希望森兰+变频调速节能量的估算方法研究

摘　要：本文介绍了平方转矩负载、恒转矩负载、电磁调速器、液力耦合器和绕线式电机转子串电阻调速改用变频调速后的节能计算方法，系统功率因数和变频调速节能的关系。

关键词：变频调速节能估算，功率因数

一、概述

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，高效的电动机经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前后的功率因数基本相同，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。由于电机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困难的，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%左右，那就意味着占全国用电量的30%。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、挡板进行节流调节，增加了管路的阻尼，电机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：

式中：P_e－额定流量时电机输入功率kW

Q_N－额定流量

从（1）式分析，节流调节时， ，则 的比值一般是小于1的分数，其 的值比 更小，与0.55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，最小接近0.45 ；（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 ，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，显然比单纯用相似性原理P∝n³计算要准确得多。

   2.、恒转矩类负载的调速节能

    电机的输入功率与转速的一次方成正比。

恒转矩负载变频调速一般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、绕线式电机转子串电阻调速、电磁调速等。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电机、转差离合器、测速电机和控制装置组成，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分的风阻?磨擦损耗及从动部分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，且忽略不计的话，转差离合器

的输入?输出功率可由下式计算：

电动机轴输出功率

        P1=T1n1                                      （4）

     式中：T1—电动机的输出转矩

           n1 –-电动机的输出轴转速

    转差离合器轴输出功率

        P2=T2n2                                      （5）

式中：T2—转差离合器的输出转矩

          n2 –-转差离合器的输出轴转速

       其效率正比于输出转速，输出最大转速时其效率理论值为85%。

则得：

电磁调速电机为鼠笼式电机，由于输入功率和转矩均保持不变，鼠笼式电机的功率保持不变。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（8）可以清楚看到，电磁调速电机的转速越低，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，因此改用变频调速的方式会有非常好的节能效果。

   4?液力偶合器调速系统

5?绕线式电机串电阻调速系统

    绕线式电机最常用改变转子电路的串接电阻的方法调速，随着转子串接电阻的增大，不但可以方便地改变电机的正向转速，在位能负载时，还可使电机反向旋转和改变电机的反向转速。

对于绕线式电机，无论在起动?制动还是调速中，采用转子串电阻方式均会带来电能损耗。这种损耗随着转速的降低，转差率S的增大而增大，另外，随着串接电阻的增大，机械特性变软，难以达到调速的静态指标。

绕线式电机输入的电磁功率为 ：

式中：

又：

式中：

在（12）式中，若S=0.5，电磁功率有一半消耗在转子电阻 上，调速系统效率低于50%。

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，计算节能量是困难的，有了以上的计算式计算节能量，投入和收益也就一目了然了。

例1：有一电机4极Pe＝55KW，驱动风机，风机的实际风量Q与额定风量之比Q/QN为0.8，现采用变频器调速，求节电率。

由（2）式

节电率为36%。

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前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，在变频器投入前后，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前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之间的位角差决定的

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50Hz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的交换，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。

下面举一个典型的事例。

例2：有一台压料机，电机功率200kW，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，电机工作电压356V，电流235A。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：

                            (14)

式中：

对应于实测的电动机线电流I求得的负载率。

对应于实测的电动机线电流I求得的效率。

由（14）式计算实 ，实测功率因数 。电机加载时消耗的有功功率为P₁=356x235x0.42=35.1(kW)。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 ，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98A。电机加载时消耗的有功功率为P₂=383x98x0.94=35.3(kw)。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35.1kw；使用变频器后功率因数为0.94，有功功率为35.3kw。由此可见，使用变频器后，电机消耗的有功功率略有增加，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235A减少到98A，100多米长的线路损耗大大减少，从配电房的电度表实测的结果还是节能，且节能在10%以上。

从本例看，如果单纯提高功率因数，无须使用变频器；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，这时的节能量应是二者之和。

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）~（12）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随着损耗。在变频器内部，逆变器功率器件的开关损耗最大，其余是电子元器件和风机损耗，变频器的效率一般为95%，因此在计算变频调速节能时要将变频器的5%的损耗考虑在内。如本文例1中的节能率就不是36%，而应该为31%，这样的计算结果与实际节能率更接近。

五、结束语

一般情况下，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，调速才能节能，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，不用变频器而用补偿功率因数方法也可做到，文中所述的对变频调速节能计算方法有极好的实用性。