變頻調(diào)速比較小節(jié)能率的確定陳尊理劉國(guó)蓉2，陳景泰3（1上海中電工程技術(shù)設(shè)備股份有限公司，上海201204；山西平陽(yáng)機(jī)械廠新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心，山西平陽(yáng)；3哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150006）節(jié)能率和設(shè)計(jì)裕量的關(guān)系，提出了變頻調(diào)速的幾個(gè)主意點(diǎn)。

　　?17修改稿日期2⑴1一1前言變頻調(diào)速由于調(diào)速范圍寬，傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果明顯，在石油、化工、建材、火電、冶金、礦山、紡織等行業(yè)的風(fēng)機(jī)類(lèi)和泵類(lèi)負(fù)荷（以下簡(jiǎn)稱機(jī)泵負(fù)荷）中，得到了廣泛應(yīng)用，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。有關(guān)資料顯示，全國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵近4000萬(wàn)臺(tái)，額定功率8500萬(wàn)kW，機(jī)泵負(fù)荷的變頻調(diào)速節(jié)能具有良好的發(fā)展前景。

　　2變頻調(diào)速比較小節(jié)能率的確定變頻器是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的產(chǎn)物，成本高，價(jià)格昂貴，過(guò)去主要是依賴進(jìn)口近年來(lái)國(guó)產(chǎn)變頻器生產(chǎn)上了一個(gè)臺(tái)階，價(jià)格也有所下降，但還是價(jià)格不菲。

　　2.1變頻調(diào)速投資分析變頻器供給電動(dòng)機(jī)的是脈動(dòng)電流，電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，用變頻器供電與用工頻電網(wǎng)供電相比電流要大，所以選擇變頻器電流或功率要比電動(dòng)機(jī)電流或功率略大，一般為：?電動(dòng)機(jī)額定功率，kW.從各變頻器廠家提供資料來(lái)看，變頻器的共同點(diǎn)是它們的容量與價(jià)格基本呈正比關(guān)系。我們列出一個(gè)線性方程近似認(rèn)為，變頻器價(jià)格Dp和功率Pnv的關(guān)系為：Dp=KpPnv（2）時(shí)取1000元八界；在變頻調(diào)速實(shí)施過(guò)程中，為設(shè)置變頻器和電動(dòng)機(jī)的保護(hù)，減少變頻器對(duì)其它設(shè)備的影響，往往加一些外圍設(shè)備，例隔離高次諧波的電源變壓器、電源側(cè)斷路器、電磁接觸器、無(wú)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(shè)備費(fèi)用也隨變頻器容量大而大，我們也近似認(rèn)為是線性關(guān)系，則總投資D為：22變頻調(diào)速節(jié)能率；V和年效益變頻調(diào)速有工藝的要求，本文僅考慮節(jié)能要求。節(jié)約能源，降低能耗，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策。若設(shè)變頻調(diào)速前機(jī)泵負(fù)荷的有功功率為乃，變頻調(diào)速后為P2，則節(jié)約的功率為：節(jié)能率X為：那么每年節(jié)能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為：制企業(yè)，取7000；（事實(shí)上，一班制和二班制企業(yè)機(jī)泵負(fù)荷極少）3?單位電力價(jià)格，元/kWh，本文計(jì)算取0. 2.3變頻調(diào)速投資收益（年值法）根據(jù)現(xiàn)代設(shè)備管理理論，投資收益的年值法為每年的年收益減去設(shè)備投資所需支出的各種費(fèi)用，計(jì)算公式為：一資金的時(shí)間價(jià)值，本文取i0%；n?變頻調(diào)速裝置使用年限，本文計(jì)算取i5年。

　　2.4變頻調(diào)速節(jié)能率的確定令投資收益率F=0時(shí)，得到比較小節(jié)能率計(jì)算公式：i假如認(rèn)為，機(jī)泵負(fù)荷與所配電動(dòng)機(jī)是匹配的，變頻調(diào)速前電動(dòng)機(jī)基本在額定工況下運(yùn)行，即PiPn把本文假設(shè)的計(jì)算數(shù)據(jù)代入，求得X=8. 06%，也就是說(shuō)，只有節(jié)能率大于8. 06%，變頻調(diào)速在經(jīng)濟(jì)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(diào)頻范圍受到局限，應(yīng)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(guò)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(fù)荷變化而變化。

　　變頻器采用了大功率自關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件等現(xiàn)代電力電子技術(shù)，其整流損耗、逆變損耗等都比傳統(tǒng)電子技術(shù)中整流損耗理論來(lái)得小，根據(jù)〔I〕提供資料，變頻器在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，其效率為86.4% ~96%，隨變頻器功率大而效率提高。

　　2.6變頻調(diào)速后電動(dòng)機(jī)效率的變化變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)的各種損耗和效率均有所變化，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，電動(dòng)機(jī)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(fēng)阻損耗、定子繞組銅耗、轉(zhuǎn)子繞組銅耗、雜散損耗等幾種。

　　由風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)理論，其流量Q與所需電機(jī)軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為：變頻調(diào)速后，磁滯損耗減少速度比電動(dòng)機(jī)有功減少速度慢，損耗所占比例有所提高。

　　風(fēng)阻損耗：I/3定子繞組銅耗和轉(zhuǎn)子繞組銅耗其大小與電源頻率/沒(méi)有直接關(guān)系，但高次諧波及脈動(dòng)電流加了電機(jī)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(huì)出現(xiàn)諧波，如比較多見(jiàn)的正弦波變頻器（PWM），其載波頻率高達(dá)幾千至十幾千赫茲，這些附加的高次諧波，許多諧波的轉(zhuǎn)矩方向是與基波轉(zhuǎn)矩方向相反的。另外高次諧波也會(huì)加渦流損耗。綜上所述，變頻調(diào)速后，電動(dòng)機(jī)的磁滯損耗、渦流損耗、軸承磨擦損耗、定轉(zhuǎn)子銅耗及雜散損耗在功率中所占比例都有所上升，有關(guān)指出，變頻調(diào)速后電動(dòng)機(jī)電流加i0%，溫升加20%. 27風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)負(fù)荷裕量與節(jié)能率的關(guān)系在選用風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)設(shè)備時(shí)，一般都留有裕量。DL5000 94火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，電廠“送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量裕量宜為5%~i5%，壓力裕量宜為20% ~30%其它風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)一般裕量為i0%左右。這些裕量在變頻調(diào)速前，都是用節(jié)流孔板、節(jié)流擋板或控制閥門(mén)（風(fēng)門(mén)）開(kāi)度來(lái)節(jié)流。用這些方法節(jié)流，使得管道內(nèi)應(yīng)力（風(fēng)壓）升高，噪聲大，振動(dòng)加劇，機(jī)械磨損大，同時(shí)使系統(tǒng)管路容易產(chǎn)生淺漏。變頻調(diào)速是節(jié)能效果比較佳的方法，但采用其它流量調(diào)節(jié)方法，機(jī)泵負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)輸入功率和軸功率也是下降的。圖i畫(huà)出了鼓風(fēng)機(jī)各種調(diào)節(jié)風(fēng)量方法節(jié)電的比較曲線，水泵也有類(lèi)似特性曲線。綜上所述，變頻調(diào)速的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該考慮到風(fēng)門(mén)控制時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率下降、投資費(fèi)用回收、變頻器運(yùn)行效率、變頻后電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率下降及變頻對(duì)電網(wǎng)的影響等因素。所以從圖i曲線中綜合考慮，機(jī)泵負(fù)荷平均流量比額定流量下降i5%~20%左右，電動(dòng)機(jī)消耗功率變化在35%以上，變頻調(diào)速才可能產(chǎn)生良好的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。所以在變頻調(diào)速方案實(shí)施前，進(jìn)行前期準(zhǔn)備和經(jīng)濟(jì)分析是必不可少的。

　　3變頻調(diào)速需要澄清的幾個(gè)問(wèn)題根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能較差，可以選用的調(diào)速方法有變頻調(diào)速、改變極對(duì)數(shù)調(diào)速、改變外施電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)電阻調(diào)速、轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)附加電勢(shì)調(diào)速，另外還有液力耦合調(diào)速、電磁調(diào)速、晶閘管串極調(diào)速等。從節(jié)能效果來(lái)講，變頻調(diào)速效果比較好，其它調(diào)速方法不是調(diào)速范圍太小，就是屬有極調(diào)速，或能源浪費(fèi)嚴(yán)重，但變頻調(diào)速也要澄清幾個(gè)問(wèn)題。

　　機(jī)泵負(fù)荷比較大的節(jié)能是選用型號(hào)、容量與實(shí)際負(fù)荷相匹配，其中包括機(jī)泵與所配電動(dòng)機(jī)的匹配，要避免“大馬拉小車(chē)”一般設(shè)計(jì)裕量應(yīng)控制在10%以內(nèi)。我們的工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，往往存在向上靠檔，層層加碼，寧大勿小的現(xiàn)象，可以說(shuō)，設(shè)計(jì)小了誰(shuí)都會(huì)指責(zé)，設(shè)計(jì)大了誰(shuí)也不會(huì)說(shuō)，從工藝上提出流量時(shí)加系數(shù)，選機(jī)泵時(shí)再加系數(shù)，電機(jī)選擇還加系數(shù)，以致部分工業(yè)系統(tǒng)的機(jī)泵實(shí)際運(yùn)行效率極低。如果在設(shè)計(jì)機(jī)泵負(fù)荷時(shí)加變頻調(diào)速，以達(dá)到節(jié)能的目的，實(shí)際是加了變頻過(guò)程，產(chǎn)生新的能源損耗和加了投資。現(xiàn)在不少對(duì)變頻調(diào)速的節(jié)能效益分析往往忽略了變頻器的效率等，這種簡(jiǎn)單的理在工業(yè)生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)負(fù)荷變化、生產(chǎn)季節(jié)變化等，機(jī)泵負(fù)荷也不是恒定不變的，有時(shí)變化范圍還是很大的，有些發(fā)電廠由于調(diào)峰需要，晝夜負(fù)荷變化也較大，而且機(jī)泵負(fù)荷在使用一年后，輸出流量將比額定流量有所下降。對(duì)流量變化較大的機(jī)泵負(fù)荷采用變頻調(diào)速效果是顯而易見(jiàn)的，而且負(fù)荷變化范圍越大，節(jié)能效果越好。

　　調(diào)節(jié)機(jī)泵負(fù)荷流量的方法有20多種，變頻調(diào)速只是交流電動(dòng)機(jī)變速調(diào)節(jié)中的一種，其它調(diào)速種類(lèi)還有非變速調(diào)節(jié)、電機(jī)定速調(diào)節(jié)，另外直流電機(jī)調(diào)速、工業(yè)汽輪機(jī)調(diào)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(dòng)給水泵調(diào)速。

　　變頻器產(chǎn)生的高次諧波，會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變，而且是電網(wǎng)有效容量越小，變頻器容量越大，這種影響越嚴(yán)重。這種對(duì)電網(wǎng)的污染，會(huì)使電力電容、電抗器、變壓器容易發(fā)熱，并產(chǎn)生電磁諧振，電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加損耗，繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)等。各國(guó)對(duì)電壓畸變和諧波控制都有相應(yīng)的規(guī)定，我國(guó)GB12668?90中規(guī)定，電壓畸變率小于10%，任何奇次諧波均不超過(guò)5%，任何偶次諧波均不超過(guò)2%.使用變頻器后，在電網(wǎng)局部將會(huì)超過(guò)國(guó)際，所以一定要采取相應(yīng)的措施。

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