在许多应用中，可以通过使用变频器来实现节能。 特别是变频器用于驱动平方负载特性的泵和风机时，在非满载的工况 可以实现显著的节能。 这种类型的系统在很宽的速度范围内产生 的损耗 非常低，因此效率很高。为了能够量化这些节约，需要研究 变频器的损耗和效率 与 负载和速度的关系。

效率定义为输出端提供的有功电功率 P Out 与输入端获取的有功 电 功率 PIn 之比。如果考虑输入端的有功 电 功率 PIn 比输出端提供的有功 电 功率 POut 高出一个与功率损耗P L 相对应的系数，则可应用以下通用公式计算效率：

1变频器满载时的效率

变频器 在满载时的效率是根据 与变频器 的额定电压和额定电流相匹配的电机运行在其标称工作点的数据来计算的。为了计算该额定点的效率 η100 ，必须明确 变频器 输出端 的有功功率 P Out-100 和 变频器 的功率损耗 P L-100 。 满载时，在 变频器 输出端 提供 的 有功电功率 POut-100是：

采用脉冲边沿调制方式工作时，矢量控制模式下的变频器输出电压V Out-100 几乎等于输入侧的进线电源电压V Line 。输出电流I Out-100 是 变频器 的额定输出电流I Out-rated ，功率因数 cos φ Mot 是电机的功率因数，该电机的额定电压和额定电流与 变频器 的额定数据相匹配，并在其标称工作点工作。因此，满载时， 变频器 输出端的有功功率为 ： 

变频器 在满载时的功率损耗P L-100 是变频器装置的特定值，一般都可以在相关的样本或手册中找到。

根据输出 有功 功率 P Out-100 和功率损耗P L-100 ， 变频器 在满载时的效率为：

该公式可用于单独计算 变频器 的满载效率，该效率与进线电压和所连接电机的功率因数有关。

如果根据典型功率因数cosφ Mot =0.88（功率范围为100kW至1000 kW 的4极异步电动机）计算变频器的效率，则可获得以下西门子 变频器 满载时的 典型效率值供参考：

? S120基本整流满载效率典型值为99%

? S120回馈整流满载效率 典型值为 98.5%

? S120有源整流满载效率 典型值为 97.5%

? S120逆变单元满载效率 典型值为 98.5%

?  G130/G150变频器 在满载且脉冲频率为出厂设定值时的效率典型值为 97.7-98.3%

?  S150 有源整流变频器 在满载且脉冲频率为出厂设定值时的效率典型值 为 96-96.5%

2变频器非满载时的效率

变频器样本或手册中给定的总功率损耗P L-100 是变频器在满载下的最大值，正常情况下，损耗相应会低一些。

总功率损耗P L-100 有三个不同的功率损耗分量：

?  固定功率损耗（不考虑负载条件）

?  电流相关的功率损耗（与输出电流成比例）

?  功率相关的功率损耗（与有功输出功率成比例）

固定 功率损耗 P L const 与负载无关： P L const =k const * P L-100

固定功 率损耗 在 所有的各类整流、逆变和变频器中都存在，它们包括风扇和风扇变压器的功率损耗，由电容漏电流和平衡电阻中的电流引起的直流母线的功率损耗，以及线路板（印刷电路板）中的功率损耗。

电流相关的功率损耗 与输出电流I Out =电机电流I Mot 成正比，并细分为：

a）电流相关的传导损耗P L-I-CON ：

它们存在于所有的变频器或逆变器中，主要包括逆变器中功率半导体IGBT的导通损耗，与输出电流=电机电流成正比。公式中I Out /I Out-rated 确定了变频器在部分负载时的输出电流I Out 与满载时的额定电流I Out-rated 之间的关系。

b）电流相关的开关损耗P L-I-Switch :

它们存在于所有的变频器或逆变器中，主要 包括逆变器中功率半导体IGBT的开关损耗，就像电流相关的传导损耗一样，与输出电流=电机电流成比例。此外，它们还取决于在部分负载时的直流母线电压V DC 和脉冲频率f p 。V DC-rated 是额定或参考的直流母线电压，f p-rated 是工厂设定的脉冲频率。公式中I Out /I Out-rated 确定了变频器在部分负载时的输出电流I Out 与满载时的额定电流I Out-rated 之间的关系。

功率相关的功率损耗 与有功输出功率成正比，并细分为：

a） 功率相关的传导损耗P L-P-Con ：

它们存在于各类整流和所有的变频器中，包括进线侧整流器中功率半导体的传导损耗，并且与有功输出功率成正比。 公式中 POut/POut-100确定了变频器在部分负载时的 有功 输出功率POut与满载时的有功输出功率POut-100之间的关系。

b） 功率相关的开关损耗P L-P-Switch ：

他们存在于有源整流及有源整流变频器，包含进线侧整流中功率模块IGBT的开关损耗。并且与功率相关的传导损耗一样，与有功输出功率成正比。此外，它们还取决于部分负载时的直流母线电压V DC 。V DC-rated 是额定或参考直流母线电压。 公式中 P Out /P Out-100 确定了部分负载时的有功输出功率P Out 与满载时的有功输出功率P Out-100 之间的关系。

上述方程式中应用的常数，即k const 、k I-Con 、k I -Switch 、k P-Con 和k P -Switch ，定义了在满载条件下总功率损耗P L-100 划分为的不同功率损耗分量，这些常数是特定于变频器设备的。

部分负载时的总功率损耗P L 对应于所有功率损耗分量的总和，如下所示：

部分负载时的效率 η是由总功损耗 P L 和有功输出功率P Out 计算出来的，如下所示：

任何部分负载点的功率损耗和效率都可以根据上述方程式计算，只需相对较少的变频器特定常数和部分负载时的少量电气参数，如下所示：

? 变频器 特定常数kconst，kI-Con，kI-Switch，kP-Con和kP-Switch
? 变频器 满载总功率损耗PL-100（查询相关样本或手册）
?脉冲频率fp
?直流母线电压VDC
?输出电流IOut(=电机电流IMot)以额定输出电流IOut-rated 为基准
?有功输出功率POut 以 满载时的有功输出功率POut-100  为基准

以下举例说明如何计算功率损耗或者效率。

3 基本整流在非满载时的效率举例

以西门子S120基本整流BLM为例，BLM不考虑进线电抗的总功率损耗包括以下功率损耗分量（回馈整流也一样，有源整流多了一项功率相关的开关损耗）：

? 固定 功率损耗

? 功率相关的传导损耗

则基本整流BLM的效率公式如下：

其中P out =V DC *I DC =1.32V Line *I DC

如果我们现在将功率损耗P L-100-BLM 替换为满载时的有功电输出功率P Out-100 和效率 η 100-BLM 

根据下式，我们得到了在任意给定部分负载时的效率η BLM 作为有功输出功率比P out /P out-100 的函数

根据该方程，在部分负载范围内的效率仅与常数k const-BLM （风冷0.2，水冷0.1）和k P-Con-BLM （风冷0.8，水冷0.9 ） ，以及满载效率 η 100-BLM 和有功输出功率比 P out /P out-100 有关。因此一旦确定了BLM在满载时的效率，就可以使用上述公式在任何给定的部分负载点（即任何有功输出功率值）执行直接分析效率计算。

下图显示了风冷和液冷S120基本整流模块在部分负载时的效率。计算基于满载时的典型效率99%。效率表示为BLM提供给所连接的S120逆变模块的有功输出功率比P OUT /P OUT-100 的函数。

4 逆变单元在非满载时的效率 举例

以西门子S120逆变单元/电机模块为例，电机模块的总功率P L-MoMo 损耗包括以下功率损耗分量：

? 固定 功率损耗

? 电流相关的传导损耗

? 电流相关的开关损耗

电机模块的效率 ηMoMo计算公式如下：

其中：

为了简化计算，我们做如下假设：

?直流母线电压V DC 等于额定或参考直流母线电压V DC-rated 。 

? 脉冲频率f P等于出厂设定的脉冲频率fP -rated 。

?电机仅在低于额定转速的恒定磁通范围内运行。 

由于在电机的恒定磁通范围内，电机模块的输出电压V Out 与电机模块的输出频率f Out 成正比，因此电机模块的有功输出功率比计算公式如下： 

其中f Out-rated 是在电机模块上运行的电机的额定频率，在该频率下输出电压V Out 达到电机的额定电压。在矢量控制模式下工作并利用脉冲边沿调制的驱动器上，这实际上等于线电压V line 。

如果我们现在将电机模块在满载时的功率损耗P L-100-MoMo 替换为有功输出 电 功率P Out-100 和效率 η 100-MoMo：

那么我们可以推导出部分负载时电机模块的效率公式如下，他与输出电流比I OUT /I OUT -rated 和输出频率比f OUT /f OUT - rated 是函数关系: 

根据该公式，在部分负载时的效率仅取决于特定逆变模块常数k const-MoMo （风冷0.2，水冷0.05），k I-Con-MoMo （风冷0.55，水冷0.65） ，k I-Switch-MoMo （风冷0.25，水冷0.3） ，以及满载效率 η100-Momo ，输出电流比I OUT /I OUT - rated 和输出频率比f OUT /f OUT - rated 。所以一旦确定了S120电机模块的满载效率，就可以使用上述公式在任何给定的部分负载点（即任何输出频率或输出电流）进行直接效率计算。

下图显示了用于恒转矩驱动的风冷S120电机模块的部分负载效率。计算基于满载时98.5%的典型效率。效率用两种不同的方式表示。在一个图表中，效率以输出电流为参数表示为输出频率的函数，在第二个图表中，效率以输出频率为参数表示为输出电流的函数。

上图显示了恒转矩驱动的效率特性曲线，他是输出频率比f Out /f OUT - rated （ 与电机转速比n/n rated 成正比 ） 的函数 。曲线族的参数是输出电流比I Out /I OUT - rated ，它与电机转矩比M/M rated 成正比。

上图显示了恒转矩驱动效率与输出电流比I OUT /I OUT-rated （与电机转矩比M/M Rated 成正比）的函数关系的特性曲线。曲线族的参数为输出频率比f OUT /f OUT-rated ，他与电机速比 n/nrated 成正比。

5  变频器在非满载时的效率 举例

以西门子G150/G130变频器为例，变频器的总功率损失包含以下分量：

? 固定 功率损耗

? 电流相关的传导损耗

?电流相关的开关损耗

? 功率相关的传导损耗

? 进线电抗器损耗，如果安装的话。

为了简化计算，我们做如下假设：

?公式仅适用于西门子G150/G130风冷变频器 。 

?变频器不配置进线电抗器。 

?直流母线电压V DC 等于额定或参考直流母线电压V DC-rated 。 

? 脉冲频率f P等于出厂设定的脉冲频率fP -rated 。

?电机仅在低于额定转速的恒定磁通范围内运行。 

忽略推导过程，我们可以得到如下效率计算公式：

根据该公式，在部分负载时的效率仅取决于G150/G130 常数k const （风冷0.15），k I-Con（风冷0.44） ，k I-Switch（风冷0.21） ， k P-Con （风冷0.2） ， 以及满载效率 η100 ，输出电流比I OUT /I OUT - rated 和输出频率比f OUT /f OUT - rated 。 对于采用G130或G150变频器的驱动，一旦确定满载变频器效率，就可以使用上述公式在任何给定的部分负载点（即任何输出频率或输出电流）进行直接效率计算。

恒转矩工况：

下图根据上面的公式显示了G130和G150变频器对于恒转矩驱动的部分负载效率。计算基于满载时的典型效率98%。效率用两种不同的方式表示。在第一个图表中，效率以输出电流为参数表示为输出频率的函数，在第二个图表中，效率以输出频率为参数表示为输出电流的函数。

上显示了恒转矩驱动 的 效率特性曲线，它是输出频率比f out /f out-rated （ 与电机速度比n/n rated 成正比 ）的函数。曲线族的参数是输出电流比I out /I out-rated ，与电机转矩比M/M rated 成正比。

上显示了恒转矩驱动 的 效率特性曲线， 他是输出电流比I OUT /I OUT-rated （与电机转矩比M/M Rated 成正比）的函数。曲线族的参数为输出频率比f OUT /f OUT-rated （与电机速比n/n rated 成正比）。

平方转矩工况

在具有平方负载特性M~n2的驱动中，电机转矩M与电机速度n之间存在固定关系，因此变频器输出电流比I OUT /I OUT-rated 与变频器输出频率比f OUT /f OUT-rated 之间也存在固定关系，可以推导出如下公式: 

下面三个图根据上面三个公式显示了G130和G150变频器对于具有平方负载特性M~ n2 的驱动器在部分负载时的效率。计算基于满载时的典型效率98%。效率用三种不同的方式表示。在一个图表中，效率表示为输出频率的函数，第二个图表中，效率表示为输出电流的函数，第三个图表中，效率表示为有功输出功率的函数。 

上图显示了具有平方负载特性驱动 的 效率特性曲线，该特性曲线是输出频率比f out /f out-rated 的函数，该频率比f out /f out-rated 与电机速比n/n rated 成正比。

上图显示了具有平方 负载特性驱动 的 效率特性曲线，该特性曲线是输出电流比I OUT /I OUT-rated 的函数，而输出电流比I OUT /I OUT-rated 与电机转矩比M/M rated 成正比。

上图显示了具有平方 负载特性驱动 的 效率特性曲线， 它是有功输出功率比P OUT /P OUT-100 的函数，而有功输出功率比P OUT /P OUT-100 与电机功率比P/P rated 成正比。

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