变频器的节能原理

变频调速节能装置的节能原理

1、变频节能

由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）H（压力），流量Q

与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与

转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降

时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。

即水泵机电的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水

泵机电功率为55KW,当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为

28.16KW,省电48.8%,当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为

6.875KW,省电87.5%.

2、功率因数补偿节能

无功功率非但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的

降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在路线之中，

设备使用效率低下，浪费严重，由公式P=SXCOS①，Q=SXSINO,

其中S一视在功率，P一有功功率，Q—无功功率，COS中一功率因数，可

知COS中越大，有功功率P越大，普通水泵机电的功率因数在0.6-

0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，

COS中从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

3、软启动节能

由于机电为直接启动或者Y/D启动，启动电流等于（4-7）倍额定电

流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电

网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损

害极大，对设备、管路的使用寿命极其不利。而使用变频节能装置

后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不

超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了

设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。

在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载，

占整个用电设备能耗的40%摆布，电费在自来水厂甚至占制水成本

1

的50%。这是因为：一方面，设备在设计时，通常都留有一定的余

量；另一方面，由于工况的变化，需要泵机输出不同的流量。履着

市场经济的发展和自动化，智能化程度的提高，采用高压变频器对

泵类负载进行速度控制，非但对改进工艺、提高产品质量有好处，

又是节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋势。对泵

类负载进行调速控制的好处甚多。从应用实例看，大多已取得了较

好的效果（有的节能高达30%-40%）,大幅度降低了自来水厂的制水

成本，提高了自动化程度，且有利于泵机和管网的降压运行，减少

了渗漏、爆管，可延长设备使用寿命。

1,泵类负载的流量调节方法及原理

泵类负载通常以所输送的液体流量为控制参数，为此，目前常

采用阀门控制和转速控制两种方法。

1.1阀门控制

这种方法是借助改变出口阀门开度的大小来调节流量的。它是

一种相沿已久的机械方法。阀门控制的实质是改变管道中流体阻力

的大小来改变流量。因为泵的转速不变，其扬程特性曲线H-Q保持

不变，如图1所示。由于在变频器的直流环节采用了电感元件而得

名，其优点是具有四象限运行能力，能很方便地实现机电的制动功

能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流，装置结构复杂，调整较为

艰难。此外，由于电网侧采用用控硅移相整流，故输入电流谐波较

大，容量大时对电网会有一定的影响。

当阀门全开时，管阻特性曲线RI-Q与扬程特性曲线H-Q相交

于点A,流量为Qa,泵出口压头为Ha。若关小阀门，管阻特性曲线

变为R2—Q,它与扬程特性曲线H—Q的交点移到点B,此时流量为

Qb,泵出口压头升高到Hb。则压头的升高量为：AHb=Hb-Hao于是

产生了阴线部份所示的能量损失：APb=AHbxQbo

1.2转速控制

借助改变泵的转速来调节流量，这是一种先进的电子控制方法。

转速控制的实质是通过改变所输送液体的能量来改变流量。因为只

是转速变化，阀门的开度不变，如图2所示，管阻特性曲线RI—Q也

就维持不变。额定转速时的扬程特性曲线Ha-Q与管阻特性曲线相

交于点A,流量为Qa,出口扬程为Ha。

2

当转速降低时，扬程特性曲线变为He—Q,它与管阻特性曲线

RI-Q的交点将下移到C,流变为为Qc。此时，假设将流量Qc控制

为阀门控制方式下的流量Qb,则泵的出口压头将降低到He。因此，

与阀门控制方式相比压头降低了：AHc=Ha-Hco据此可节约能量为：

APc=AHcxQbo与阀门控制方式相比，其节约的能量为：

P=APb+APc=（AHb—AHc）xQb。

将这两种方法相比较可见，在流量相同的情况下，转速控制避

免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在流

量减小时，转速控制使压头反而大幅度降低，所以它只需要一个比

阀门控制小得多的，得以充分利用的功率损耗。

1.3泵机在变速下的效率分析

随着转速的降低，泵的高效率区段将向左方挪移。这说明，转

速控制方式在低速小流量时，仍可使泵机高效率运行。

2在变频状态下供水方式的研究

在由多点、多泵站构成的供水系统中，需对泵站出口的压头进

行控制，以便与管网系统适配，达到更好的系统性能指标，这可以

分为恒压供水、变压供水和分时段变压供水。

2.1恒压供水

使泵站出口压头维持不变，是该系统控制的目标。在图4中，

给定出口压头为Hgc

当流量Q变动时，因转速变化导致扬程特性Hl—Q上下挪移，

泵的工作点将在H=Hg线上作水平挪移（A、B、C、D）。这虽然满足

了流量的要求，但因为管阻特性R变陡，造成了能量浪费。

恒压供水系统实施比较方便，易于和多泵站供水的中、大型管

网系统相协调，具有一定的通用性，和实用性，所以目前有些装备

调速泵机的自来水厂乐于采用此法，在恒压控制方式下，因泵站出

口处的压头维持不变，使泵并联特性与负载的实际特性之间有一定

的差距，节能效果不如变压供水系统。

2.2变压供水方式

为了节约能量，应尽量使出口压头随着流量的减小而降低（至少

不能升高），此时可采用泵站出口端“变压供水”方式，如图5所示。在

图中，因转速下降时扬程特性下移，与管阻特性RI-Q相交于点

3

C,流量从Qa减小到Qc（设流量Qc与恒压控制时的QB相等）。变

压控制形成为了较大的压差H二Hac,于是可节约如图5阴线部份所

示的能量。变压供水因出口压头降低，抑制了管阻特性变化所赞成

的损耗及水泵的附加损耗，节能效果显著。

3总结

通过分析，变频器在泵类负载的调速过程中，是可以供水

方式进行优化的，已达到更好的节电效果。

总结：

1、变频不是到处可以省电，有不少场合用变频并不一定能省电。

2、作为电子电路，变频器本身也要耗电（约额定功率的3-5%）。一

台1.5匹的空调自身耗电算下来也有2P30W,相当于一盏长明灯.

3、变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前提条件

是：第一，大功率并且为风机/泵类负载；第二，装置本身具有节电功能（软件

支持）；第三，长期连续运行。这是体现节电效果的三个条件。除此之外，无

所谓节不节电，没有什么意义。如果不加前提条件的说变频器工频运行节能,

就是夸大或者是商业炒作。知道了原委，你会巧妙的利用他为你服务°一定

要注意使用场合和使用条件才好正确应用，否则就是盲从、轻信而“受骗上当”

O

变频调速节能量的计算方法

一、

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，高效的电动机时常在低效状态下

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

4

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先后的功率因数基木相同，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5〜10%,风压裕度为10%和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，这两种调速方式效率较低，而且，转速

越低，效率也越低。由于机电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

能是艰难的，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%摆布,那就意味着占全国用电量的30%o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%计算，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

5

流调节，增加了管路的阻尼，机电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:

Q

PL=0.45+0.55工月6印）⑴

式中，板一额定溢量时电机输入功率KV-

QN一额定流量，

若流量的调节范围（0.5-1）QN，则节电率为：一

(2)

PLPL

从（1）式分析，节流调节时，Q<0,则Q[QL的比值一般是小于1的分数，其（Q/0Q2

的值比。/。工更小，与。.55的乘积仍小于0.55,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.当挡板或阀门全关时，风机、泵类空载运行，消耗的功率最少，最

小等于045月；（2）则表明采用变频调速后.电机消耗的功率与实际流量和额定流量比值

的三次方成正比，即月（金/，再与采用挡板调节流量对应电机输入功率PL相减后再除以

PL,得电机在节流调节消耗的功率基础上计算的节能率.用相似性原理P8n3计算节能时，

6

也应先计算原系统节流调节时消耗的电能，再与系统变频调速后消

耗的电能相减，这不正好是(2)式份子的表示式。因此，要准确地计算

节能，还需使用(1)式计算系统节流调节时消耗的电能。

2、恒转矩类负载的调速节能

对恒转矩类负戟，有“

P=一(3)，

L9550

电机的输入功率与转速的一次方成正比，采用变频调速后节省的功率可由:式计邕,

节电率*/

4%

百一月=弛二效=%二9(5).

1295509550

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.二

恒转矩负载变频调速普通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、绕线式机电转子串

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，节能率也是很可观的。

3、电磁调速系统

电磁调速系统由鼠笼异步机电、转差离合器、测速机电和控制装

置组成,通过改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份的风阻磨擦损耗及从动部份的机械磨擦损所产

生的。如果考虑这些损耗与转差离合器的激磁功率相平衡，且忽稍不计

的话，转差离合器的输入输出功率可由下式计算：

7

电动机轴输出功率，

Pifq(6)

式中，L—电动机的输出转矩，

电动机的输出轴转速，

转爰离台器轴看出功率*

PE丹⑺

式中，工一转差离合器的输出转矩+

%一转差茗合甥的输出轴转速,

电动机的输出功率，即为转爰离合器的输入功率.对于恒转矩负戟，T，T1-T「常效,

所以，转差离合器的效率：，

_鸟_Z^2_n

〃二万=石厂=-2(8)其效习Z正比于输出转

速，输出居大转速时其效率理论值为85%.，

转差率可按下式计8t，

则纵〃=1-S~

可见在恒特负就下，转差离合器的效率正比于输出转速.当转速下降时,输出功率成比

例下降，而输入功率基本保持不变,此时损耗功率再与转差损耗成正丁*邙，即，，

■=耳一马='$=耳,-?2(]0)d

nl

8

电磁调速机电为鼠笼式机电，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠

笼式机电的功率保持不变。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)可以清晰看到，电磁调速机电的转速越低，

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，后者用于机电的起动，系统中的液力偶合器在机电

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：

9

其效率也是正比于输出转速，输出最大转速时其效率理论值为95%.当转速下降时，

输出功率成比例下降，而输入功率保持不变，此时损耗功率5与转差损耗成正比增加，即,

区=耳-8=百$=耳冬」巨(12)〃

同样，用(12)式可计算将液力提合器调速改造为变频调速后的节能量.”

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，计算节能量是比较艰难的，往

往希翼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“算节能量，投入和收益也就一目了然了。

例h有一电机4极刖=55kW,驱动风机，风机的实际风篁Q与嵌定风量之比Q/QN

为08现采用变频器调速，求节电率./

(0.8)"

由(2)式&=1---------1一人=1_0.64=036.

0.45+0.55(0.8)2

节电率为36%.土___________________________________________

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先后的功率因数基本相

同，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

器投入先后，其功率因数可能是不同的，因此，计算的节能量是否考虑

变频器调速先后的功率因数的变化呢？

正弦电路中，功率因数是由电压U与电流I之间的相位角差决定

的。在此情况下，功率因数常用表示。电路中的有功功率P就是其平均

功率,即：

10

率因数常用COS0表示.电路中的有功功率P就是其平均功率，即：/

P■UIcosw

(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5()Hz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：

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

机补偿先后电流和损耗而言，不是指配电系统电流和损耗的实际变化。

提高功率因数后，配电系统电流的下降率为：〃

COSq\

(16)

COS%

式中：COS的-补偿前电动机的运行功至网数。

COS6-补偿后电动机端的功率因数，

配电系统损耗的下降率为：-

(17)

11

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

机补偿先后电流和损耗而言，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。

例2：有一台压料机，机电功率2(X)kW,安装在离配电房100多米

的地方，计量仪表电压表、电流表和有功电度表均在配电房。工频时电

机空载工作电流192A；加载时，机电工作电压356V,电流231A。由于

负载较轻，导致电动机的负载率和效率都较低。这时电动机的功率因

数可由下式计算：

动机的功率因数可由下式计茸：♦

呼J(18)

闻1

式中…

尸-对应于实测的电动机线电流【求得的负载率./

7一对应于实测的电动机妓电流I求得的效率.•

12

由(14)式计算COS牝=0.4,实测功率因数COS价=0.42.电机加载时消耗的有

功功率为Pi=J5356x231x0.42=59.82(励.一般情况下，压料机不需调速，接入变频器后仍

以50Hz的频率运行,这时实测功率因数为COS供=0.93,空载时，输入变频器电流仅36A；

加载时，输入变频器的电压383V,电流102Ao电机加载时消耗的有功功率为

P产后383x102x0.93=62.93(3。即加载状态下电机直接用市电供电时功率因数为0.42,有

功功率为59.82kw；使用变频器后功率因数为Q93,有功功率为62.93kw.由此可见，使用

变频器后，电机消耗的有功功率略有噌加，不但不节能反而耗能，其原因是变频器有少量能

耗。但是，线路上的电流已从231A减少到102A,100多米长的线路损耗大大减少，由(17)

式损耗下降率为：〜

0422

NP=(1-^)X100%=79.6%^

0.93T2

从配电房的电度表实测的结果还是节能，且节能在15飒上,一

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，这时的节能量应是路线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有着损耗。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

13

般为95%-96%,因此在计算变频调速节能时要将变频器的4%.5%的殒耗

考虑在内。如考虑了变频器的损耗本文例1中计算的节能率，就不是36%,

而应该为31%-32%,这样的计算结果与实际节能率更为接近。

五、结束语

普通情况下，变频器用于50Hz调速控制。不管是平方转矩特性负

载，还是恒转矩特性负载，调速才干节能，不调速在工频下运行是没有

节能效果的。有时系统功率因数很低，使用变频器后也有节能效果，这

不是变频调速节能，而是补偿功率因数带来的节能。本文所述的对变频

调速节能计算方法有极好的实用性。

1、根据已知风机、裒类在不同控制方式下的流量一负载关系曲线和现场

运行的负荷变化情况进行计算。

以一台IS15(H25~4(X)型离心泵为例，额定流2(X).16m3/h,扬程5()m；配

备Y225M4型电动机，额定功率45kW。泵在阀门调节和转速调节时的

流量一负载曲线。根据运行要求，水泵连续24小时运行，其中每天11小

时运行在9