變頻器節(jié)能效率計算

1、概述在許多情況下, 使用變頻器的目的是調(diào)速, 尤其是對于在工業(yè)中大量使用的風扇、鼓風機和泵類負載來說, 設計選型往往以最大工況來選。與實際的工況存在較大的可調(diào)整空間。在運行中根據(jù)實際運行需要，按照流量、楊程等調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，從而改變電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)上利用擋板和閥門進行的流量和揚程的控制, 節(jié)能效果非常明顯。同時分析變頻器在選型、應用中的注意事項。1變頻調(diào)速原理三相異步電動機轉(zhuǎn)速公式為:n=60fp(1-s)式中：n-電動機轉(zhuǎn)速，r/min； f-電源頻率，Hz； p-電動機對數(shù) s-轉(zhuǎn)差率, 從上式可見交流電動機的調(diào)速可以概括為改變極對數(shù)，控制電源頻率以及通過改變參數(shù)如

2、定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓等使電機轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化等幾種方式。變頻器效率維持在94%96%，變頻調(diào)速是一種高效率、高效能的調(diào)速方式，使異步電動機在整個工作范圍內(nèi)保持正常的小轉(zhuǎn)差率下運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)無極平滑調(diào)速。1.1變頻工作原理異步電動機的額定頻率稱為基頻，即電網(wǎng)的頻率，在我國為50Hz。電機定子繞組內(nèi)部感應電動勢為U1E1=4.44f1Nk11式中E1-定子繞組感應電動勢，V；1-氣隙磁通，Wb；N-定子每相繞組匝數(shù)；f1-基波繞組系數(shù)。在變頻調(diào)速時，如果只降低定子頻率f1，而定子每相電壓保持不變，則必然會造成1增大。由于電機制造時，為提高效率減少損耗，通常在U1=Un，f1=fn時，電動機主磁路接近飽和，

3、增大1勢必使主磁路過飽和，將導致勵磁電流急劇增大，鐵損增加，功率因素降低。若在降低頻率的同時降低電壓使E1f1保持不變則可保持1不變從而避免了主磁路過飽和現(xiàn)象的發(fā)生。這種方式稱為恒磁通控制方式。此時電動機轉(zhuǎn)矩為T=m1pf12r2s+sx22r2E1f12式中T-電動機轉(zhuǎn)矩，N.m； m1電源極對數(shù)； p磁極對數(shù)； s轉(zhuǎn)差率； r2轉(zhuǎn)子電阻； x2轉(zhuǎn)子電抗；由于轉(zhuǎn)差率s較小，r2s2x22則有Tm1pf12r2sE1f12=kf1s其中k=m1p2r2E1f12由此可知：若頻率f1保持不變則Ts；若轉(zhuǎn)矩T不變則s1f1；電動機臨界轉(zhuǎn)差率smr2x2=r22f1L2=Cf1 其中C=r22L2電

4、動機最大轉(zhuǎn)矩Tm=m1pf1412f1L2E1f12=常數(shù)最大轉(zhuǎn)速降nm=smn1=Cf160f1p=60p=常數(shù)由此可知：保持E1f1=常數(shù)，最大轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩處的轉(zhuǎn)速降落均等于常數(shù)，與頻率無關(guān)。因此不同頻率的各條機械特性曲線是平行的，硬度相同。1.2風機、泵負載特性以風機、泵類為代表的二次方減轉(zhuǎn)矩負載即轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比。如圖所示，在低轉(zhuǎn)速下負載轉(zhuǎn)矩非常小。風機、水泵的負載特性如下n1n2=Q1Q2n1n22=H1H2=T1T2n1n23=P1P2式中Q1Q2風量、流量，m3s；H1H2風壓，Pa；T1T2軸功率，kW；P1P2負載轉(zhuǎn)矩，N.m；n1n2轉(zhuǎn)速，rmin。從上式可知，風機風

5、量、泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比；風機風壓、泵的楊程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比；風機、泵的軸功率與轉(zhuǎn)速、風機風量、泵流量的三次方程正比；風機、泵的軸功率在速度不變時與風機風壓、泵楊程成正比。按離心式泵功率選擇電動機P=kQ(H+H)/c×10-3式中P離心式泵電動機功率，kW；液體密度，kg/m3；Q泵的出水量，m3s；H水頭，m；H主管損失的水頭，m；水泵效率，約為0.60.84;c傳動效率，與電動機直連時取c=1；K裕量系數(shù)，與功率有關(guān)。當管道長、流速高、彎頭與閥門數(shù)量多時，裕量系數(shù)適當增大。由于風機、泵的容量是按最大風量及風壓、流量及楊程確定的，與實際需要存在較大的可調(diào)整空間，按照風量、風壓

6、、流量、楊程等調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，從而改變電動機的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩達到節(jié)能效果。如下圖，曲線1是閥門全部打開時供水系統(tǒng)的阻力特性，曲線2是額定轉(zhuǎn)速時泵的楊程特性；此時供水系統(tǒng)的工作點位A，流量為Qa，楊程為Ha；電動機的軸功率與O-Qa-A-Ha-O面積成正比。如果要將流量減少為主要的調(diào)節(jié)方式有兩種：1） 傳統(tǒng)的方法是保持電動機轉(zhuǎn)速不變，將閥門關(guān)小，此時阻力特性曲線如圖3所示，工作點移至B點，流量為Qb，楊程為Hb；電動機的軸功率與面積O-Qb-B-Hb-O成正比。2） 閥門的開度不變，降低電動機的轉(zhuǎn)速，此時楊程特性如曲線4所示，工作點移至C點，流量仍為Qb，但楊程為HC；電動機的軸功率為O-

7、Qb-C-HC-O成正比。由此可見當需求量下降時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約大量能源。之所以變頻比變閥門開度節(jié)能，因為在改變流量的同時對壓力沒有要求，也就是說改變流量的同時允許改變 壓力。變頻調(diào)速改變流量的同時，壓力也在改變。流量減少，壓力也在減小，功率等于壓力與流量的乘積，功率在雙倍減小；而改變閥門開度的同時，流量減少，壓力基本沒有變，甚至增加。功率在單倍減小，因此變頻比變閥門開度消耗的功率少，節(jié)省能量。2變頻器的選型和應用變頻器分為通用型（G）和風機、水泵專用型（P），應根據(jù)負載進行選擇。通常變頻器以適用的電機容量（kW）、輸出容量（kVA）、額定輸出電流（A）表示。其中額定電流為變頻器允許的最大連

8、續(xù)輸出電流的方均根值，不能長期超出此連續(xù)電流值。不同廠家的電動機、不同系列的電動機、不同極數(shù)的電動機，即使同一容量等級，其額定電流也不盡相同。由于變頻器輸出中包含諧波成分，其電流有所增加，應適當考慮加大容量。一般風機、泵類負載不宜在低于15Hz以下運行，如果確實需要在15Hz以下長期運行，需要考電動機的允許溫升，必要時采用外置強迫風冷措施。如果電動機的啟動轉(zhuǎn)矩能滿足要求，宜選用變頻器的降低轉(zhuǎn)矩Uf模式，以獲得較大的節(jié)能效果。用變頻器傳動電動機與用正弦波傳動的電動機相比，由于變頻器輸出波形中含有高次的影響，電動機的功率因素，效率均將惡化，溫度升高。另一方面，變頻傳動要得到與工頻傳動同樣的轉(zhuǎn)矩，變

9、頻器輸出電流的基波方均根值通常要等于工頻電源的方均根值。變頻器輸出電流由基波電流與高次諧波電流疊加合成。因此，變頻器傳動時的基本特性將不同于工頻傳動。利用電機的等值電路可求得空載電流為I0=I012+I0h2式中I0空載電流，A；I1定子空載基波電流，A；I0h定子空載h次諧波電流，A。上式表明，變頻傳動比工頻傳動的空載電流要大，其中，定子、轉(zhuǎn)子銅損和與載波率有關(guān)的鐵損是高次諧波引起鐵損耗增大的主要原因。高次諧波引起的損耗與負載的大小無關(guān)，大體上與空載一致，基本為一定值。因此，負載越輕，諧波損耗增加的影響越大，以功率因素降低，效率下降，溫升升高。通常電動機額定運行（輸出額定電流、頻率及功率）時

10、，變頻器供電的電動機電流比工頻供電的電動機電流增加約5%10%，溫升增加20%。因此變頻器供電時普通電動機不宜在額定頻率下滿載運行。3結(jié)束綜上所訴，變頻調(diào)速在實際生產(chǎn)中有著無可比擬的先天優(yōu)勢。變頻調(diào)速有以下的的優(yōu)點： 1、調(diào)速效率高。這是由于在頻率變化后，電動機仍在同步轉(zhuǎn)速附近運行，基本保持額定轉(zhuǎn)差。 2、調(diào)速范圍寬。一般可達20:1，并在整個調(diào)速范圍內(nèi)具有高的調(diào)速效率。所以變頻調(diào)速適用于調(diào)速范圍寬，且經(jīng)常處于低負荷狀態(tài)下運行的場合。 3、機械特性較硬。在無自動控制時，轉(zhuǎn)速變化率在5%以下；當采用自動控制時，能做高精度運行，把轉(zhuǎn)速波動率控制在0.5%|1%左右。 4、能兼作啟動設備。即通過變頻電源將電動機啟動到某一轉(zhuǎn)速，再斷開變頻電源，電動機可直接接到工頻電源使泵或風機加速到全速。5、