變頻調(diào)速節(jié)能量的計(jì)算方法

1、變頻調(diào)速節(jié)能量的計(jì)算方法時(shí)間：2009-12-16 09:26:19 來源：工控網(wǎng) 作者：杜俊明一、概述      據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界的用電量中約有60%是通過電動機(jī)來消耗的。由于考慮起動、過載、安全系統(tǒng)等原因，高效的電動機(jī)經(jīng)常在低效狀態(tài)下運(yùn)行，采用變頻器對交流異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，可使電動機(jī)重新回到高效的運(yùn)行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。生產(chǎn)機(jī)械中電動機(jī)的負(fù)載種類千差萬別，為便于分析研究，將負(fù)載分為平方轉(zhuǎn)矩恒轉(zhuǎn)矩和恒功率等幾類機(jī)械特性，本文僅對平方轉(zhuǎn)矩恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的節(jié)能進(jìn)行估算。所謂估算，即在變頻器投運(yùn)前，對使用了變頻器后的節(jié)能效果進(jìn)行的

2、計(jì)算預(yù)測。變頻器一旦投運(yùn)后，用電工儀表測量系統(tǒng)的節(jié)能量更為準(zhǔn)確?，F(xiàn)假定，電動機(jī)系統(tǒng)在使用變頻器調(diào)速前后的功率因數(shù)基本相同，且變頻器的效率為95%。      在設(shè)計(jì)過程中過多考慮建設(shè)前，后長期工藝要求的差異，使裕量過大。如火電設(shè)計(jì)規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的鼓風(fēng)機(jī),引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕度分別為5%和510%，風(fēng)壓裕度為10%和10%15%，設(shè)計(jì)過程中很難計(jì)算管網(wǎng)的阻力，并考慮長期運(yùn)行過程中可能發(fā)生的各種問題，通?？偘严到y(tǒng)的最大風(fēng)量和風(fēng)壓裕量作為選型的依據(jù)，但風(fēng)機(jī)的系列是有限的，往往選不到合適的風(fēng)機(jī)型號就往上靠，大20%30%的比較常見。

3、生產(chǎn)中實(shí)際操作時(shí)，對于離心風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載常用閥門、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，則增加了管路系統(tǒng)的阻尼，造成電能的浪費(fèi)；對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載常用電磁調(diào)速器液力耦合器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這兩種調(diào)速方式效率較低，而且，轉(zhuǎn)速越低，效率也越低。由于電機(jī)的電流的大小隨負(fù)載的輕重而改變,也即電機(jī)消耗的功率也是隨負(fù)載的大小而改變，因此要想精確地計(jì)算系統(tǒng)的節(jié)能是困難的，在一定程度上影響了變頻調(diào)速節(jié)能的實(shí)施。本文介紹用以下的公式來進(jìn)行節(jié)能的估算。二、節(jié)能的估算1、風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻調(diào)速節(jié)能風(fēng)機(jī)、泵類通用設(shè)備的用電占電動機(jī)用電的50%左右,那就意味著占全國用電量的30%。采用電動機(jī)變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)流量，比用擋板閥門之類來調(diào)節(jié)，可節(jié)電2

4、0%50%，如果平均按30%計(jì)算，節(jié)省的電量為全國總用電量的9%，這將產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。生產(chǎn)中，對風(fēng)機(jī)水泵常用閥門、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，增加了管路的阻尼，電機(jī)仍舊以額定速度運(yùn)行，這時(shí)能量消耗較大。如果用變頻器對風(fēng)機(jī)泵類設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，不需要再用閥門、擋板進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)，將閥門、擋板開到最大，管路阻尼最小，能耗也大為減少。節(jié)能量可用GB12497三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督指南中的計(jì)算公式，即：也應(yīng)先計(jì)算原系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)消耗的電能，再與系統(tǒng)變頻調(diào)速后消耗的電能相減，這不正好是（2）式分子的表示式。因此，要準(zhǔn)確地計(jì)算節(jié)能，還需使用（1）式計(jì)算系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)消耗的電能。2、

5、恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載的調(diào)速節(jié)能恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載變頻調(diào)速一般都用于滿足工藝需要的調(diào)速，不用變頻調(diào)速就得采用其他方式調(diào)速，如調(diào)壓調(diào)速電磁調(diào)速繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等。由于這些調(diào)速是耗能的低效調(diào)速方式，使用高效調(diào)速方式的變頻調(diào)速后，可節(jié)省因調(diào)速消耗的轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能率也是很可觀的。3、電磁調(diào)速系統(tǒng)      電磁調(diào)速系統(tǒng)由鼠籠異步電機(jī)、轉(zhuǎn)差離合器、測速電機(jī)和控制裝置組成，通過改變轉(zhuǎn)差離合器的激磁電流來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)差離合器的本身的損耗是由主動部分的風(fēng)阻磨擦損耗及從動部分的機(jī)械磨擦損所產(chǎn)生的。如果考慮這些損耗與轉(zhuǎn)差離合器的激磁功率相平衡，且忽略不計(jì)的話，轉(zhuǎn)差

6、離合器的輸入輸出功率可由下式計(jì)算：電磁調(diào)速電機(jī)為鼠籠式電機(jī)，由于輸入功率和轉(zhuǎn)矩均保持不變，鼠籠式電機(jī)的功率保持不變。損耗以有功的形式表達(dá)出來，損耗功率通過轉(zhuǎn)差離合器渦流發(fā)熱并由電樞上的風(fēng)葉散發(fā)出去。      由損耗功率公式（10）可以清楚看到，電磁調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，浪費(fèi)能源越大，然而生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速通常不在最大轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，變頻調(diào)速是一種改變旋轉(zhuǎn)磁場同步速度的方法，是不耗能的高效調(diào)速方式，因此改用變頻調(diào)速的方式會有非常好的節(jié)能效果，節(jié)省的能量直接可用（10）式計(jì)算。4、液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)    

7、  液力偶合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動量矩變化，來傳遞電動機(jī)能量，電動機(jī)通過液力偶合器的輸入軸拖動其主動工作輪，對工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動液力偶合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載。液力偶合器有調(diào)速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調(diào)速，后者用于電機(jī)的起動，系統(tǒng)中的液力偶合器在電機(jī)起動時(shí)起緩沖作用。由于液力偶合器的結(jié)構(gòu)與電磁轉(zhuǎn)差離合器類似，仿照電磁調(diào)速器效率的計(jì)算方法，可得：       5、繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)      繞

8、線式電機(jī)最常用改變轉(zhuǎn)子電路的串接電阻的方法調(diào)速，隨著轉(zhuǎn)子串接電阻的增大，不但可以方便地改變電機(jī)的正向轉(zhuǎn)速，在位能負(fù)載時(shí)，還可使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)和改變電機(jī)的反向轉(zhuǎn)速，因此這種調(diào)速方式在起重冶金行業(yè)應(yīng)用較多。對于繞線式電機(jī)，無論在起動制動還是調(diào)速中，采用轉(zhuǎn)子串電阻方式均會帶來電能損耗。這種損耗隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率S的增大而增大，另外，隨著串接電阻的增大，機(jī)械特性變軟，難以達(dá)到調(diào)速的靜態(tài)指標(biāo)。      在（14）式中，若S=0.5，電磁功率有一半消耗在轉(zhuǎn)子電阻 上，調(diào)速系統(tǒng)效率低于50%。利用（14）式，只要知道電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，就

9、可方便地計(jì)算繞線式電機(jī)串接電阻調(diào)速消耗的電能，節(jié)能量的計(jì)算就非常簡單了。      當(dāng)我們進(jìn)行變頻節(jié)能改造時(shí)，投入和收益是必須認(rèn)真考慮的，收益就涉及到節(jié)能量的計(jì)算。變頻器未投運(yùn)之前，計(jì)算節(jié)能量是比較困難的，往往希望有一種簡單實(shí)用的計(jì)算方法來進(jìn)行節(jié)能的預(yù)測，有了以上的計(jì)算式計(jì)算節(jié)能量，投入和收益也就一目了然了。 三變頻調(diào)速節(jié)能與系統(tǒng)功率因數(shù)的關(guān)系      前已假定電動機(jī)系統(tǒng)在使用變頻器調(diào)速前后的功率因數(shù)基本相同，這樣在計(jì)算節(jié)能時(shí)可不考慮系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。實(shí)際上，在變頻器投入

10、前后，其功率因數(shù)可能是不同的，因此，計(jì)算的節(jié)能量是否考慮變頻器調(diào)速前后的功率因數(shù)的變化呢？      正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓U與電流I之間的相位角差決定的。在此情況下，功率因數(shù)常用 表示。電路中的有功功率P就是其平均功率，即：      用電度表進(jìn)行計(jì)量檢測實(shí)際的節(jié)能量時(shí)，電度表測量的就是電動機(jī)系統(tǒng)消耗的有功功率。若原電動機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，在使用變頻器后以50Hz頻率恒速運(yùn)行，這時(shí)功率因數(shù)有所提高。功率因數(shù)提高后，電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并沒有改變，電動機(jī)消耗的有

11、功功率和無功功率也沒有改變。變頻器中的濾波電容與電動機(jī)進(jìn)行無功能量交換，因此變頻器實(shí)際輸入電流減小，從而減小了電網(wǎng)與變頻器之間的線損和供電變壓器的銅耗，同時(shí)減小了無功電流上串電網(wǎng)。因此計(jì)算節(jié)能時(shí)，應(yīng)考慮提高功率因數(shù)后的節(jié)能。提高功率因數(shù)后，配電系統(tǒng)電流的下降率為：      配電系統(tǒng)的電流下降率和配電系統(tǒng)的損耗下降率都是對單臺電動機(jī)補(bǔ)償前后電流和損耗而言，不是指配電系統(tǒng)電流和損耗的實(shí)際變化。      配電系統(tǒng)的電流下降率和配電系統(tǒng)的損耗下降率都是對單臺電動機(jī)補(bǔ)償前后電流和損

12、耗而言，不是指配電系統(tǒng)電流和損耗的實(shí)際變化。 下面舉一個(gè)典型的事例。      例2：有一臺壓料機(jī)，電機(jī)功率200kW，安裝在離配電房100多米的地方，計(jì)量儀表電壓表電流表和有功電度表均在配電房。工頻時(shí)電機(jī)空載工作電流192A；加載時(shí)，電機(jī)工作電壓356V，電流231A。由于負(fù)載較輕，導(dǎo)致電動機(jī)的負(fù)載率 和效率 都較低。這時(shí)電動機(jī)的功率因數(shù)可由下式計(jì)算：       從本例看，如果單純提高功率因數(shù)，無須使用變頻器，只需用電力電容進(jìn)行就地補(bǔ)償，但倘

13、若還要滿足工藝調(diào)速的需要，使用變頻器調(diào)速節(jié)能是最佳的節(jié)能方法，這時(shí)的節(jié)能量應(yīng)是線路上的能耗與變頻調(diào)速節(jié)能之和。      如果原電動機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)較高，變頻器投入后功率因數(shù)變化不大，可不考慮功率因數(shù)變化后線損的影響，就用本文中的（1）（14）進(jìn)行計(jì)算節(jié)能。四、變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算時(shí)需考慮變頻器的效率      GB12668定義變頻器為轉(zhuǎn)換電能并能改變頻率的電能轉(zhuǎn)換裝置。能量轉(zhuǎn)換過程中必然伴隨著損耗。在變頻器內(nèi)部，逆變器功率器件的開關(guān)損耗最大，其余是電子元器件的熱損耗和風(fēng)機(jī)損耗

14、，變頻器的效率一般為95%-96%，因此在計(jì)算變頻調(diào)速節(jié)能時(shí)要將變頻器的4%-5%的損耗考慮在內(nèi)。如考慮了變頻器的損耗本文例1中計(jì)算的節(jié)能率，就不是36%，而應(yīng)該為31%-32%，這樣的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際節(jié)能率更為接近。五、結(jié)束語      一般情況下，變頻器用于50Hz調(diào)速控制。不管是平方轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載，還是恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載，調(diào)速才能節(jié)能，不調(diào)速在工頻下運(yùn)行是沒有節(jié)能效果的。有時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)很低，使用變頻器后也有節(jié)能效果，這不是變頻調(diào)速節(jié)能，而是補(bǔ)償功率因數(shù)帶來的節(jié)能。本文所述的對變頻調(diào)速節(jié)能計(jì)算方法有極好的實(shí)用性。1、變頻節(jié)能由流體力學(xué)可

15、知，P（功率）=Q（流量） H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時(shí)軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機(jī)的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。例如：一臺水泵電機(jī)功率為55KW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16KW，省電48.8，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875KW，省電87.5. 2、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)

16、嚴(yán)重，由公式P=SCOS，Q=SSIN，其中S視在功率，P有功功率，Q無功功率，COS功率因數(shù)，可知COS越大，有功功率P越大，普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.6-0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，COS1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。 3、軟啟動節(jié)能由于電機(jī)為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流等于(4-7)倍額定電流，這樣會對機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動時(shí)對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減

17、輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。 變頻器可以省電這是不可磨滅的事實(shí)，在某些情況下可以節(jié)電40%以上，但是某些情況還會比不接變頻器浪費(fèi)！ 變頻器是通過輕負(fù)載降壓實(shí)現(xiàn)節(jié)能的，拖動轉(zhuǎn)距負(fù)載由于轉(zhuǎn)速沒有多大變化，即便是降低電壓，也不會很多，所以節(jié)能很微弱，但是用在風(fēng)機(jī)環(huán)境就不同了，當(dāng)需要較小的風(fēng)量時(shí)刻，電機(jī)會降低速度，我們知道風(fēng)機(jī)的耗能跟轉(zhuǎn)速的1.7次方成正比，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)距會急劇下降，節(jié)能效果明顯。如果我們用在油井上，就會因?yàn)樵诜党淌褂弥苿与娮璋装桌速M(fèi)很多電能反而更廢電。 當(dāng)然，如果環(huán)境要求必須調(diào)速，變頻器節(jié)能效果還是比較明顯的。不調(diào)速的場合變頻器不會省電，只能改善功率因數(shù)。 1、如果兩個(gè)一模一樣的電機(jī)都工作在50HZ的工頻狀態(tài)下，一個(gè)使用變頻器，一個(gè)沒有，同時(shí)轉(zhuǎn)速和扭矩都在電機(jī)的額定狀態(tài)下，那么變頻器還能省電嗎？能省多少呢？ 答：對于這種情況，變頻器只能改善功率因數(shù)，并不能節(jié)省電力。 2、如果這兩