變頻調速比較小節能率的確定陳尊理劉國蓉2，陳景泰3（1上海中電工程技術設備股份有限公司，上海201204；山西平陽機械廠新產品開發中心，山西平陽；3哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150006）節能率和設計裕量的關系，提出了變頻調速的幾個主意點。

　　?17修改稿日期2⑴1一1前言變頻調速由于調速范圍寬，傳動效率高，節能效果明顯，在石油、化工、建材、火電、冶金、礦山、紡織等行業的風機類和泵類負荷（以下簡稱機泵負荷）中，得到了廣泛應用，收到了良好的經濟效益和社會效益。有關資料顯示，全國風機、水泵近4000萬臺，額定功率8500萬kW，機泵負荷的變頻調速節能具有良好的發展前景。

　　2變頻調速比較小節能率的確定變頻器是現代電力電子技術的產物，成本高，價格昂貴，過去主要是依賴進口近年來國產變頻器生產上了一個臺階，價格也有所下降，但還是價格不菲。

　　2.1變頻調速投資分析變頻器供給電動機的是脈動電流，電動機在額定運轉狀態下，用變頻器供電與用工頻電網供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動機電流或功率略大，一般為：?電動機額定功率，kW.從各變頻器廠家提供資料來看，變頻器的共同點是它們的容量與價格基本呈正比關系。我們列出一個線性方程近似認為，變頻器價格Dp和功率Pnv的關系為：Dp=KpPnv（2）時取1000元八界；在變頻調速實施過程中，為設置變頻器和電動機的保護，減少變頻器對其它設備的影響，往往加一些外圍設備，例隔離高次諧波的電源變壓器、電源側斷路器、電磁接觸器、無線電噪聲濾波器、交流電抗器，而且電纜都要具有屏蔽功能，以減少諧波的影響。這些設備費用也隨變頻器容量大而大，我們也近似認為是線性關系，則總投資D為：22變頻調速節能率；V和年效益變頻調速有工藝的要求，本文僅考慮節能要求。節約能源，降低能耗，實現可持續發展是我國的一項基本國策。若設變頻調速前機泵負荷的有功功率為乃，變頻調速后為P2，則節約的功率為：節能率X為：那么每年節能產生的經濟效益為：制企業，取7000；（事實上，一班制和二班制企業機泵負荷極少）3?單位電力價格，元/kWh，本文計算取0. 2.3變頻調速投資收益（年值法）根據現代設備管理理論，投資收益的年值法為每年的年收益減去設備投資所需支出的各種費用，計算公式為：一資金的時間價值，本文取i0%；n?變頻調速裝置使用年限，本文計算取i5年。

　　2.4變頻調速節能率的確定令投資收益率F=0時，得到比較小節能率計算公式：i假如認為，機泵負荷與所配電動機是匹配的，變頻調速前電動機基本在額定工況下運行，即PiPn把本文假設的計算數據代入，求得X=8. 06%，也就是說，只有節能率大于8. 06%，變頻調速在經濟上才是可行的。

　　2.5變頻器的效率與損耗變頻器效率是指其本身的變換效率。變頻器可分為交一交和交一直一交兩種形式。交一交變頻盡管效率較高，但調頻范圍受到局限，應用受到限制，目前通用的的變頻器主要是交一直一交的，其工作原理是先把工頻交流電通過整流器變成直流，然后用逆變器再變成所需頻率的交流電。所以變頻器的損耗有三部分組成，整流損耗約占40%，逆變損耗約占50%，控制回路損耗占i0%.其中控制回路損耗不隨變頻器容量、負荷變化而變化。

　　變頻器采用了大功率自關斷開關器件等現代電力電子技術，其整流損耗、逆變損耗等都比傳統電子技術中整流損耗理論來得小，根據〔I〕提供資料，變頻器在額定狀態運行時，其效率為86.4% ~96%，隨變頻器功率大而效率提高。

　　2.6變頻調速后電動機效率的變化變頻調速后，電動機的各種損耗和效率均有所變化，根據電機學理論，電動機的損耗可分為鐵芯損耗（包括磁滯損耗和渦流損耗）、軸承磨擦損耗、風阻損耗、定子繞組銅耗、轉子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。

　　由風機和泵類理論，其流量Q與所需電機軸功率P與轉速n的關系為：變頻調速后，磁滯損耗減少速度比電動機有功減少速度慢，損耗所占比例有所提高。

　　風阻損耗：I/3定子繞組銅耗和轉子繞組銅耗其大小與電源頻率/沒有直接關系，但高次諧波及脈動電流加了電機的銅耗。

　　雜散損耗及附加損耗：不論何種形式的變頻器，變頻后除基波外，都會出現諧波，如比較多見的正弦波變頻器（PWM），其載波頻率高達幾千至十幾千赫茲，這些附加的高次諧波，許多諧波的轉矩方向是與基波轉矩方向相反的。另外高次諧波也會加渦流損耗。綜上所述，變頻調速后，電動機的磁滯損耗、渦流損耗、軸承磨擦損耗、定轉子銅耗及雜散損耗在功率中所占比例都有所上升，有關指出，變頻調速后電動機電流加i0%，溫升加20%. 27風機和泵類負荷裕量與節能率的關系在選用風機和泵類設備時，一般都留有裕量。DL5000 94火力發電廠設計技術規程規定，電廠“送風機的風量裕量宜為5%~i5%，壓力裕量宜為20% ~30%其它風機和泵類一般裕量為i0%左右。這些裕量在變頻調速前，都是用節流孔板、節流擋板或控制閥門（風門）開度來節流。用這些方法節流，使得管道內應力（風壓）升高，噪聲大，振動加劇，機械磨損大，同時使系統管路容易產生淺漏。變頻調速是節能效果比較佳的方法，但采用其它流量調節方法，機泵負荷的電動機輸入功率和軸功率也是下降的。圖i畫出了鼓風機各種調節風量方法節電的比較曲線，水泵也有類似特性曲線。綜上所述，變頻調速的節能效果和經濟效益，應該考慮到風門控制時電動機輸入功率下降、投資費用回收、變頻器運行效率、變頻后電動機運行效率下降及變頻對電網的影響等因素。所以從圖i曲線中綜合考慮，機泵負荷平均流量比額定流量下降i5%~20%左右，電動機消耗功率變化在35%以上，變頻調速才可能產生良好的節能效果和經濟效益。所以在變頻調速方案實施前，進行前期準備和經濟分析是必不可少的。

　　3變頻調速需要澄清的幾個問題根據電機學理論，異步電動機的調速性能較差，可以選用的調速方法有變頻調速、改變極對數調速、改變外施電壓調速、轉子回路串聯電阻調速、轉子回路串聯附加電勢調速，另外還有液力耦合調速、電磁調速、晶閘管串極調速等。從節能效果來講，變頻調速效果比較好，其它調速方法不是調速范圍太小，就是屬有極調速，或能源浪費嚴重，但變頻調速也要澄清幾個問題。

　　機泵負荷比較大的節能是選用型號、容量與實際負荷相匹配，其中包括機泵與所配電動機的匹配，要避免“大馬拉小車”一般設計裕量應控制在10%以內。我們的工業系統設計，往往存在向上靠檔，層層加碼，寧大勿小的現象，可以說，設計小了誰都會指責，設計大了誰也不會說，從工藝上提出流量時加系數，選機泵時再加系數，電機選擇還加系數，以致部分工業系統的機泵實際運行效率極低。如果在設計機泵負荷時加變頻調速，以達到節能的目的，實際是加了變頻過程，產生新的能源損耗和加了投資。現在不少對變頻調速的節能效益分析往往忽略了變頻器的效率等，這種簡單的理在工業生產中，由于生產負荷變化、生產季節變化等，機泵負荷也不是恒定不變的，有時變化范圍還是很大的，有些發電廠由于調峰需要，晝夜負荷變化也較大，而且機泵負荷在使用一年后，輸出流量將比額定流量有所下降。對流量變化較大的機泵負荷采用變頻調速效果是顯而易見的，而且負荷變化范圍越大，節能效果越好。

　　調節機泵負荷流量的方法有20多種，變頻調速只是交流電動機變速調節中的一種，其它調速種類還有非變速調節、電機定速調節，另外直流電機調速、工業汽輪機調速的效果也很好，大型火電廠的廠用電率較低，很大程度上是采用了汽動給水泵調速。

　　變頻器產生的高次諧波，會引起電網電壓波形的畸變，而且是電網有效容量越小，變頻器容量越大，這種影響越嚴重。這種對電網的污染，會使電力電容、電抗器、變壓器容易發熱，并產生電磁諧振，電動機、發電機產生附加損耗，繼電器產生誤動等。各國對電壓畸變和諧波控制都有相應的規定，我國GB12668?90中規定，電壓畸變率小于10%，任何奇次諧波均不超過5%，任何偶次諧波均不超過2%.使用變頻器后，在電網局部將會超過國際，所以一定要采取相應的措施。

　　由于變頻的載波頻率較高，電動機繞組要承受較高的沖擊電壓dU/dt.另外電機效率下降，轉速下降后產生的冷卻效果降低，這些都是應該注意的。所以變頻調速后，包括變頻器和電動機損壞情況較多。如條件許可，可采用YTSP和YSG系列變頻調速專用三相異步電動機。