -转差离合器的输出轴转速电动机的输出功率，即为转差离合器的输入功率。对于恒转矩负载，T= T1 =T2=常数，所以，转差离合器的效率：(11)其散率也是正比于输出荐速，籀出最大转速时其效率理论值为巧-当转速下降时,输出功率成比例下降，而输入功率保持不变，

8、此时损耗功率PR与转差损耗成正比増加，即匕TI电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率保持不变。损耗以有功的形式表达出来，损耗功率通过转差离合器涡流发热并 由电枢上的风叶散发出去。由损耗功率公式（10）可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，浪费能源越大，然而生产机械的转速通常不在最大转速下运行，变频调速是一种改变旋转磁场同步速度的方法，是不耗能的高效调速方式，因此改用变频调速的方式会有非常好 的节能效果，节省的能量直接可用（10）式计算。4?液力偶合器调速系统液力偶合器是通过控制工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量，电动机通过液力偶合器的输入轴拖动其主

9、动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力偶合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载。液力偶合器有调速型和限矩型之分， 前者用于电气传动的调速，后者用于电机的起动， 系统中的液力偶合器在电机起动时起缓冲作用。由于液力偶合器的结构与电磁转差离合器类似，仿照电磁调速器效率的计算方法，可得：（13）式中*P.-电动机输出功率£ -电动机转子电阻上消耗的转差功率同样，用（12 ）式可计算将液力耦合器调速改造为变频调速后的节能量。5?绕线式电机串电阻调速系统绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调速，随着转子串接电阻 的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，

10、还可使电机反向旋转和改变电机的反向转速，因此这种调速方式在起重、冶金行业应用较多。对于绕线式电机，无论在起动？制动还是调速中，采用转子串电阻方式均会带 来电能损耗。这种损耗随着转速的降低，转差率S的增大而增大，另外，随着串接 电阻的增大，机械特性变软，难以达到调速的静态指标。绕线式电机输入的电磁功率为：(13)式中巴-电动机输出功率P -电动机转子电阻上消耗的转差功率PP-S)(14)丘=迂=3牙(尽十心)式中； 电动机转子每相的电流和电阻在(14)式中*若S-0.5,电筱功率有一半消耗在转子电阻(&+乩)上 调速系统飯率低于5Qb利用(14)式，只要知道电机运行的转速，就可方便地计算

11、绕绕式电机串接电阻调速消耗的电能，节能量的计算就非常简单了.当我们进行变频节能改造时，投入和收益是必须认真考虑的，收益就涉及到节 能量的计算，变频器未投运之前，计算节能量是比较困难的，往往希望有一种简单 实用的计算方法来进行节能的预测，有了以上的计算式计算节能量，投入和收益也就一目了然了。例1:有一电机4极Pe= 55KW驱动风机，风机的实际风量 Q与额定风量之比 Q/QN为0.8，现采用变频器调速，求节电率。由(2)式(0.8?0 45 + 055(0.8):= 1-0.64=0.36节电率为36%三、变频调速节能与系统功率因数的关系前已假定电动机系统在使用变频器调速前后的功率因数基本相同，

12、这样在计算节能时可不考虑系统功率因数的影响。 实际上，在变频器投入前后，其功率因数可 能是不同的，因此，计算的节能量是否考虑变频器调速前后的功率因数的变化呢？正弦电路中，功率因魏是由电压C与电流I之间的相位駕義送定的.在出率因馥常用8羽表示口电路中阐有功功率P就是耳平的功率，眼F = L7Z cos（15）用电度表进行计量检测实际的节能量时，电度表测量的就是电动机系统消耗的有功功率。若原电动机系统的功率因数较低，在使用变频器后以50Hz频率恒速运行，这时功率因数有所提高。功率因数提高后，电动机的运行状态并没有改变， 电动机消耗的有功功率和无功功率也没有改变。变频器中的滤波电容与电动机进行无功能

13、量交换，因此变频器实际输入电流减小，从而减小了电网与变频器之间的线损和供电变压器的铜耗，同时减小了无功电流上串电网。因此计算节能时，应考虑提高功率因数后的节能。提高功率因数后，配电系统电流的下降率为：（式中：-补偿前电动机的运行功率因数COS化-补偿后电动机端的功率因数配电系统损耗的下降率为;COS 91、COS配电系统的电流下降率和配电系统的损耗下降率都是对单台电动机补偿前后 电流和损耗而言，不是指配电系统电流和损耗的实际变化。下面举一个典型的事例。洌2-有一台压料机，电机功率安装在畜酉洼房100备关的地肓，计量仪夷电压表、电硫表和有功旦度表対在观电房.工频时电机空就工作电流192A1如翱巾

14、电机工作电压波巧电S 231A,曲于负载较轻导鉞电动机的负载率0和效率郴蹴低这时电 动机灼功率因数可曲=世计彈：COSp - （15）口苗UI式屯0-对应于卿I的朝鵬电遵I束触负我率，叩-对应于实测的电动机红电流1求得的由（14式廿算eg 二0.4实测昉率因数CO,®二电机加载时消耗的帀 功功率対P-3 35631x0,42-59.32 W. -gJISffl下E料机不需调谨揑入娈频器后 仍以EOKz酌濒率运行，这时冥测助率因数为COS塾=093.空載时角入变频器电匏仅 36A;加裁时，输入变频器的电压383V,电蛊102A.电机加就时消耗的有功功率為 PF 75 383k 102x

15、0* 93=62.93 （kr）.即加栽状态下电机直接用市电供电时功率因数为0.42, 有功功率59.82kw;使用变頻器后功率因数为0.93-有功功率为曲9此由此可见，便 用变频器后，电机消耗的有功功率略有増加，不也不节能反而耗能，其獵因是更频器有少童 能耗但是，线路上的电流已从箔1A减少到102A, 100多米长的线路损耗大大攝少，由（17） 趨耗下降率丸AP（l-）xlOO = '9 60.93*从配电房的电度表实测的结果还是节能，且节能在15鳩上。从本例看，如果单纯提高功率因数， 无须使用变频器，只需用电力电容进行就 地补偿，但倘若还要满足工艺调速的需要，使用变频器调速节能是最佳的节能方法， 这时的节能量应是线路上的能耗与变频调速节能之和。如果原电动机系统的功率因数较高，变频器投入后功率因数变化不大，可不考虑功率因数变化后线损的影响，就用本文中的（1）（ 14）进行计算节能。四、变频调速节能计算时需考虑变频器的效率GB12668定义变频器为转换电能并能改变频率的电能转换装置。能量转换过程中必然伴随着损耗。 在变频器内部，逆变器功率器件的开关损耗最大， 其余是电子 元器件的热损耗和风机损耗，变频器的效率一般为 95%-96%因此在计