变频调速*小节能率的确定陈尊理刘国蓉2，陈景泰3（1上海中电工程技术设备股份有限公司，上海201204；山西平阳机械厂新产品开发中心，山西平阳；3哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150006）节能率和设计裕量的关系，提出了变频调速的几个主意点。

　　?17修改稿日期2⑴1一1前言变频调速由于调速范围宽，传动效率高，节能效果明显，在石油、化工、建材、火电、冶金、矿山、纺织等行业的风机类和泵类负荷（以下简称机泵负荷）中，得到了广泛应用，收到了良好的经济效益和社会效益。有关资料显示，全国风机、水泵近4000万台，额定功率8500万kW，机泵负荷的变频调速节能具有良好的发展前景。

　　2变频调速*小节能率的确定变频器是现代电力电子技术的产物，成本高，价格昂贵，过去主要是依赖进口近年来国产变频器生产上了一个台阶，价格也有所下降，但还是价格不菲。

　　2.1变频调速投资分析变频器供给电动机的是脉动电流，电动机在额定运转状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器电流或功率要比电动机电流或功率略大，一般为：?电动机额定功率，kW.从各变频器厂家提供资料来看，变频器的共同点是它们的容量与价格基本呈正比关系。我们列出一个线性方程近似认为，变频器价格Dp和功率Pnv的关系为：Dp=KpPnv（2）时取1000元八界；在变频调速实施过程中，为设置变频器和电动机的保护，减少变频器对其它设备的影响，往往加一些外围设备，例隔离高次谐波的电源变压器、电源侧断路器、电磁接触器、无线电噪声滤波器、交流电抗器，而且电缆都要具有屏蔽功能，以减少谐波的影响。这些设备费用也随变频器容量大而大，我们也近似认为是线性关系，则总投资D为：22变频调速节能率；V和年效益变频调速有工艺的要求，本文仅考虑节能要求。节约能源，降低能耗，实现可持续发展是我国的一项基本国策。若设变频调速前机泵负荷的有功功率为乃，变频调速后为P2，则节约的功率为：节能率X为：那么每年节能产生的经济效益为：制企业，取7000；（事实上，一班制和二班制企业机泵负荷极少）3?单位电力价格，元/kWh，本文计算取0. 2.3变频调速投资收益（年值法）根据现代设备管理理论，投资收益的年值法为每年的年收益减去设备投资所需支出的各种费用，计算公式为：一资金的时间价值，本文取i0%；n?变频调速装置使用年限，本文计算取i5年。

　　2.4变频调速节能率的确定令投资收益率F=0时，得到*小节能率计算公式：i假如认为，机泵负荷与所配电动机是匹配的，变频调速前电动机基本在额定工况下运行，即PiPn把本文假设的计算数据代入，求得X=8. 06%，也就是说，只有节能率大于8. 06%，变频调速在经济上才是可行的。

　　2.5变频器的效率与损耗变频器效率是指其本身的变换效率。变频器可分为交一交和交一直一交两种形式。交一交变频尽管效率较高，但调频范围受到局限，应用受到限制，目前通用的的变频器主要是交一直一交的，其工作原理是先把工频交流电通过整流器变成直流，然后用逆变器再变成所需频率的交流电。所以变频器的损耗有三部分组成，整流损耗约占40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占i0%.其中控制回路损耗不随变频器容量、负荷变化而变化。

　　变频器采用了大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比传统电子技术中整流损耗理论来得小，根据〔I〕提供资料，变频器在额定状态运行时，其效率为86.4% ~96%，随变频器功率大而效率提高。

　　2.6变频调速后电动机效率的变化变频调速后，电动机的各种损耗和效率均有所变化，根据电机学理论，电动机的损耗可分为铁芯损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）、轴承磨擦损耗、风阻损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。

　　由风机和泵类理论，其流量Q与所需电机轴功率P与转速n的关系为：变频调速后，磁滞损耗减少速度比电动机有功减少速度慢，损耗所占比例有所提高。

　　风阻损耗：I/3定子绕组铜耗和转子绕组铜耗其大小与电源频率/没有直接关系，但高次谐波及脉动电流加了电机的铜耗。

　　杂散损耗及附加损耗：不论何种形式的变频器，变频后除基波外，都会出现谐波，如比较多见的正弦波变频器（PWM），其载波频率高达几千至十几千赫兹，这些附加的高次谐波，许多谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的。另外高次谐波也会加涡流损耗。综上所述，变频调速后，电动机的磁滞损耗、涡流损耗、轴承磨擦损耗、定转子铜耗及杂散损耗在功率中所占比例都有所上升，有关指出，变频调速后电动机电流加i0%，温升加20%. 27风机和泵类负荷裕量与节能率的关系在选用风机和泵类设备时，一般都留有裕量。DL5000 94火力发电厂设计技术规程规定，电厂“送风机的风量裕量宜为5%~i5%，压力裕量宜为20% ~30%其它风机和泵类一般裕量为i0%左右。这些裕量在变频调速前，都是用节流孔板、节流挡板或控制阀门（风门）开度来节流。用这些方法节流，使得管道内应力（风压）升高，噪声大，振动加剧，机械磨损大，同时使系统管路容易产生浅漏。变频调速是节能效果*佳的方法，但采用其它流量调节方法，机泵负荷的电动机输入功率和轴功率也是下降的。图i画出了鼓风机各种调节风量方法节电的比较曲线，水泵也有类似特性曲线。综上所述，变频调速的节能效果和经济效益，应该考虑到风门控制时电动机输入功率下降、投资费用回收、变频器运行效率、变频后电动机运行效率下降及变频对电网的影响等因素。所以从图i曲线中综合考虑，机泵负荷平均流量比额定流量下降i5%~20%左右，电动机消耗功率变化在35%以上，变频调速才可能产生良好的节能效果和经济效益。所以在变频调速方案实施前，进行前期准备和经济分析是必不可少的。

　　3变频调速需要澄清的几个问题根据电机学理论，异步电动机的调速性能较差，可以选用的调速方法有变频调速、改变极对数调速、改变外施电压调速、转子回路串联电阻调速、转子回路串联附加电势调速，另外还有液力耦合调速、电磁调速、晶闸管串极调速等。从节能效果来讲，变频调速效果*好，其它调速方法不是调速范围太小，就是属有极调速，或能源浪费严重，但变频调速也要澄清几个问题。

　　机泵负荷*大的节能是选用型号、容量与实际负荷相匹配，其中包括机泵与所配电动机的匹配，要避免“大马拉小车”一般设计裕量应控制在10%以内。我们的工业系统设计，往往存在向上靠档，层层加码，宁大勿小的现象，可以说，设计小了谁都会指责，设计大了谁也不会说，从工艺上提出流量时加系数，选机泵时再加系数，电机选择还加系数，以致部分工业系统的机泵实际运行效率极低。如果在设计机泵负荷时加变频调速，以达到节能的目的，实际是加了变频过程，产生新的能源损耗和加了投资。现在不少对变频调速的节能效益分析往往忽略了变频器的效率等，这种简单的理在工业生产中，由于生产负荷变化、生产季节变化等，机泵负荷也不是恒定不变的，有时变化范围还是很大的，有些发电厂由于调峰需要，昼夜负荷变化也较大，而且机泵负荷在使用一年后，输出流量将比额定流量有所下降。对流量变化较大的机泵负荷采用变频调速效果是显而易见的，而且负荷变化范围越大，节能效果越好。

　　调节机泵负荷流量的方法有20多种，变频调速只是交流电动机变速调节中的一种，其它调速种类还有非变速调节、电机定速调节，另外直流电机调速、工业汽轮机调速的效果也很好，大型火电厂的厂用电率较低，很大程度上是采用了汽动给水泵调速。

　　变频器产生的高次谐波，会引起电网电压波形的畸变，而且是电网有效容量越小，变频器容量越大，这种影响越严重。这种对电网的污染，会使电力电容、电抗器、变压器容易发热，并产生电磁谐振，电动机、发电机产生附加损耗，继电器产生误动等。各国对电压畸变和谐波控制都有相应的规定，我国GB12668?90中规定，电压畸变率小于10%，任何奇次谐波均不超过5%，任何偶次谐波均不超过2%.使用变频器后，在电网局部将会超过国际，所以一定要采取相应的措施。

　　由于变频的载波频率较高，电动机绕组要承受较高的冲击电压dU/dt.另外电机效率下降，转速下降后产生的冷却效果降低，这些都是应该注意的。所以变频调速后，包括变频器和电动机损坏情况较多。如条件许可，可采用YTSP和YSG系列变频调速专用三相异步电动机。