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    龍勇 （1971－）
男，廣東省中山市中等專業學校電子學講師。長期從事電力電子、電子電器專業方面的教學和科研工作。

摘要：文章介紹了平方轉矩負載和恒轉矩負載情況下電磁調速器、液力耦合器和繞線式電機轉子串電阻等調速方法改用為變頻調速后的節能計算方法，并且介紹了系統功率因數和變頻調速節能的關系。

關鍵詞：變頻調速；節能計算；功率因數

Abstract: This paper introduces an arithmetic of energy saving about changing from electromagnetic speed regulator, liquid power coupling and wound-rotor serial resistor to variable frequency speed regulation in the case of squared-torque loads and constant-torque loads. And the relationship of system power factor and energy saving during the frequency-varying speed regulation is also clarified.

Key words: Variable Frequency Speed Regulation; Arithmetic of Energy Saving; Power Factor

1     概述

    據統計，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-安全系統等原因，高效的電動機經常在低效狀態下運行，采用變頻器對交流異步電動機進行調速控制，可使電動機重新回到高效的運行狀態，這樣可節省大量的電能。生產機械中電動機的負載種類千差萬別，為便于分析研究，將負載分為平方轉矩-恒轉矩和恒功率等幾類機械特性，本文僅對平方轉矩-恒轉矩負載的節能進行估算。所謂估算，即在變頻器投運前，對使用變頻器后的節能效果的計算預測。變頻器一旦投運后，用電工儀表測量系統的節能更為準確。現假定，電動機系統在使用變頻器調速前后的功率因數基本相同，且變頻器的效率為95%。

    在設計過程中過多考慮建設前、后長期工藝要求的差異，使裕量過大。如火電設計規程SDJ-79規定，燃煤鍋爐的鼓風機,引風機的風量裕度分別為5%和5%～10%，風壓裕度為10%和10% ～15%，設計過程中很難計算管網的阻力，并考慮長期運行過程中可能發生的各種問題，通常總把系統的最大風量和風壓裕量作為選型的依據，但風機的系列是有限的，往往選不到合適的風機型號就往上靠，大20%～30%的比較常見。生產中實際操作時，對于離心風機、泵類負載常用閥門、擋板進行節流調節，則增加了管路系統的阻尼，造成電能的浪費；對于恒轉矩負載常用電磁調速器—液力耦合器進行調節，這兩種調速方式效率較低，而且，轉速越低，效率也越低。由于電機的電流的大小隨負載的輕重而改變,也即電機消耗的功率也是隨負載的大小而改變，因此要想精確地計算系統的節能是困難的，在一定程度上影響了變頻調速節能的實施。本文介紹用以下的公式來進行節能的估算。

2    節能的估算

    2.1    風機、泵類平方轉矩負載的變頻調速節能

    風機、泵類通用設備的用電,占電動機用電的50%左右,那就意味著占全國用電量的30%。采用電動機變頻調速來調節流量，比用擋板、閥門之類來調節，可節電20%～50%，如果平均按30%計算，節省的電量為全國總用電量的9%，這將產生巨大的社會效益和經濟效益。

    生產中，對風機、水泵常用閥門、擋板進行節流調節，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。如果用變頻器對風機、泵類設備進行調速控制，不需要再用閥門、擋板進行節流調節，將閥門、擋板開到最大，管路阻尼最小，能耗也大為減少。節能量可用GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的計算公式，即：

    對風機、泵類，采用擋板調節流量對應電機輸入功率PL與流量Q的關系

    式中：Pe－額定流量時電機輸入功率kW

    QN－額定流量

    若流量的調節范圍（0.5～1）QN，則調節電率為：

    從（1）式分析，節流調節時，則的比值一般是小于1的分數，其的值比更小，與0.55的乘積仍小于0.55，即節流調節后，電機的負載變小了，消耗的功率也比額定功率小。當擋板或閥門全關時，風機、泵類空載運行，消耗的功率最少，最小等于0.45；（2）式表明采用變頻調速后，電機消耗的功率與實際流量和額定流量比值的三次方成正比，即，再與采用擋板調節流量對應電機輸入功率PL相減后再除以PL，得電機在節流調節消耗的功率基礎上計算的節能率。用相似性原理P∝n3計算節能時，也應先計算原系統節流調節時消耗的電能，再與系統變頻調速后消耗的電能相減，正是（2）式的分子表示式。因此，要準確地計算節能，還需使用（1）式計算系統節流調節時消耗的電能。

    2.2    恒轉矩類負載的調速節能

    對恒轉矩類負載，有

    電機的輸入功率與轉速的一次方成正比，采用變頻調速后節省的功率可由下式計算：

    節電率：

    節省的功率與系統調速前后的速差成正比，速差越大，節能越顯著。
恒轉矩負載變頻調速一般都用于滿足工藝需要的調速，不用變頻調速就得采用其他方式調速，如調壓調速-電磁調速-繞線式電機轉子串電阻調速等。由于這些調速是耗能的低效調速方式，使用變頻調速后，節省因調速消耗的轉差功率，節能率也是很可觀的。

    2.3   電磁調速系統

    電磁調速系統由鼠籠異步電機、轉差離合器、測速電機和控制裝置組成，通過改變轉差離合器的激磁電流來實現調速。轉差離合器的損耗是由主動部分的風阻-磨擦損耗及從動部分的機械磨擦損所產生的。如果考慮這些損耗與轉差離合器的激磁功率相平衡，且忽略不計的話，轉差離合器的輸入-輸出功率可由下式計算：

    電動機軸輸出功率

    式中：

    T1-電動機的輸出轉矩
      
    n1 -電動機的輸出軸轉速

    轉差離合器軸輸出功率

    式中：

    T2-轉差離合器的輸出轉矩
      
    n2 -轉差離合器的輸出軸轉速
電動機的輸出功率，即為轉差離合器的輸入功率。 對于恒轉矩負載，T= T1 = T2=常數，所以，轉差離合器的效率 ：

    其效率正比于輸出轉速，輸出最大轉速時其效率理論值為85% 。

    轉差率可按下式計算：

    則得：

    可見在恒轉負載下，轉差離合器的效率正比于輸出轉速。

    當轉速下降時，輸出功率成比例下降，而輸入功率基本保持不變，此時損耗功率Ph與轉差損耗成正比增加，即：

    電磁調速電機為鼠籠式電機，由于輸入功率和轉矩均保持不變，鼠籠式電機的功率保持不變。損耗以有功的形式表達出來，即通過轉差離合器渦流發熱并由電樞上的風葉散發出去。

    由損耗功率公式（10）可以清楚看到，電磁調速電機的轉速越低，浪費能源越大，然而生產機械的轉速通常不在最大轉速下運行，因此改用變頻調速的方式會有非常好的節能效果，節省的能量直接可用（10）式計算。

    2.4   液力偶合器調速系統

    液力偶合器是通過控制工作腔內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載。液力偶合器有調速型和限矩型之分，前者用于電氣傳動的調速，后者用于電機的起動，系統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構與電磁轉差離合器類似，仿照電磁調速器效率的計算方法，可得： 

    其效率也是正比于輸出轉速，輸出最大轉速時其效率理論值為95% 。當轉速下降時，輸出功率成比例下降，而輸入功率保持不變，此時損耗功率Ph與轉差損耗成正比增加，即：

    同樣，用（12）式可計算將液力耦合器調速改造為變頻調速后的節能量。

    2.5    繞線式電機串電阻調速系統

    繞線式電機最常用改變轉子電路的串接電阻的方法調速，隨著轉子串接電阻的增大，不但可以方便地改變電機的正向轉速，在位能負載時，還可使電機反向旋轉和改變電機的反向轉速，因此這種調速方式在起重、冶金行業應用較多。

    對于繞線式電機，無論在起動、制動還是調速中，采用轉子串電阻方式均會帶來電能損耗。這種損耗隨著轉速的降低，轉差率S的增大而增大，另外，隨著串接電阻的增大，機械特性變軟，難以達到調速的靜態指標。  

    繞線式電機輸入的電磁功率為P1：

    式中：
  
    P2 —電動機輸出功率
  
    Ph —電動機轉子電阻上消耗的轉差功率

    又：

    式中：  
       
    I2,R2-電動機轉子每相的電流和電阻
 
    在（14）式中，若S=0.5，電磁功率有一半消耗在轉子電阻上，調速系統效率低于50%。利用（14）式，只要知道電機運行的轉速，就可方便地計算繞線式電機串接電阻調速消耗的電能，節能量的計算就非常簡單了。

    當進行變頻節能改造時，投入和收益是必須認真考慮的，收益就涉及到節能量的計算，變頻器未投運之前，計算節能量是比較困難的，往往希望有一種簡單實用的計算方法來進行節能的預測，有了以上的計算式計算節能量，投入和收益也就一目了然了。

    例1：有一電機4極Pe＝55kW，驅動風機，風機的實際風量Q與額定風量之比Q/QN為0.8，現采用變頻器調速，求節電率。

    由（2）式算得

    節電率為36%。

3    變頻調速節能與系統功率因數的關系

    前已假定電動機系統在使用變頻器調速前后的功率因數基本相同，這樣在計算節能時可不考慮系統功率因數的影響。實際上，在變頻器投入前后，其功率因數可能是不同的，因此，計算的節能量是否考慮變頻器調速前后的功率因數的變化呢？

    正弦電路中，功率因數是由電壓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：

    用電度表進行計量檢測實際的節能量時，電度表測量的就是電動機系統消耗的有功功率。若原電動機系統的功率因數較低，在使用變頻器后以50Hz頻率恒速運行，這時功率因數有所提高。功率因數提高后，電動機的運行狀態并沒有改變，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。因此計算節能時，應考慮提高功率因數后的節能。

    提高功率因數后，配電系統電流的下降率為：

    式中：COSf1 —補償前電動機的功率因數
    
    COSf2 —補償后電動機端的功率因數

    配電系統損耗的下降率為：

    配電系統的電流下降率和配電系統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。由于負載較輕，導致電動機的負載率和效率都較低。這時電動機的功率因數可由下式計算：

    式中：

    b—對應于實測的電動機線電流I求得的負載率。

    h—對應于實測的電動機線電流I求得的效率。

    由（14）式計算，電機加載時消耗的有功功率為P1=356×231×0.42=59.82(kW)。一般情況下，壓料機不需調速，接入變頻器后仍以50Hz的頻率運行，這時實測功率因數為，空載時,輸入變頻器電流僅36A；加載時，輸入變頻器的電壓383V，電流102A。電機加載時消耗的有功功率為P2=383×102×0.93=62.93kW。即加載狀態下電機直接用市電供電時功率因數為0.42，有功功率為59.82kW；使用變頻器后功率因數為0.93，有功功率為62.93kW。由此可見，使用變頻器后，電機消耗的有功功率略有增加，不但不節能反而耗能，其原因是變頻器有少量能耗。但是，線路上的電流已從231A減少到102A，100多米長的線路損耗大大減少，由（17）式損耗下降率為：

    從配電房的電度表實測的結果還是節能，且節能在15%以上。

    從本例看，如果單純提高功率因數，無需使用變頻器，只需用電力電容進行就地補償，但倘若還要滿足工藝調速的需要，使用變頻器調速節能是最佳的節能方法，這時的節能量應是線路上的能耗與變頻調速節能之和。

    如果原電動機系統的功率因數較高，變頻器投入后功率因數變化不大，可不考慮功率因數變化后線損的影響，就用本文中的（1）～（14）進行計算節能。

4     變頻調速節能計算時需考慮變頻器的效率

    GB12668定義變頻器為轉換電能并能改變頻率的電能轉換裝置。能量轉換過程中必然伴隨著損耗。在變頻器內部，逆變器功率器件的開關損耗最大，其余是電子元器件的熱損耗和風機損耗，變頻器的效率一般為95%～96%，因此在計算變頻調速節能時要將變頻器的4%～5%的損耗考慮在內。如考慮了變頻器的損耗本文例1中計算的節能率，就不是36%，而應該為31%～32%，這樣的計算結果與實際節能率更為接近。

5     結束語 

    一般情況下，變頻器用于50Hz調速控制,不管是平方轉矩特性負載，還是恒轉矩特性負載，調速才能節能，不調速在工頻下運行是沒有節能效果的。有時系統功率因數很低，使用變頻器后也有節能效果，這不是變頻調速節能，而是補償功率因數帶來的節能。本文所述的對變頻調速節能計算方法有極好的實用性。

參考文獻

    [1] 彭友元.GB12497《三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南.

    [2] 杜俊明,彭海宇.某些恒轉矩負載變頻調速節能的研究[J],自動化博覽,2006(6).

作者信息：

    龍   勇 （ 廣東中山中等專業學校，廣東   中山   528403）   

    杜俊明 （希望森蘭變頻器制造公司，四川   成都   610225）