变频调速系统的效率与损耗

    (1)变频器的效率

    变频器的效率是指其本身变换效率，交-交变频器尽管效率较高，但调频范围受到限制，应用也受到限制，目前通用的变频器主要为交-直-交型，交-直-交变频器的损耗由三部分组成，整流损耗约占总损耗的40%，逆变损耗约占50%，控制回路损耗占10%。其前两项损耗是随着变频器的容量、负载、拓扑结构的不同而变化的，而控制回路损耗不随变频器容量、负载而变化。变频器采用大功率自关断开关器件等现代电力电子技术，其整流损耗、逆变损耗等都比采用传统电子技术的损耗小，变频器在额定状态运行时，其效率一般为86. 4%~96%，变频器的效率随着变频器功率增大而提高。

    (2)电动机效率和损耗

    电动机变频调速后的各种损耗和效率均有所变化，根据电动机学理论，电动机的损耗可分为铁心损耗（包括磁滞损耗和涡流损耗）、轴承摩擦损耗、风阻损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、杂散损耗等几种。

    1)铁心中的磁滞损耗表达式为

    Pn=σn(f/50)(B/10000)nGc    (2-1)

    由式(2-1)可知磁滞损耗与磁滞损耗系数σn、铁心中磁通密度B、铁心重量Gc及电源频率f有关，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。

    2)涡流损耗表达式为

    Pe∝af2    (2-2)

    3)轴承摩擦损耗表达式为

    Pz∝f1.5    (2-3)

    4)风阻损耗表达式为

    Pf∝f3    (2-4)

    5)定子绕组铜耗和转子绕组铜耗的大小与电源频率f没有直接关系，但谐波及脉动电流增加了电动机的铜耗。

    6)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，如通用的正弦波变频器(PWM)，其载波频率高达几千至十几千赫兹，附加谐波的转矩方向是与基波转矩方向相反的，另外谐波也会增加涡流损耗。

    综上所述，电动机变频调速后的磁滞损耗、涡流损耗、轴承摩擦损耗、定转子铜损及杂散损耗在功率中所占比例都有所增加，有关文献指出，变频调速后电动机电流增加10%，温升增加20%。

    变频器负载率β与效率η的关系曲线如图2-1所示，由图2-1可见：当β=50%时，η=94%；当β=100%时，η=96%。虽然β增加一倍，η变化仅2%，但对中大功率变频调速系统，如几百千瓦至几千千瓦电动机而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：

    1)变频器功率值与电动机功率值相匹配时最合适，以使变频器在高的效率值下运行。

    2)在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，并应略大于电动机的功率。

    3)当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。

    4)经实际测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意电动机瞬时峰值电流是否会造成变频器过电流保护动作。

    当变频器与电动机功率不相同时，必须修改相关参数的设置，以利于经济运行。

    图2-1    变频器负载率β与效率η的关系曲线