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整空間。在運行中根據實際運行需要，按照流量、楊程等調節(jié)電動機的轉速，從而改變電動機的輸出轉矩和輸出功率，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變頻調速原理三相異步電動機轉速公式為:n=60fp(1-s)式中：n-電動機轉速，r/min； f-電源頻率，Hz； p-電動機對數 s-轉差率, 從上式可見交流電動機的調速可以概括為改變極對數，控制電源頻率以及通過改變參數如

2、定子電壓、轉子電壓等使電機轉差率發(fā)生變化等幾種方式。變頻器效率維持在94%96%，變頻調速是一種高效率、高效能的調速方式，使異步電動機在整個工作范圍內保持正常的小轉差率下運轉，實現(xiàn)無極平滑調速。1.1變頻工作原理異步電動機的額定頻率稱為基頻，即電網的頻率，在我國為50Hz。電機定子繞組內部感應電動勢為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；f1-基波繞組系數。在變頻調速時，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。此時電動機轉矩為T=m1pf12r2s+sx22r2E1f12式中T-電動機轉矩，N.m； m1電源極對數； p磁極對數； s轉差率； r2轉子電阻； x2轉子電抗；由于轉差率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；若轉矩T不變則s1f1；電動機臨界轉差率smr2x2=r22f1L2=Cf1 其中C=r22L2電

4、動機最大轉矩Tm=m1pf1412f1L2E1f12=常數最大轉速降nm=smn1=Cf160f1p=60p=常數由此可知：保持E1f1=常數，最大轉矩和最大轉矩處的轉速降落均等于常數，與頻率無關。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矩負載即轉矩與轉速平方成正比。如圖所示，在低轉速下負載轉矩非常小。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負載轉矩，N.m；n1n2轉速，rmin。從上式可知，風機風

5、量、泵的流量與轉速成正比；風機風壓、泵的楊程與轉速的二次方成正比；風機、泵的軸功率與轉速、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，與功率有關。當管道長、流速高、彎頭與閥門數量多時，裕量系數適當增大。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整空間，按照風量、風壓

6、、流量、楊程等調節(jié)電動機的轉速，從而改變電動機的輸出功率和輸出轉矩達到節(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節(jié)方式有兩種：1） 傳統(tǒng)的方法是保持電動機轉速不變，將閥門關小，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，調節(jié)轉速可以節(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??；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矩能滿足要求，宜選用變頻器的降低轉矩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、轉子銅損和與載波率有關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，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結束綜上所訴，變頻調速在實際生產中有著無可比擬的先天優(yōu)勢。變頻調速有以下的的優(yōu)點： 1、調速效率高。這是由于在頻率變化后，電動機仍在同步轉速附近運行，基本保持額定轉差。 2、調速范圍寬。一般可達20:1，并在整個調速范圍內具有高的調速效率。所以變頻調速適用于調速范圍寬，且經常處于低負荷狀態(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、