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小議工業節能領域中壓變頻器應用中的能耗問題

作者:維諦技術(Vertiv)李曉峰

關鍵詞:工業節能   能耗計算   測量誤差  中壓變頻器

摘  要:隨著工業節能的逐漸普及,中壓變頻器的應用逐漸普遍起來。在用戶使用變頻節能技術時,往往對變頻器本身的效率指標非常關注。但實際測量變頻器運行功耗時經常出現偏差。本文簡要說明了這些變差形成的原理以及避免誤差應采取的能耗折算辦法。


近年來,隨著我國推進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系統中顯著實現節能作用,正愈來愈廣泛地被應用在電力、石油、化工、采礦、冶金、市政等各種工業行業。由維諦技術(Vertiv,NYSE:VRT)出品的MegaVert中壓變頻產品以其穩定獲取節能收益、久經考驗的可靠性、以及全方位的運維保障服務正在成為我國石油石化企業應用節能技術顯著提高生產率、增強效率和降低運行成本的明智之選。

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

而在現場實際驗收過程中,甚至會發現中壓變頻器的效率實測值超過100%。那么,中壓變頻器真的可以像“永動機”一樣能夠不遵守能量守恒定律,產生的能量多于消耗能量嗎?

這個問題的答案既是肯定的又是否定的,在實際的測量環境下,中壓變頻器的實測效率確實可能超過100%。但是,這僅說明現場通常采用的測量方式并不能達到測量變頻器效率的活動目的。

中壓變頻器效率雖高,但仍會產生一定的損耗,其中大部分與逆變器的開關損耗和傳導損耗有關,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的自身消耗。雖然通過精心的計算和設計,維諦技術的工程師們早就對中壓變頻器的損耗進行了優化,限制器件的溫升、以提高MegaVert中壓變頻器的生命周期、實現設備的最佳利用率,但是損耗始終存在。

通過理論計算的效率

MegaVert的原理結構如圖1所示。電網送來的三相10kV(或6kV)交流電,經移相變壓器,由其副邊每相的8(或5)個二次線圈電壓逐個移相,供電給功率單元,三相共24(或15)個功率單元,形成Y聯結結構??刂艻GBT的通斷,即可在CL1、CL2(見圖4)兩點之間得到PWM波形,8(或5)個功率單元相疊加進行波形合成,可輸出中壓正弦波給感應電動機。

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%,再考慮整體散熱風機的損耗,因此包括MegaVert中壓變頻器的滿載整體效率是96%以上。準確的計算值取決于中壓變頻器的拓撲類型、運行條件、電機參數等。

通過測量輸入和輸出功率確定的效率

在現場驗收中,當問及如何測量中壓變頻器的效率時,大多數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。然而,這種方法有兩個問題:分別是測量不準確和儀表公差。

每個測量設備都有一定的精度,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的優質設備,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對計算效率產生相當大的影響。

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品的價格和獲取難度,現場的實際精度比這個等級更低,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),對電網無諧波污染。同時輸出變頻器為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,預期總測量容差會在 0.5% 到 1.0% 的范圍內。 

image.png

根據上述表達式,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是相對不錯的水平(實際上確實如此),但它對計算效率產生了巨大影響。下面我們展示一個示例加以說明。

表 1:根據輸入和輸出功率測量確定的效率對比

MegaVert-G3500-10/10C4

情景一

情景二

輸入功率

2890

2890

輸出功率

2800

2800

測量綜合誤差

0.5%

1%

效率實際值

96.88%

96.88%

測量效率最小值

95.9%

95%

測量效率最大值

97.9%

98.8%


如上表所示,一個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,考慮功率測量的測量誤差會發現,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%?!皩嶋H效率”相比,這是一個巨大的差異。如果測量系統誤差繼續擴展,理論上我們就得到了超過 100% 的效率。這就回答了本文最開始的疑問。


結論

這說明在確定設備或系統的效率時,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上是不準確的。實際效率越高,這種方法越受公差影響。獲得的結果可能與現實相去甚遠——要么效率比實際低得多,要么效率能超過 100%。

實際現場經驗證實,更好的方法是基于量熱原理的換算,即風冷變頻器通過測量變頻器進出風道口溫度,根據熱力學第一定律推算散熱系統帶走的熱量。在有空水冷裝置時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/輸出功率測量要準確得多。


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