小議工業(yè)節能領(lǐng)域中壓變頻器應用中的能耗問(wèn)題

摘 要：隨著(zhù)工業(yè)節能的逐漸普及，中壓變頻器的應用逐漸普遍起來(lái)。在用戶(hù)使用變頻節能技術(shù)時(shí)，往往對變頻器本身的效率指標非常關(guān)注。但實(shí)際測量變頻器運行功耗時(shí)經(jīng)常出現偏差。本文簡(jiǎn)要說(shuō)明了這些變差形成的原理以及避免誤差應采取的能耗折算辦法。

近年來(lái)，隨著(zhù)我國推進(jìn)能源利用效率和減碳水平提升工作的不斷開(kāi)展。中壓變頻器因其在工業(yè)系統中顯著(zhù)實(shí)現節能作用，正愈來(lái)愈廣泛地被應用在電力、石油、化工、采礦、冶金、市政等各種工業(yè)行業(yè)。由維諦技術(shù)(Vertiv,NYSE:VRT)出品的MegaVert中壓變頻產(chǎn)品以其穩定獲取節能收益、久經(jīng)考驗的可靠性、以及全方位的運維保障服務(wù)正在成為我國石油石化企業(yè)應用節能技術(shù)顯著(zhù)提高生產(chǎn)率、增強效率和降低運行成本的明智之選。

中壓變頻產(chǎn)品具有非常高的效率，許多廠(chǎng)商都對此大加宣傳，用戶(hù)也在許多相關(guān)項目中把中壓變頻器效率下限值作為重要的技術(shù)衡量標準，比如“效率不得低于96%或97%”。

而在現場(chǎng)實(shí)際驗收過(guò)程中，甚至會(huì )發(fā)現中壓變頻器的效率實(shí)測值超過(guò)100%。那么，中壓變頻器真的可以像“永動(dòng)機”一樣能夠不遵守能量守恒定律，產(chǎn)生的能量多于消耗能量嗎?

這個(gè)問(wèn)題的答案既是肯定的又是否定的，在實(shí)際的測量環(huán)境下，中壓變頻器的實(shí)測效率確實(shí)可能超過(guò)100%。但是，這僅說(shuō)明現場(chǎng)通常采用的測量方式并不能達到測量變頻器效率的活動(dòng)目的。

中壓變頻器效率雖高，但仍會(huì )產(chǎn)生一定的損耗，其中大部分與逆變器的開(kāi)關(guān)損耗和傳導損耗有關(guān)，其次是整流器損耗、母線(xiàn)損耗、濾波器、阻尼元件或冷卻和控制系統的自身消耗。雖然通過(guò)精心的計算和設計，維諦技術(shù)的工程師們早就對中壓變頻器的損耗進(jìn)行了優(yōu)化，限制器件的溫升、以提高M(jìn)egaVert中壓變頻器的生命周期、實(shí)現設備的最佳利用率，但是損耗始終存在。

通過(guò)理論計算的效率

MegaVert的原理結構如圖1所示。電網(wǎng)送來(lái)的三相10kV(或6kV)交流電，經(jīng)移相變壓器，由其副邊每相的8(或5)個(gè)二次線(xiàn)圈電壓逐個(gè)移相，供電給功率單元，三相共24(或15)個(gè)功率單元，形成Y聯(lián)結結構?？刂艻GBT的通斷，即可在CL1、CL2(見(jiàn)圖4)兩點(diǎn)之間得到PWM波形，8(或5)個(gè)功率單元相疊加進(jìn)行波形合成，可輸出中壓正弦波給感應電動(dòng)機。

圖1 MegaVert系統框圖

中壓變頻器功率單元部分的效率≥98.5% ，輸入隔離變壓器的額定效率≥98.2%，再考慮整體散熱風(fēng)機的損耗，因此包括MegaVert中壓變頻器的滿(mǎn)載整體效率是96%以上。準確的計算值取決于中壓變頻器的拓撲類(lèi)型、運行條件、電機參數等。

通過(guò)測量輸入和輸出功率確定的效率

在現場(chǎng)驗收中，當問(wèn)及如何測量中壓變頻器的效率時(shí)，大多數情況下的方案是測量輸入和輸出功率的方法。這聽(tīng)起來(lái)也很直截了當。然而，這種方法有兩個(gè)問(wèn)題：分別是測量不準確和儀表公差。

每個(gè)測量設備都有一定的精度，這意味著(zhù)測量中必然存在很小的誤差。通過(guò)使用具有高精度和徹底校準的優(yōu)質(zhì)設備，可以最大限度地減少誤差。但總是存在一些殘余錯誤。由于MegaVert中壓變頻器的效率非常高，即使是很小的誤差也會(huì )對計算效率產(chǎn)生相當大的影響。

精確的電流和電壓互感器 (CTs abd VTs) 的精度等級可能為 0.2，即誤差為 0.2%?？紤]到更高精度等級儀表產(chǎn)品的價(jià)格和獲取難度，現場(chǎng)的實(shí)際精度比這個(gè)等級更低，原因如下：

1、大多數0.2% 精度等級通常僅針對窄頻率范圍(例如 45 至 65 Hz)給出，而實(shí)際中可能要求MegaVert中壓變頻器在50%、75%、100%負載分別測量效率。而這些頻率點(diǎn)測量的誤差很可能會(huì )增加，并且互感器制造商甚至根本無(wú)法保證這些精度的擴散是有規律或可預測的。

2、MegaVert中壓變頻器采用多脈沖移相變壓器輸入，輸入脈沖數達48脈沖(6kV30脈沖)，可有效消除47次以下諧波(6kV29次)，對電網(wǎng)無(wú)諧波污染。同時(shí)輸出變頻器為33電平(6kV為21電平)，在調速范圍內諧波畸變 THD 小于 2%，滿(mǎn)足IEEE519-1992 及 GB/T14549-1993 的諧波(電壓、電流)抑制標準，不影響同一電網(wǎng)上其他設備和本體控制系統的正常運行。

但中壓變頻器的波形不是100%完美的正弦波。它們總是包含一些諧波畸變失真。

綜上，在實(shí)測中功率測量包含電壓測量、電流測量、電壓和電流之間的相位角誤差、諧波失真引起的誤差以及最終還包括由于 CT 或 VT 超出其規格而導致的誤差的組合誤差?？偨Y所有這些因素，預期總測量容差會(huì )在 0.5% 到 1.0% 的范圍內。

根據上述表達式，測量公差顯著(zhù)影響以這種方式確定的效率。盡管 0.5% 的綜合測量誤差已經(jīng)是相對不錯的水平(實(shí)際上確實(shí)如此)，但它對計算效率產(chǎn)生了巨大影響。下面我們展示一個(gè)示例加以說(shuō)明。

表 1：根據輸入和輸出功率測量確定的效率對比

如上表所示，一個(gè)2800 kW 的MegaVert中壓變頻器，在其額定負載下具有90kW的損耗。這對應96.88% 的效率。但在根據輸入和輸出功率確定效率時(shí)，考慮功率測量的測量誤差會(huì )發(fā)現，該表顯示了 0.5% 和 1.0% 組合測量誤差的結果(請注意，這與 CT/VT 精度等級不同)。 0.5% 的誤差最大效率達到 97.9%。“實(shí)際效率”相比，這是一個(gè)巨大的差異。如果測量系統誤差繼續擴展，理論上我們就得到了超過(guò) 100% 的效率。這就回答了本文最開(kāi)始的疑問(wèn)。

結論

這說(shuō)明在確定設備或系統的效率時(shí)，選擇合適的方法很重要。通常，由于測量容差，基于輸入和輸出功率的效率確定本質(zhì)上是不準確的。實(shí)際效率越高，這種方法越受公差影響。獲得的結果可能與現實(shí)相去甚遠——要么效率比實(shí)際低得多，要么效率能超過(guò) 100%。

實(shí)際現場(chǎng)經(jīng)驗證實(shí)，更好的方法是基于量熱原理的換算，即風(fēng)冷變頻器通過(guò)測量變頻器進(jìn)出風(fēng)道口溫度，根據熱力學(xué)第一定律推算散熱系統帶走的熱量。在有空水冷裝置時(shí)測量通過(guò)水冷回路排出的熱損失推算。 IEC 61800-4、IEC 60146-1-1 和 IEC 60146-1-2 均指出該方法被證明比基于輸入/輸出功率測量要準確得多。