變頻調(diào)速節(jié)能量的計算方法

一、概述:據(jù)統(tǒng)計，全世界的用電量中約有60%是通過電動機來消耗的。由于考慮起動、過載、安全系統(tǒng)等原因，高效的電動機經(jīng)常在低效狀態(tài)下運行，采用變頻器對交流異步電動機進(jìn)行調(diào)速控制，可使電動機重新回到高效的運行狀態(tài)，這樣可節(jié)省大量的電能。生產(chǎn)機械中電動機的負(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，即在變頻器投運前，對使用了變頻器后的節(jié)能效果進(jìn)行的計算預(yù)測。變頻器一旦投運后，用電工儀表測量系統(tǒng)的節(jié)能量更為準(zhǔn)確。現(xiàn)假定，電動機系統(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)計規(guī)程SDJ-79規(guī)定，燃煤鍋爐的鼓風(fēng)機,引風(fēng)機的風(fēng)量裕度分別為5%和5～10%，風(fēng)壓裕度為10%和10%～15%，設(shè)計過程中很難計算管網(wǎng)的阻力，并考慮長期運行過程中可能發(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)機的系列是有限的，往往選不到合適的風(fēng)機型號就往上靠，大20%～30%的比較常見。生產(chǎn)中實際操作時，對于離心風(fēng)機﹑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；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。由于電機的電流的大小隨負(fù)載的輕重而改變,也即電機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、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的變頻調(diào)速節(jié)能風(fēng)機、泵類通用設(shè)備的用電占電動機用電的50%左右,那就意味著占全國用電量的30%。采用電動機變頻調(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20%～50%，如果平均按30%計算，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)濟效益。生產(chǎn)中，對風(fēng)機﹑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，電機仍舊以額定速度運行，這時能量消耗較大。如果用變頻器對風(fēng)機﹑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《三相異步電動機經(jīng)濟運行》強制性國家標(biāo)準(zhǔn)實施監(jiān)督指南中的計算公式，即：

也應(yīng)先計算原系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)時消耗的電能，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)確地計算節(jié)能，還需使用（1）式計算系統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)時消耗的電能。

2、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、轉(zhuǎn)差離合器、測速電機和控制裝置組成，通過改變轉(zhuǎn)差離合器的激磁電流來實現(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，且忽略不計的話，轉(zhuǎn)差離合器的輸入?輸出功率可由下式計算：

??????電磁調(diào)速電機為鼠籠式電機，由于輸入功率和轉(zhuǎn)矩均保持不變，鼠籠式電機的功率保持不變。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)速電機的轉(zhuǎn)速越低，浪費能源越大，然而生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速通常不在最大轉(zhuǎn)速下運行，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）式計算。

4、液力偶合器調(diào)速系統(tǒng)
??????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，來傳遞電動機能量，電動機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，后者用于電機的起動，系統(tǒng)中的液力偶合器在電機起動時起緩沖作用。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)速器效率的計算方法，可得：

??????
5、繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)
??????繞線式電機最常用改變轉(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的正向轉(zhuǎn)速，在位能負(fù)載時，還可使電機反向旋轉(zhuǎn)和改變電機的反向轉(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，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，只要知道電機運行的轉(zhuǎn)速，就可方便地計算繞線式電機串接電阻調(diào)速消耗的電能，節(jié)能量的計算就非常簡單了。
??????當(dāng)我們進(jìn)行變頻節(jié)能改造時，投入和收益是必須認(rèn)真考慮的，收益就涉及到節(jié)能量的計算。變頻器未投運之前，計算節(jié)能量是比較困難的，往往希望有一種簡單實用的計算方法來進(jìn)行節(jié)能的預(yù)測，有了以上的計算式計算節(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，這樣在計算節(jié)能時可不考慮系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。實際上，在變頻器投入前后，其功率因數(shù)可能是不同的，因此，計算的節(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)行計量檢測實際的節(jié)能量時，電度表測量的就是電動機系統(tǒng)消耗的有功功率。若原電動機系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，在使用變頻器后以50Hz頻率恒速運行，這時功率因數(shù)有所提高。功率因數(shù)提高后，電動機的運行狀態(tài)并沒有改變，電動機消耗的有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進(jìn)行無功能量交換，因此變頻器實際輸入電流減小，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，同時減小了無功電流上串電網(wǎng)。因此計算節(jié)能時，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補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補償前后電流和損耗而言，不是指配電系統(tǒng)電流和損耗的實際變化。?
下面舉一個典型的事例。
??????例2：有一臺壓料機，電機功率200kW，安裝在離配電房100多米的地方，計量儀表電壓表﹑電流表和有功電度表均在配電房。工頻時電機空載工作電流192A；加載時，電機工作電壓356V，電流231A。由于負(fù)載較輕，導(dǎo)致電動機的負(fù)載率?和效率?都較低。這時電動機的功率因數(shù)可由下式計算：

??????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)行就地補償，但倘若還要滿足工藝調(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)行計算節(jié)能。

四、變頻調(diào)速節(jié)能計算時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)機損耗，變頻器的效率一般為95%-96%，因此在計算變頻調(diào)速節(jié)能時要將變頻器的4%-5%的損耗考慮在內(nèi)。如考慮了變頻器的損耗本文例1中計算的節(jié)能率，就不是36%，而應(yīng)該為31%-32%，這樣的計算結(jié)果與實際節(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)速在工頻下運行是沒有節(jié)能效果的。有時系統(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)能計算方法有極好的實用性。