小議工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域中壓變頻器應(yīng)用中的能耗問題

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

近年來，隨著我國推進(jìn)能源利用效率和減碳水平提升工作的不斷開展。中壓變頻器因其在工業(yè)系統(tǒng)中顯著實(shí)現(xiàn)節(jié)能作用，正愈來愈廣泛地被應(yīng)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(wěn)定獲取節(jié)能收益、久經(jīng)考驗(yàn)的可靠性、以及全方位的運(yùn)維保障服務(wù)正在成為我國石油石化企業(yè)應(yīng)用節(jié)能技術(shù)顯著提高生產(chǎn)率、增強(qiáng)效率和降低運(yùn)行成本的明智之選。

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

而在現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)收過程中，甚至?xí)l(fā)現(xiàn)中壓變頻器的效率實(shí)測值超過100%。那么，中壓變頻器真的可以像“永動機(jī)”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100%。但是，這僅說明現(xiàn)場通常采用的測量方式并不能達(dá)到測量變頻器效率的活動目的。

中壓變頻器效率雖高，但仍會產(chǎn)生一定的損耗，其中大部分與逆變器的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗有關(guān)，其次是整流器損耗、母線損耗、濾波器、阻尼元件或冷卻和控制系統(tǒng)的自身消耗。雖然通過精心的計(jì)算和設(shè)計(jì)，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(xiàn)設(shè)備的最佳利用率，但是損耗始終存在。

通過理論計(jì)算的效率

MegaVert的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。電網(wǎng)送來的三相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(jié)結(jié)構(gòu)?？刂艻GBT的通斷，即可在CL1、CL2(見圖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(yīng)電動機(jī)。

圖1 MegaVert系統(tǒng)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(jī)的損耗，因此包括MegaVert中壓變頻器的滿載整體效率是96%以上。準(zhǔn)確的計(jì)算值取決于中壓變頻器的拓?fù)漕愋?、運(yùn)行條件、電機(jī)參數(shù)等。

通過測量輸入和輸出功率確定的效率

在現(xiàn)場驗(yàn)收中，當(dāng)問及如何測量中壓變頻器的效率時(shí)，大多數(shù)情況下的方案是測量輸入和輸出功率的方法。這聽起來也很直截了當(dāng)。然而，這種方法有兩個(gè)問題：分別是測量不準(zhǔn)確和儀表公差。

每個(gè)測量設(shè)備都有一定的精度，這意味著測量中必然存在很小的誤差。通過使用具有高精度和徹底校準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)設(shè)備，可以最大限度地減少誤差。但總是存在一些殘余錯(cuò)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對計(jì)算效率產(chǎn)生相當(dāng)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(xiàn)場的實(shí)際精度比這個(gè)等級更低，原因如下：

1、大多數(shù)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(fù)載分別測量效率。而這些頻率點(diǎn)測量的誤差很可能會增加，并且互感器制造商甚至根本無法保證這些精度的擴(kuò)散是有規(guī)律或可預(yù)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(shù)達(dá)48脈沖(6kV30脈沖)，可有效消除47次以下諧波(6kV29次)，對電網(wǎng)無諧波污染。同時(shí)輸出變頻器為33電平(6kV為21電平)，在調(diào)速范圍內(nèi)諧波畸變 THD 小于 2%，滿足IEEE519-1992 及 GB/T14549-1993 的諧波(電壓、電流)抑制標(biāo)準(zhǔn)，不影響同一電網(wǎng)上其他設(shè)備和本體控制系統(tǒng)的正常運(yùn)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(guī)格而導(dǎo)致的誤差的組合誤差。總結(jié)所有這些因素，預(yù)期總測量容差會在 0.5% 到 1.0% 的范圍內(nèi)。

根據(jù)上述表達(dá)式，測量公差顯著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(cuò)的水平(實(shí)際上確實(shí)如此)，但它對計(jì)算效率產(chǎn)生了巨大影響。下面我們展示一個(gè)示例加以說明。

表 1：根據(jù)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(fù)載下具有90kW的損耗。這對應(yīng)96.88% 的效率。但在根據(jù)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發(fā)現(xiàn)，該表顯示了 0.5% 和 1.0% 組合測量誤差的結(jié)果(請注意，這與 CT/VT 精度等級不同)。 0.5% 的誤差最大效率達(dá)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(tǒng)誤差繼續(xù)擴(kuò)展，理論上我們就得到了超過 100% 的效率。這就回答了本文最開始的疑問。

結(jié)論

這說明在確定設(shè)備或系統(tǒng)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(zhǔn)確的。實(shí)際效率越高，這種方法越受公差影響。獲得的結(jié)果可能與現(xiàn)實(shí)相去甚遠(yuǎn)——要么效率比實(shí)際低得多，要么效率能超過 100%。

實(shí)際現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，更好的方法是基于量熱原理的換算，即風(fēng)冷變頻器通過測量變頻器進(jìn)出風(fēng)道口溫度，根據(jù)熱力學(xué)第一定律推算散熱系統(tǒng)帶走的熱量。在有空水冷裝置時(shí)測量通過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(zhǔn)確得多。