山東省建筑設計研究院      劉波   霍亭

哈爾濱工業大學      方修睦

中國市政工程中南設計研究總院有限公司      王磊

摘   要：從理論上以及參考相關文獻介紹分析了水泵裝置中變頻器、電機以及水泵的效率隨負載和頻率的變化規律。并且通過試驗驗證了變頻器效率及變頻水泵裝置效率隨流量和頻率的變化規律。為設計師與工程師評估水泵裝置總能耗，尋找節能途徑提供了信息。

關鍵詞：變頻器；電機；水泵效率

0   引言

據統計測算，2011年，我國電機保有量約17萬億kW，總耗電量約3萬億kW·h，占全社會總用電量的64%，其中工業領域電機總用電量為2.6萬億kW·h，約占工業用電的75%。在大型公共建筑供暖空調電力消耗中，60%~70%由輸送和分配冷量熱量的風機、水泵所消耗，目前在建筑系統中風機、水泵的電力消耗(包括集中供熱系統水泵電耗)占我國城鎮建筑運行電耗的10%以上^[1-3]，由此可見，電動機、水泵、風機的節能具有十分重要的國家能源戰略意義和現實的經濟社會效益。隨著變頻器的廣泛應用與節能的需求，將變頻器與風機水泵結合的變頻調速裝置正日益受到關注。

國內眾多學者對水泵及電機進行了大量深入的研究，但對變頻水泵中變頻器及其水泵系統的效率研究不多，且易忽視變頻器在實際運行時效率的問題。本文就上述問題進行了介紹分析，以期引起對變頻器在空調系統和熱網中效率的關注和討論，同時也為評估空調和熱網能耗、尋找節能途徑提供信息。

1   水泵裝置效率

常規的水泵裝置由電機和水泵兩部分組成，目前所用的變頻水泵，是由水泵、電機及變頻器三部分組成的，在文獻[4]中將前者稱為定速水泵裝置，后者稱為變頻水泵裝置。要分析水泵裝置的效率，除了要分析裝置整體的效率外，不可避免地還要研究水泵、電機、變頻器各部分效率與損耗，只有這樣，才能對變頻水泵裝置有一個清晰的認識和正確的判斷。定速水泵裝置的能量損耗由電機損耗和水泵損耗兩部分構成，其效率可以表示為公式（1）；變頻水泵裝置損耗由變頻器損耗、電機損耗、水泵損耗三部分組成，其效率可以表示為公式（2）。

式中：N為由電源提供給變頻水泵裝置的電量（W）；η₁、η₂ 、η_b 、η_m 、η_VFD分別為定速泵裝置效率、變頻水泵裝置效率、水泵效率、電機效率、變頻器效率；H為水泵的揚程（mH₂O）；G為水泵流量（m3/s）；ρ為水的密度（kg/m³）；g為重力加速度（m/s²）。

2   變頻器原理、損耗及效率分析

2.1   變頻器原理

變頻器是把交流工頻電源（50Hz或60Hz）變換成電壓、頻率均可變的適合交流電機調速的電力電子交換裝置。變頻器通過改變電動機電源頻率f，進而改變旋轉磁場的轉速（同步轉速）與電動機輸出軸的轉速，從而改變與電機相連水泵的轉速，這就是水泵調速的原理。異步電動機轉速表達式為：

式中：n_M、n₀分別為異步電動機的轉速、電動機同步轉速（r/min）；f為異步電動機電源的頻率（Hz）；s為電動機轉差率（%）；p為電動機磁極對數。

從上式可以看出，通過改變極對數、轉差率和頻率都可以對異步電機調速。前兩種方法轉差損耗大，效率低，只能有級調速；而改變頻率便可做到對電機的無極調速，當頻率f在0~50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。

變頻器按結構分為交—交變頻器和交—直—交變頻器，交—交變頻器多用于低速大功率系統中，交—直—交變頻器多用于高速小容量電機；按直流電源分為電流型和電壓型，電流型用于頻繁調速、負載電流變化較大的場合，電壓型多應用于風機、水泵等；按開關方式分為脈沖幅值調節（PAM）型、脈寬調制方式（PWM）型、高載頻PWM型，我們通常使用的通用型變頻器為交—直—交PWM電壓型變頻器。
交—直—交型變頻器由整流電路、逆變電路和中間直流電路三部分組成，基本框圖如圖1所示。

圖1   交—直—交變頻器電路的基本框圖

2.2   變頻器的損耗

變頻器運行過程也是其內部能量轉換的過程，而能量轉換一般會伴隨著損耗。變頻器的損耗由整流損耗、逆變損耗與控制回路損耗三部分組成。其中整流損耗和逆變損耗取決于電力半導體器件的通態損耗和開關損耗，約占總損耗的90%，控制回路損耗約占10%^[5]，控制回路的損耗不隨變頻器容量和負載的變化而變化。

對于小功率的變頻器，變頻器的損耗占總損耗的比例很小，可以不考慮這一部分損耗；但對于中等及中等以上的變頻器，變頻器的損耗占總損耗的比例變大，不能予以忽略^[6]。文獻[7]介紹了變頻器供電 100kW 的異步電動機，在額定負載下變頻器的損耗與電機的損耗幾乎各占一半。Kim等 ^[8]研究了考慮變頻器的損耗對異步電動機效率優化的影響，研究結果表明，考慮變頻器、電機損耗與僅考慮電機損耗相比對效率優化控制結果影響并不明顯，但考慮變頻器損耗對負載擾動具有更好的魯棒性，山東大學的張承慧^[9]等人也從理論分析和實驗研究了考慮變頻器損耗與電機損耗對異步電動機效率優化的影響，實驗和理論分析表明：變頻器損耗和電機損耗不影響全變速泵站效率優化的控制決策，但在計算和評估全變速泵站的節能效果時，必須考慮變頻器損耗和電機損耗。

2.3   變頻器效率

為了研究變頻器的效率特性，美國加利福尼亞理工大學的查爾斯教授及其團隊對變頻器和電動機進行了試驗研究。當變頻器輸出頻率為額定頻率的100%時，即變頻器輸出頻率為額定頻率時，在帶動不同負載的電機時，不同的負載情況下，變頻器的效率如圖2所示。由圖2可以看出，當變頻器輸出頻率為額定頻率時，隨著負載率上升，其效率逐漸增加；當負載率為60%時，效率增加速度緩慢；負載率為60%~105%時，效率基本為最大值；當負載率在20%~105%之間時，變頻器效率在0.972~0.992范圍內，效率波動不大^[10]。

圖2   額定頻率下不同電機的不同負載時變頻器效率曲線

Wallbom-Carlson列出了電機在不同轉速下，變頻器的效率值^[11]，如表1所示。

表1   不同輸出頻率下變頻器效率

圖3   不同轉速下，變頻器的效率曲線

文獻[12]列出了變頻器效率與轉速的曲線圖，如圖3所示。變頻器效率與相對轉速的關系大致可以擬合成公式（5）形式：

式中：x為電機實際轉速（實際頻率）與額定轉數（額定頻率）的百分比（%）。

按照公式（5）計算出的效率與表1中所列數據大致相等。按此規律，變頻器的效率隨著電機頻率（轉速）降低而降低。當輸出頻率為額定頻率時，變頻器效率為97%；當輸出頻率為額定頻率70%時，效率為90%左右；當輸出頻率為額定頻率40%時，效率下降到80%左右。

文獻[13]列出了不同頻率下，不同轉矩時的變頻器的效率曲線。

從圖4同樣可以看出，變頻器的效率受負載率和輸出頻率的影響，其大致規律為：負載率降低或輸出頻率降低，變頻器的效率隨之降低；負載率降低或輸出頻率升高，變頻器的效率隨之升高。

圖4   不同頻率不同負載率時變頻器效率

3   電動機效率

電動機的損耗主要由三部分組成：機械損耗、銅損耗以及鐵損耗。其中機械損耗包括摩擦損耗、空氣阻力和噪音損耗，但一般情況下，機械損耗占電動機損耗比例很小。銅損一般指的是線圈上將電能轉換為熱量的能耗。由磁滯和渦流所產生的損耗為鐵損。當負載高時，銅損占主導地位；負載低時，鐵損占主導地位；當銅損與鐵損大小相同時，電動機效率最高^[14] 。

電動機的效率也同時受負載和頻率影響，文獻[15]列出了電機效率與負載率的關系曲線，如圖5所示。觀察圖5可知，當負載率大于40%時，電機效率在90%以上；當負載率小于40%時，電機效率驟減。

圖5   電機效率與負載率關系曲線

為了研究電動機在不同頻率下的效率特性，貴州大學針對此問題做了不同頻率下的負載實驗，實驗平臺如圖6所示，筆者對其數據進行了整理，做出了不同頻率、不同負載率下的效率曲線以饗讀者，如圖7所示^[16]。

圖 6   電動機測試實驗平臺	圖7   不同頻率不同負載率時電機效率曲線

由圖7可以看出：（1）在電機頻率為50Hz時，負載率大約在70%~90%時電機效率達到最高；負載率小于40%時，隨著負載率降低，電機效率驟減；負載率大于100%時，隨著負載率增加，電機效率逐漸降低。（2）將不同頻率下的電機效率對比可以看出，同一個負載下，頻率降低，電機效率同時降低。

4   水泵效率

水泵的效率由三部分相乘得來，即：

式中：η_j為機械效率（無量綱）；η_r為容積效率（無量綱）；η_s為水力效率（無量綱）。

水泵的額定流量一般定義為水泵工頻時效率最高點對應的流量，即為額定流量。水泵的效率隨流量變化一般呈如下規律：實際流量小于額定流量時，隨著實際流量增加，效率逐漸增大；實際流量等于額定流量時，效率達到最大值；實際流量大于額定流量時，隨著實際流量增加，效率逐漸降低^[17]。

當管網特性曲線為狹義管網特性曲線時，管網不變，水泵變頻調節時，變頻水泵滿足相似率關系，效率相等。不同頻率下，變頻水泵的效率曲線示意圖8所示^[18]。

圖 8   不同頻率下水泵效率曲線

因此，水泵本體效率規律可以總結如下：（1）水泵工頻時，水泵在額定流量時，效率最高；低于或者高于額定流量，水泵效率都會降低。（2）在滿足相似率的情況下，不同頻率下，水泵效率相同。

5   試驗研究

為了分析及驗證變頻器及變頻水泵裝置隨負載和頻率的變化規律，筆者進行了相關試驗。

5.1   試驗條件及數據處理方法

試驗水泵型號為：TP65–190/2 A–F–A–BAQE，額定流量為33.3m³/h，額定揚程為14.9mH₂O，額定功率為2.2kW。變頻器型號為EV1000-4T0022G。變頻水泵裝置節能測試系統見圖9，管網為閉式管網。測試所用的儀表的技術參數見表2。

圖9   變頻水泵裝置節能測試系統圖

1—用戶系統；2—差壓變送器；3—功率表；4—變頻器；5—電源；6—電源線；7—水箱；8—止回閥；9—軟接頭；10—壓力表；11—電磁流量計；12—蝶閥

表2   試驗儀表技術參數

水泵實驗工況分為變頻水泵工況和定速泵工況。變頻水泵工況實驗示意圖如圖9所示，定速泵工況時，將電源直接接到圖中9所代表的功率表上，從功率表出來接入電機。

5.2   試驗結果

調節管網阻力，分別進行定速泵裝置試驗和變頻水泵裝置頻率等于50Hz和40Hz的試驗，測量不同管網阻力條件下電源輸入功率、頻率、水泵揚程及流量，可以得到圖10所示的不同負載下水泵裝置的特性曲線。

圖10   不同負載下變頻水泵裝置各部分效率曲線圖（注：變頻器效率對應右邊次坐標軸）

由圖10可以看出（1）定速泵裝置效率比50Hz時變頻水泵裝置效率稍微高一點。如，水泵裝置流量為額定流量時，定速泵裝置效率為50.44%，50Hz時變頻水泵裝置效率為49.48%，有微小的差距。原因在于變頻器消耗了一部分能量。（2）流量變化（對應負載變化）對變頻器效率影響非常微小。50Hz時，變頻器效率在97.8%~98.3%之間波動；40Hz時，變頻器效率在96.6%~97.1%之間波動。與2.3中查爾斯教授分析基本一致。（3）定速泵裝置效率、50Hz時水泵+電機效率以及40Hz時水泵+電機效率隨流量變化趨勢基本一致，水泵裝置流量為額定流量時（40Hz時，水泵裝置對應的額定流量應該為工頻時額定流量乘以0.8），效率最高，低于或者高于額定流量，效率降低。（4）50Hz時變頻水泵裝置效率變化曲線與其對應的水泵+電機效率基本一致，此時變頻器效率基本接近1。40Hz時變頻水泵裝置效率變化曲線與其對應的水泵+電機效率差距明顯，變頻器效率相比50Hz時降低。

保持管網阻力不變，調節變頻器的頻率，改變水泵的轉速，測量不同轉速條件下電源輸入功率、頻率、水泵揚程及流量，可以得到圖11所示的變頻水泵裝置的特性曲線。

圖11   不同頻率下變頻水泵裝置各部分效率功率曲線圖

由圖11可以看出：（1）在管網阻力不變情況下，變頻器頻率由50Hz逐漸降低至24Hz時，變頻器效率從97.97%逐漸降到92.68%。與文獻[11]、[12]所列變化趨勢基本一致。（2）變頻水泵裝置頻率為50Hz時，對應的效率為49.44%；當f=40Hz~50Hz之間時，效率變化不大（49.44%~48.99%），效率變化＜1.0%；隨著頻率繼續降低，效率逐漸下降，當f =26Hz時，效率為41.31%，下降了8.13%；當f =24Hz時，效率為38.22%，下降了11.22%。（3）即使管網為狹義管網特性曲線，在變頻工況下，變頻水泵裝置功率也不能滿足三次方關系。如50Hz時，變頻水泵裝置功率為2440W，當變頻水泵效率降低至30Hz時，對應功率為617W。而617/2440=0.253，并不等于0.6的三次方。同理，50Hz時變頻水泵裝置中，水泵+電機的功率也不滿足三次方關系。究其原因，電機和變頻器功率隨頻率并不是三次方關系。

6   結論

（1）負載和頻率影響變頻器的效率。在負載為額定負載時，變頻器效率最高，隨著負載降低，變頻器效率逐漸降低。但負載的變化對頻率影響很小，變頻器效率變化可以忽略。頻率對變頻器效率影響比負載的影響大，在本試驗中，頻率由50Hz降至24Hz時，效率由97.97%逐漸降到92.68%。

（2）負載和頻率影響電機的效率。負載在額定負載附近時，電機效率最高，隨著負載降低，電機效率逐漸降低。頻率同時也影響電機效率，頻率降低，電機效率隨之降低。

（3）水泵工頻時，水泵在額定流量時，效率最高；低于或者高于額定流量，水泵效率都會降低。在滿足相似率的情況下，不同頻率下，水泵效率相同。

（4）定速水泵裝置效率由電機效率和水泵效率相乘得來，定速水泵裝置效率比水泵效率要降低一些，差值由電機損耗造成的。其大體規律仍是：水泵裝置在額定流量時，效率最高，低于或者高于額定流量，效率降低。

（5）變頻水泵裝置效率由變頻器效率、電機效率和水泵效率相乘得來。變頻水泵裝置效率曲線比水泵效率曲線要低，差值由變頻器和電機損耗造成。頻率變化，水泵效率不變，但變頻器效率、電機效率隨頻率變化，因此，即使管網為狹義特性管網，水泵變頻調速時，也不能滿足三次方相似關系。

參考文獻

[1] 張燕賓. 變頻器應用教程[M]. 機械工業出版社, 2007.

[2] 黃威，黃禹變頻器的使用與節能改造[M]. 化學工業出版社, 2011.

[3] 江億. 我國建筑耗能狀況及有效的節能途徑[J]. 暖通空調, 2005, 35(5):30–40.

[4] 劉波,方修睦，姜永成,等. 變頻水泵裝置調速特性試驗研究[J]. 暖通空調, 2015,45(8):47–52.

[5] Clemente S. A simple tool for the selection of IGBTs for motor drives and UPSs. Conf. Rec. of IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1995: 755–764.

[6] Abrahamsen F, Blaabjerg F, Pedersen J K, et al. Efficiency-optimized control of medium-size induction motor drives. IEEE Trans on, Ind. Appl .,2001,37(6): 1761–1767.

[7] Abrahamsen F, Blaabjerg F, Pedersen J K, et al. On the energy optimized control of standard and high-efficiency induction motors in CT and HVAC applications. IEEE Trans. on Ind. Appl., 1998,34(4): 822–831.

[8] Kim G S, Ha I J, Ko M S. Control of induction motors for both high dynamic performance and high power efficiency. IEEE Trans. on Ind. Electronics, 1992, 39(4):323–333.

[9] 張承慧, 夏東偉, 石慶升. 計及變頻器和電機損耗的全變速泵站效率優化控制[J]. 電工技術學報, 2006, 21(5):52–57.

[10] Burt C M, Piao X, Gaudi F, et al. Electric motor efficiency under variable frequencies and loads[J]. Journal of irrigation and drainage engineering, 2008, 134(2):129–136.

[11]  Wallbom-Carlson, A. (1998). “Energy comparison. VFD vs. on-off controlled pumping stations.” Scientific impeller, ITT Flygt  AB, Sweden, 29–32.

[12]  Michel A. Bernier, BernardBourret. Pumping energy and variable frequency drives. ASHRAE journal, 1999, 41(12):37–40.

[13]  Burt C M, Piao X, Gaudi F, et al. Electric Motor Efficiency Under Variable Frequencies and Loads[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2008, 134(2):129.

[14]  Gao, Xingshun. Energy consumption of HVAC variable speed pumping systems[D]. University of Alabama, 2002.59–69.

[15]  呼朝. 影響電機效率的因素及現實中提高電機效率的方法淺析[J]. 科技信息, 2008(28).

[16]  Stebbins,W.L.1996.“Motor efficiency and performance.”Practical Guide to Electrical Engineering for HVAC & R Engineers,Supplement to ASHRAE Journal, November.

[17]  羅杰. 普通交流異步電動機變頻調速的性能研究[D]. 貴州大學, 2006.

[18]  董哲生. 空調水系統阻力計算及水泵選型若干問題[J]. 暖通空調, 2006, 36(9):45–47.

[19]  姜校林. 變頻泵及其供水系統效率曲線的確定[J]. 暖通空調, 2008, 38(1):85–87.

備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期。
版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。