变频调速节能原理
《变频调速节能技术》课件
变频调速节能技术的应用领域将不断扩大，不仅 局限于电机控制，还将应用于更多领域的节能减 排。
政策支持
随着全球对节能减排的重视程度不断提高，政府 将加大对变频调速节能技术的政策支持力度，推 动其快速发展。
谢谢
THANKS
变频器主要由整流器、滤波器、逆变器和控制器等部分组成。整流器将输入的交 流电转换为直流电，滤波器对直流电进行平滑滤波，逆变器将平滑后的直流电再 转换为频率可调的交流电，控制器则对整个变频器进行控制和调节。
电机的工作原理
电机是一种将电能转换为机械能的装置，其转速与输入电源 的频率成正比。通过改变电机的输入电源频率，可以方便地 调节电机的转速。
电梯系统的变频调速节能
总结词
通过优化电梯电机的运行速度曲线，提高运行效率和节能效果。
详细描述
电梯系统中的电机需要频繁启动和停止，采用变频调速技术可以根据乘客需求和电梯运行状态，动态调整电机运 行速度，减少不必要的能耗，同时提高电梯的运行效率和舒适度。
工业电动机的变频调速节能
总结词
通过精确控制工业电动机的运行速度，降低能源消耗和生产成本。
《变频调速节能技术》PPT课 件
目录
CONTENTS
• 变频调速节能技术概述 • 变频调速节能技术的工作原理 • 变频调速节能技术的应用实例 • 变频调速节能技术的未来发展 • 结论
01 变频调速节能技术概述
CHAPTER
变频调速节能技术的定义与原理
定义
变频调速节能技术是一种通过改变电 机输入电源的频率，从而改变电机转 速，实现设备运行速度调节的技术。
原理
基于电机学中的基本定律，电机的转 速与电源频率成正比，通过改变电源 频率，可以平滑地调节电机转速，实 现设备的无级调速。
变频调速节能量的计算方法
变频调速节能量的计算方法
一、变频调速节能量的计算原理：
1、变频调速系统的计算原理：变频调速是一种采用变频器和变速器，可以根据需要进行调速的节能技术。
它的原理是将普通电机的输入电压和
频率调整，从而改变电机的转速。
变频调速可以替代传统调速系统，从而
减小电机的能耗。
由于变频器设置的转速可以根据负载的变化而变化，可
以节省能量，从而有效节能。
2、变频调速节能量的计算原理：变频调速节能量的计算原理采用差
值律。
可以通过比较电机传统调速前后的输出功率，得出变频调速节能量
的总量。
具体的计算步骤如下：
（1）将电机进行传统调速，并测量其负载功率。
（2）将电机安装变频调速装置，将装置设置为同样的转速，并测量
其负载功率。
（3）将上述两次测量的负载功率的差值（即较低值减去较高值），
即为变频调速节能量总量。
二、计算实例
一台普通电机传统调速前，测量其负载功率P1=20kW；将电机安装变
频调速装置，将装置设置为同样的转速，测量其负载功率P2=15kW；按照
变频调速节能量的计算原理，将较低值减去较高值。
风机水泵变频调速的节能运行原理
风机水泵变频调速的节能运行原理风机和水泵是典型的变转矩负载。
变转矩负载的特性是转矩随速度的上升而上升。
风机和水泵的电动机的轴功率P 与其流量（风量）Q ，扬程（压力）H 之间的关系式如下：P ∝Q×H ④当流量由Q 1变化到Q 2时，电动机的转速为N 1、N 2，Q 、H 、P 相对于转速的关系如下：Q 2＝Q 1×（N 2／N 1）H 2＝H 1×（N 2／N 1）2 ⑤ P 2＝P 1×（N 2／N 1）3而电动机的轴功率P 和转矩T 的关系为： T ∝P ／N 因此：T 2＝T 1×（N 2／N 1）2 ⑥由式⑤和式⑥可以看出，风机和水泵的电动机的轴功率（功率输出）与转速的3次方成正比，而转矩与转速的2次方成正比。
图6（a ）显示出了风机和水泵的扬程（压力）与风量（流量）的关系曲线，图6（b ）显示出转矩与电机速度的关系曲线：从图6中可以看出，在低速时，功率会有很大的下降。
由于风机或水泵运行于额定转速以上是恒功率调速，此时风机和水泵效率很低，机械磨损大，容易损坏电机。
从理论上讲，速度降低10％时会带来30％左右的功率下降，由于功率的大幅度降低，可获得显著的节能效果。
风机水泵在改用变频调速前，要根据实际工况首先取得设备运行的技术参数，进行改造前的一些必要的技术论证，计算是其中最为重要的一个环节，而节能估算又是论证计算中关系到用户是否体现经济效益的重要环节。
在节能方面的计算是无法非常精确的，这是由于实际工况中有许多无法精确预算的影响因素存在。
因此，只能称其为“节能估算”。
节能是指能量形式相互转换过程。
包括能量转换为功的过程中，H 2H 1转矩T 功率P 21转速 100%图6(a)图6(b)努力减少多余的能量消耗，即所谓“所费多于所当费，或所得少于所可得”的那部分能耗，而“当费”与“可得”的那部分是不能被节约的。
对于电力产生的消费来说，“可得”是指发电机应得到的发电效果，“当费”是指用电器（包括电动机）做功的耗效果。
四象限变频调速
四象限变频调速在工业生产中，电机系统的控制和调速是十分重要的。
传统的电机驱动系统往往采用电阻调压、变频调速等方式，而四象限变频调速技术正是一种效率更高、响应更快的电机调速方法。
一、什么是四象限变频调速四象限变频调速是一种电机调速控制方法，可以实现正转、反转、减速、加速等功能。
这种调速方法可以让电机在四个象限内任意运动，极大地提高了电机的控制精度和灵活性。
二、四象限变频调速的原理四象限变频调速通过改变电机的频率和电压来控制电机的转速和扭矩。
其原理是通过变频器改变输入电压和频率，调整电机的转速。
通过反馈控制系统实时监测电机的运行状态，使得电机可以在任意速度下平稳运行。
三、四象限变频调速的优势1.高效节能：通过提高电机效率和减小功耗，节能效果显著。
2.运行稳定：调速精度高，可以保证电机在各种工况下稳定运行。
3.响应迅速：电机可以快速响应控制指令，加速和减速迅速。
4.可实现自动化控制：结合PLC、仪表等控制器，可以实现电机的自动化控制。
5.减小电机损耗：通过降低电机运行过程中的损耗，延长电机寿命。
四、四象限变频调速的应用四象限变频调速技术在各个领域均有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1.工业生产：在食品加工、化工生产、机械加工等行业中，电机调速是必不可少的。
2.电梯和输送设备：电梯、输送机等场合中，四象限变频调速可以实现平稳运行、高效运输。
3.空调系统：通过变频调速技术可以实现空调系统的节能运行，提高空调系统的效率。
4.风电、水泵等领域：风电、水泵等需要根据外部条件调整转速的设备，也可以采用四象限变频调速实现。
五、结语四象限变频调速技术作为电机调速领域的一种创新技术，具有较高的应用价值和实用性。
通过合理的调速控制，可以提高电机的效率、稳定性和寿命，为工业生产和生活带来便利和效益。
变频器节能效率计算完整版
变频器节能效率计算标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]概述在许多情况下, 使用变频器的目的是调速, 尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说, 设计选型往往以最大工况来选。
与实际的工况存在较大的可调整空间。
在运行中根据实际运行需要，按照流量、杨程等调节电动机的转速，从而改变电动机的输出转矩和输出功率，以代替传统上利用挡板和阀门进行的流量和扬程的控制, 节能效果非常明显。
同时分析变频器在选型、应用中的注意事项。
1变频调速原理三相异步电动机转速公式为:60fn=式中：n-电动机转速，r/min；f-电源频率，Hz；p-电动机对数s-转差率,从上式可见交流电动机的调速可以概括为改变极对数，控制电源频率以及通过改变参数如定子电压、转子电压等使电机转差率发生变化等几种方式。
变频器效率维持在94%~96%，变频调速是一种高效率、高效能的调速方式，使异步电动机在整个工作范围内保持正常的小转差率下运转，实现无极平滑调速。
变频工作原理异步电动机的额定频率称为基频，即电网的频率，在我国为50Hz 。
电机定子绕组内部感应电动势为U 1≈U 1=4.44U 1UU 11式中U 1-定子绕组感应电动势，V ；1-气隙磁通，Wb ； U -定子每相绕组匝数；U 1-基波绕组系数。
在变频调速时，如果只降低定子频率U 1，而定子每相电压保持不变，则必然会造成1增大。
由于电机制造时，为提高效率减少损耗，通常在U 1=U U ，U 1=U U 时，电动机主磁路接近饱和，增大1势必使主磁路过饱和，将导致励磁电流急剧增大，铁损增加，功率因素降低。
若在降低频率的同时降低电压使U 1U 1⁄保持不变则可保持1不变从而避免了主磁路过饱和现象的发生。
这种方式称为恒磁通控制方式。
此时电动机转矩为T =U 1UU 12π(U 2U +UU 22U 2)(U 1U 1)2式中T -电动机转矩，；U 1—电源极对数；U—磁极对数；U—转差率；U2—转子电阻；U2—转子电抗；由于转差率U较小，(U2U⁄)2U22则有T≈U1UU12πU2U(U11)2=UU1U其中U=U1U2πU2(U1 U1)2由此可知：若频率U1保持不变则T∝s；若转矩T不变则s∝1U1⁄；常数由此可知：保持U1U1=⁄常数，最大转矩和最大转矩处的转速降落均等于常数，与频率无关。
变频调速器节能原理
变频调速器节能原理
1、变频节能：
为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。
电机不能在满负荷下运行，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费，在压力偏高时，可降低电机的运行速度，使其在恒压的同时节约电能。
当电机转速从N1 变到N2时，其电机轴功率（P）的变化关系如下：
P2／P1 = （N2/N1）3 ，由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。
2、动态调整节能：
迅速适应负载变动，供给最大效率电压。
变频调速器在软件上设有5000次/秒的测控输出功能，始终保持电机的输出高效率运行。
3、通过变频自身的V/F功能节电：
在保证电机输出力矩的情况下，可自动调节V/F曲线。
减少电机的输出力矩，降低输入电流，达到节能状态。
4、变频自带软启动节能：
在电机全压启动时，由于电机的启动力矩需要，要从电网吸收7 倍的电机额定电流，而大的启动电流即浪费电力，对电网的电压波动损害也很大，增加了线损和变损。
采用软启动后，启动电流可从0 -- 电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，节约了电费，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
5、提高功率因数节能：
电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。
绕组由于其感抗作用。
对电网而言，阻抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数很低。
采用变频节能调速器后，由于其性能已变为：
AC－－DC －－AC，在整流滤波后，负载特性发生了变化。
变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性，功率因数很高，减少了无功损耗。
变频调速节能原理及其在油田的应用
就能平
(3 ) 变 转
．
中 间 环 节 的 滤 波 方 式 不 同 电压 型 采 用 电 容滤 波 逆 变器工 作于 恒 压 源状态 这 类
，
，
转 移 ]~J A 的面 积 较
。
3
．
所 用 电量 为 O H3 A
3Q 2所
包围
无 级 的调 节 电动 机 的转 速
。
；
变频 器 特 别 适 用 于 对 多电动机供 电 如化
：
要 求低 速 转 动 的场 合
。
改 变 电动 机 的 磁 极 对 数
。
即通
．
) 间接 变频 器
又称AC
-
DC
-
AC变
过 改 接 定 子 绕 组 的连 接 方 式 来 实 现
图
1
变
，
频器
．
．
分 为 电压 型 变 频 器 和 电 流 型 变 频
极 调 速 是 改 变 异 步 电动 机 的 同 步 转 速
重庆维普
●
-_________二 ___川二
鲨堡望
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，
．一
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—
而 风 机 泵 类 属 于 平 方 型 负载
转距
上 万 kw
．
所 以 目前 该 方 案 使 用 较 多
。
比于 转 速 n 平 方 即
，
：
M
。c
n
2
。
(2 )
Q正
2
、
变 频 调 速 装 置 的种 类 与特点 任何
(5 )
种
-
：
由 电机 学 知 识 知 道
．
交 流 异 步 电动
举例说明离心式风机与水泵采用变频调速节能的原理
举例说明离心式风机与水泵采用变频调速节能的原理在各种工业用风机、水泵中，如锅炉鼓、引风机、深井、离心泵等，大部分是额定功率运行，而它们的能耗都与机组的转速有关。
通常在工业生产、产品加工制造业中风机设备主要用于锅炉燃烧系统、烘干系统、冷却系统、通风系统等场合，根据生产需要对炉膛压力、风速、风量、温度等指标进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况。
风机流量的设计均以最大风量需求来设计，其调整方式采用调节风门、挡板开度的大小、回流、启停电机等方式控制，无法形成闭环控制，也很少考虑省电。
这样，不论生产的需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。
在生产过程中，不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。
从而导致生产成本增加，设备使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。
同样，离心式水泵在我国当前的工业生产和人民日常生活中起到很大的作用，水泵使用三相异步电动机进行拖动，水泵流量的设计同样为最大流量，压力的调控方式只能通过控制阀门的大小、电机的启停等方法。
这种人为增加管阻的调节方式虽然满足了生产生活所需的对流量的控制，但是浪费了大量的电能，不是一种经济的运行方式。
电气控制采用直接或Y-△启动，不能改变风机和水泵的转速，无法具有软启动的功能，机械冲击大，传动系统寿命短，震动及噪声大，功率因数较低等是其主要难点。
为解决这些难题，相关科研技术人员根据生产需要对风机和水泵等装置的转速进行控制和调节以适应工艺要求和运行工况，在满足生产需求的基础上又节约了能源。
所以，变频调速对生产生活具有十分重要的意义，这也就意味着我们有必要了解风机和水泵等装置采用变频调速节能的原理。
为了对变频调速节能原理有更清晰、更深入的理解，我们可以先从变频器的工作原理出发。
变频器电路（见下图）的基本工作原理为：三相交流电源经二极管整流桥输出恒定的直流电压，由六组大功率晶体管组成逆变器，利用其开关功能，由高频脉宽调制（PWM）驱动器按一定规律输出脉冲信号，控制晶体管的基极，使晶体管输出一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，其幅值为逆变器直流侧电压Vd而宽度则按正弦规律变化，这一组脉冲可以用正弦波来等效，此脉冲电压用来驱动电机运转，通过控制PWM驱动器输出波形的幅值和频率，即可改变晶体管输出波形的频率和电压，达到变频调速的目的。
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2.1 变频调速节能原理
从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的风机、水泵负载，轴功率P 与流量Q ，扬程H 的关系为：H Q P ⨯∝
当电动机的转速由n1变化到n2时,Q 、H 、P 与转速的关系如下:
1212n n Q Q ⨯
=
(1)
2
1212⎪
⎪⎭⎫
⎝⎛⨯=n n H H (2)
2p =1p 3
1
2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯n n
(3)
可见流量Q 和电机的转速n 是成正比关系的，而所需的轴功率P 与转速的立方成正比关系。
所以当需要80％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40Hz 即可，这时所需功率将仅为原来的51.2％。
如下图所示，从风机、水泵的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。
扬程H
H2
H1
流量Q
HB
O
风机、水泵的运行曲线图
当所需风量、流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A 点变到新的运行工况点B 点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机、水泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机、水泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A 点移至C 点。
此时所需轴功率P3与面积HB ×Q2成正比。
从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB ）×（C-B ）的面积成正比。
考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机泵类通过调速控制可节能20％～50％，有些风机负载节能比例达60%以上。
2.2 变频改造节能分析
2.2.1改造前工频运行功率计算公式
φcos 732.11⨯⨯⨯=I U P
U ：电机电压，kV ；I ：电机电流，A ；1P ：单一负荷下工频运行功率，kW ；
φcos ：单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。
()∑⨯⨯=δ11P T C
T ：全年平均运行时间，h ；1P ：单一负荷下的运行功率，kW ；
δ：这种负荷下的全年运行时间比例；1C ：改造前总耗电量，h kw ⋅。
改造后变频运行预计功率计算公式： 1）入口风门调节： 利用公式：
额
额额额ηη1111
H P H P Q Q =计算出额Q Q 1的比。
1P ：工频运行功率，KW ；额P ：风机额定轴功率，KW ；
额
额ηη11
H H ：运行工况与额定工况下的效率、压力比，一般近似取1， 根据改造风量不变的原则，有21Q Q =，其中2Q 为改造后的风量。
所以
额
额Q Q
Q Q 21=。
再根据η/3
22⎪⎪⎭⎫
⎝⎛=额额Q Q P P ，即η/3
22⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯=额额Q Q P P 计算出2P 。
其中2P 是变频改造后预计运
行功率，η为变频装置的效率。
()∑⨯⨯=δ22P T C ，2C ：改造后总耗电量，h kw ⋅。
2.2.2 1#主扇节能分析
改造前工频运行功率
W 200cos 732.11=⨯⨯⨯=φI U P
W 170cos 732.11.1=⨯⨯⨯=φI U P
改造后变频运行预计功率
适配风机的电机容量一般为风机的1.05-1.25倍。
根据风机参数，以下计算取1.25倍，功率参数
额
额ηη11H H 取1.1。
由节能原理风量与功率的关系
a b Q Q =a
b a b
a b H P H P ηη可知： 额Q Q 1=额额额ηη111H P H P =873.0＝25.1315200
1.1÷⨯ 额Q Q 1=额额额ηη111H P H P =7421.0＝25
.1315170
1.1÷⨯
其中额Q 为额定风量；额P 为额定轴功率；1Q 为工频运行下的风量。
根据改造风量不变原则有1Q ＝2Q ，其中2Q 为改造后的风量。
所以变频改造后风机平均功率为
kW 7.174＝96.0/873.025.1315＝/）Q Q （
P ＝P 33
额
2额2⨯÷⨯η kW 3.107＝96.0/7421.025.1315＝/）Q Q （
P ＝P 33
额
2额1.2⨯÷⨯η 其中变频装置的效率η取保守值0.96。
节能比例
()()1。
111。
21。
121
＋＋P P P P P P
-- ()()%7.23170＋2003.107-170＋74.71-200==
按当地0.50元/度电价和全年360天运行时间计算
每年节约电费约（200-174.7+170-107.3）×24×360×0.50＝38万元
2.2.2 2#主扇节能分析
改造前工频运行功率
W 210cos 732.11=⨯⨯⨯=φI U P
W 180cos 732.11.1=⨯⨯⨯=φI U P
改造后变频运行预计功率
适配风机的电机容量一般为风机的1.05-1.25倍。
根据风机参数，以下计算取1.25倍，
功率参数
额
额ηη11H H 取1.1。
由节能原理风量与功率的关系
a b Q Q =a
b a b
a b H P H P ηη可知： 额Q Q 1=额额额ηη111H P H P =91667.0＝25.1315210
1.1÷⨯ 额Q Q 1=额额额ηη111H P H P =7857.0＝25
.1315180
1.1÷⨯
其中额Q 为额定风量；额P 为额定轴功率；1Q 为工频运行下的风量。
根据改造风量不变原则有1Q ＝2Q ，其中2Q 为改造后的风量。
所以变频改造后风机平均功率为
kW 2.202＝96.0/9167.025.1315＝/）Q Q （
P ＝P 33
额
2额2⨯÷⨯η kW 8.128＝96.0/7857.025.1315＝/）Q Q （
P ＝P 33
额
2额1.2⨯÷⨯η 其中变频装置的效率η取保守值0.96。
节能比例
()()1。
111。
21。
121
＋＋P P P P P P
-- ()()%15180＋2108.128-180＋202-210==
按当地0.50元/度电价和全年360天运行时间计算
每年节约电费约（210-202+180-128.8）×24×360×0.50＝25.6万元
2.2.3节能分析小结
按当地0.50元/度电价和全年360天运行时间计算
注：以上计算均属于理论计算值，存在一定的偏差。