小议工业节能领域中压变频器应用中的能耗问题

作者：维谛技术（Vertiv）李晓峰

关键词：工业节能   能耗计算   测量误差  中压变频器

摘  要：随着工业节能的逐渐普及，中压变频器的应用逐渐普遍起来。在用户使用变频节能技术时，往往对变频器本身的效率指标非常关注。但实际测量变频器运行功耗时经常出现偏差。本文简要说明了这些变差形成的原理以及避免误差应采取的能耗折算办法。

近年来，随着我国推进能源利用效率和减碳水平提升工作的不断开展。中压变频器因其在工业系统中显著实现节能作用，正愈来愈广泛地被应用在电力、石油、化工、采矿、冶金、市政等各种工业行业。由维谛技术（Vertiv,NYSE:VRT）出品的MegaVert中压变频产品以其稳定获取节能收益、久经考验的可靠性、以及全方位的运维保障服务正在成为我国石油石化企业应用节能技术显著提高生产率、增强效率和降低运行成本的明智之选。

中压变频产品具有非常高的效率，许多厂商都对此大加宣传，用户也在许多相关项目中把中压变频器效率下限值作为重要的技术衡量标准，比如“效率不得低于96%或97%”。

而在现场实际验收过程中，甚至会发现中压变频器的效率实测值超过100%。那么，中压变频器真的可以像“永动机”一样能够不遵守能量守恒定律，产生的能量多于消耗能量吗？

这个问题的答案既是肯定的又是否定的，在实际的测量环境下，中压变频器的实测效率确实可能超过100%。但是，这仅说明现场通常采用的测量方式并不能达到测量变频器效率的活动目的。

中压变频器效率虽高，但仍会产生一定的损耗，其中大部分与逆变器的开关损耗和传导损耗有关，其次是整流器损耗、母线损耗、滤波器、阻尼元件或冷却和控制系统的自身消耗。虽然通过精心的计算和设计，维谛技术的工程师们早就对中压变频器的损耗进行了优化，限制器件的温升、以提高MegaVert中压变频器的生命周期、实现设备的最佳利用率，但是损耗始终存在。

通过理论计算的效率

MegaVert的原理结构如图1所示。电网送来的三相10kV（或6kV）交流电，经移相变压器，由其副边每相的8（或5）个二次线圈电压逐个移相，供电给功率单元，三相共24（或15）个功率单元，形成Y联结结构。控制IGBT的通断，即可在CL1、CL2（见图4）两点之间得到PWM波形，8（或5）个功率单元相叠加进行波形合成，可输出中压正弦波给感应电动机。

图1  MegaVert系统框图

中压变频器功率单元部分的效率≥98.5% ，输入隔离变压器的额定效率≥98.2%，再考虑整体散热风机的损耗，因此包括MegaVert中压变频器的满载整体效率是96%以上。准确的计算值取决于中压变频器的拓扑类型、运行条件、电机参数等。

通过测量输入和输出功率确定的效率

在现场验收中，当问及如何测量中压变频器的效率时，大多数情况下的方案是测量输入和输出功率的方法。这听起来也很直截了当。然而，这种方法有两个问题：分别是测量不准确和仪表公差。

每个测量设备都有一定的精度，这意味着测量中必然存在很小的误差。通过使用具有高精度和彻底校准的优质设备，可以最大限度地减少误差。但总是存在一些残余错误。由于MegaVert中压变频器的效率非常高，即使是很小的误差也会对计算效率产生相当大的影响。

精确的电流和电压互感器 (CTs abd VTs) 的精度等级可能为 0.2，即误差为 0.2%。考虑到更高精度等级仪表产品的价格和获取难度，现场的实际精度比这个等级更低，原因如下：

1、大多数0.2% 精度等级通常仅针对窄频率范围（例如 45 至 65 Hz）给出，而实际中可能要求MegaVert中压变频器在50%、75%、100%负载分别测量效率。而这些频率点测量的误差很可能会增加，并且互感器制造商甚至根本无法保证这些精度的扩散是有规律或可预测的。

2、MegaVert中压变频器采用多脉冲移相变压器输入，输入脉冲数达48脉冲（6kV30脉冲），可有效消除47次以下谐波（6kV29次），对电网无谐波污染。同时输出变频器为33电平（6kV为21电平），在调速范围内谐波畸变 THD 小于 2%，满足IEEE519-1992 及 GB/T14549-1993 的谐波(电压、电流)抑制标准，不影响同一电网上其他设备和本体控制系统的正常运行。

但中压变频器的波形不是100%完美的正弦波。它们总是包含一些谐波畸变失真。

综上，在实测中功率测量包含电压测量、电流测量、电压和电流之间的相位角误差、谐波失真引起的误差以及最终还包括由于 CT 或 VT 超出其规格而导致的误差的组合误差。总结所有这些因素，预期总测量容差会在 0.5% 到 1.0% 的范围内。 

根据上述表达式，测量公差显着影响以这种方式确定的效率。尽管 0.5% 的综合测量误差已经是相对不错的水平（实际上确实如此），但它对计算效率产生了巨大影响。下面我们展示一个示例加以说明。

表 1：根据输入和输出功率测量确定的效率对比

如上表所示，一个2800 kW 的MegaVert中压变频器，在其额定负载下具有90kW的损耗。这对应96.88% 的效率。但在根据输入和输出功率确定效率时，考虑功率测量的测量误差会发现，该表显示了 0.5% 和 1.0% 组合测量误差的结果（请注意，这与 CT/VT 精度等级不同）。 0.5% 的误差最大效率达到 97.9%。“实际效率”相比，这是一个巨大的差异。如果测量系统误差继续扩展，理论上我们就得到了超过 100% 的效率。这就回答了本文最开始的疑问。

结论

这说明在确定设备或系统的效率时，选择合适的方法很重要。通常，由于测量容差，基于输入和输出功率的效率确定本质上是不准确的。实际效率越高，这种方法越受公差影响。获得的结果可能与现实相去甚远——要么效率比实际低得多，要么效率能超过 100%。

实际现场经验证实，更好的方法是基于量热原理的换算，即风冷变频器通过测量变频器进出风道口温度，根据热力学第一定律推算散热系统带走的热量。在有空水冷装置时测量通过水冷回路排出的热损失推算。 IEC 61800-4、IEC 60146-1-1 和 IEC 60146-1-2 均指出该方法被证明比基于输入/输出功率测量要准确得多。