淺析變頻器輸出功率與電機“功率”的關系

李 東，鄧仁明，劉國靖，游長俊

（1.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司東部分公司，河北滄州 062650；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發項目經理部，四川成都 610100；3.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司，四川成都 610100）

0 引言

隨著國家能源結構的調整，電動式壓縮機組在石油行業應用的增多，壓縮機組生產廠家不斷發現變頻器輸出功率與壓縮機組消耗功率不對等的問題。例如某用戶1000 kW 壓縮機組在新疆吐哈油田現場運轉良好，得到用戶一致好評，但變頻器輸出功率和壓縮機組消耗功率相差很大，不匹配問題是壓縮機生產廠家亟待解決的技術難題。

1 變頻器輸出功率

某4500 kW 壓縮機組，電機額定電壓10 kV，額定電流300 A，變頻器啟動平穩運行后顯示電流80 A，此時的電流為電機的空載電流。電機帶動聯軸器啟動平穩運行后，變頻器顯示電流為85 A。

根據功率計算公式P=1.732UIcosφ,P=1.732×10 kV×85 A×0.86=1266 kW，其中，cosφ 是電機功率因數，取值0.86；P 是變頻器的輸出功率，即電機的輸入功率。然而通過軟件計算壓縮機負載，當前電機負載應該只是15%，即壓縮機此時消耗的功率應是4500 kW×15%=675 kW。變頻器輸出功率和壓縮機消耗的功率相差為1266 kW-675 kW=591 kW，該值就是電機的無功功率。

通過功率計算公式P=1.732UIcosφ，即變頻器上顯示的電壓、電流和功率因數計算出來的功率是變頻器輸出功率。而設計人員往往認為該值就是壓縮機組的消耗功率，同時也簡單的認為電機“功率”就是壓縮機組消耗功率，即變頻器輸出功率=壓縮機組消耗功率=電機“功率”。事實是否如此，做以下分析說明。

首先需要明確變頻器輸出功率、壓縮機組消耗功率和電機“功率”的概念，以及電機“功率”中功率打引號的原因。

通過功率計算公式P=1.732UIcosφ 計算得出的值，即為當時變頻器的輸出功率P變。

壓縮機組消耗功率是根據壓縮機組實際負載通過軟件計算得出。通常講的電機“功率”實際上指的是電機有功功率，即電機輸出功率。而真正的電機功率又稱電機視在功率，其包括有功功率P 和無功功率Q 兩部分，這就是電機“功率”中的功率打引號的原因。

變頻器輸出功率P變出等于電機視在功率S，即電機輸入功率P輸入，P變出=S=P輸入。

壓縮機消耗功率P負載等于電機有功功率P，即電機輸出功率P輸出，P負載=P=P輸出

2 電機功率

電機的額定功率P額定，是指電機在額定運行（額定電壓，額定頻率，額定負載）條件下，轉軸上輸出的機械功率。電機的實際功率和實際電流是隨著所拖動負載的大小不同而不同；拖動負載越大，則實際消耗功率和實際電流就越大；拖動負載越小，則實際消耗功率和實際電流就越小。

電機屬于電感性負載，電機系統均消耗兩大功率，分別是有功功率P 與無功功率Q。功率因數是指電機消耗的有功功率占視在功率的比值。功率因數越高，有功功率與總功率間的比值便越高，系統運行效率則越高。

電機的額定功率指的是電機輸出功率P輸出，該功率就是電機輸出的機械功率，也就是電磁功率減去內部機械損耗后，剩余的機械功率輸出。

而電機的輸入功率是電功率。可以由輸入的電壓、電流和功率因數計算得出。電機的效率=輸出功率/輸入功率×100%。

視在功率S 與有功功率P、無功功率Q 的計算公式為：S2=P2+Q2。

電機無功功率的大小與多種因素有關，但主要與電機負載的大小相關，二者成反比關系。

3 空載電流

空載電流是三相異步電動機空載運行，即不帶任何負載時，電機起動后正常無載運轉并速度穩定時的電流，它隨著電機結構不同、轉子轉動慣量不同以及功率增大和繞組線徑粗細而變化。約90%的空載電流用于產生旋轉磁場，維持電機運轉，這部分電流稱為空載激磁電流，它是空載電流的無功部分，也稱無功電流。還有10%的空載電流用于電機空載運行時最基本的各種功率損耗（如摩擦、通風和鐵芯損耗等），這一部分是空載電流的有功部分，稱為有功電流，因占的比例很小可忽略不計。因此，空載電流可以認為都是無功電流。無功電流的大小影響功率因數cosφ，有功電流影響電機效率η。從這一點來看，電機的無功電流越小越好，這樣電機的有功電流就越大，電機的功率因數和效率就越大，利于電網供電，提高電力的利用率。

對電機來說，繞組導線截面不可能無限增大，空載電流增大則允許通過的有功電流就變小，即電機所帶負載就減小。但是，空載電流也不能過小，否則影響電機的其他性能。一般小型電機的空載電流約為額定電流的30%～70%，大中型電機的空載電流約為額定電流的20%～40%。功率越小的電機，空載電流與額定電流的百分比越大，100 kW 以上電機的空載電流一般是其額定電流的1/3 甚至更小。

本文案例4500 kW 壓縮機組，電機未帶聯軸器啟動平穩運行后顯示電流為80 A，電機帶上聯軸器啟動平穩運行后顯示電流為85 A，是否可以理解為此時負載壓縮機消耗功率，即電機做功為P=1.732UIcosφ=1.732×10 kV×（85-80）A×0.86=74.5 kW，然而通過軟件計算壓縮機負載，即現在電機負載應該是15%，壓縮機此時消耗的功率是4500 kW×15%=675 kW。因此不能簡單理解空載電流是不變的，它是隨著負載的增加而減小，二者是成反比關系。

4 變頻器選型原則

變頻器選型時首先要清楚負載設備的類型、負載轉矩特性、起動轉矩、調速范圍和使用環境要求等現場條件，然后才決定選擇使用何種控制方式、冷卻方式和防護結構的變頻器最經濟合理，以實現變頻器的最佳性價比。

（1）根據負載特性選擇變頻器。一般情況下，恒轉矩負載（在調速范圍內負載力矩基本恒定不變）或對啟動轉矩、調速精度、調速范圍要求較高的，選用矢量變頻器，其過載能力為150%額定電流維持1 min，否則選用通用變頻器即可，壓縮機組一般選用矢量變頻器。

（2）應以電機實際工作最大電流值作為選擇變頻器的優先條件，電機的額定功率僅作參考；變頻器不只是做啟動用時，必須滿足變頻器輸出電流大于電機實際工作最大電流。其次，應充分考慮變頻器輸出的高次諧波對電機功率因數和效率的影響。

（3）變頻器選型應充分考慮環境因素，如溫度、濕度、海拔高度、粉塵對變頻器性能的影響。

（4）針對石油行業實際情況，以下情況建議容量放大一擋：①負載與變頻器距離超過100 m，變頻器放大一擋選擇，并且在變頻器的輸出端加裝輸出電抗器；②長期高溫大負荷；③故障停機會出現嚴重后果的；④用戶負載波動大（如壓縮機組）；⑤油田現場使用農網供電，電網電壓長期偏低；⑥鼠籠式電機、異步電機或6 極以下電機除外的電機。

（5）對于轉矩波動大的負載，例如壓縮機、振動機等，應充分考慮工頻運行的工況，選擇額定輸出電流比其最大電流更大的變頻器。

5 結語

變頻器輸出功率不等于壓縮機組消耗功率，更不等于電機有功功率。變頻器輸出功率等于電機視在功率S，即電機的輸入功率。而壓縮機消耗功率等于電機有功功率P，即電機輸出功率。根據電機功率計算公式S2=P2+Q2，壓縮機消耗功率越大，電機無功功率Q 越小，電機的效率越高。壓縮機消耗功率與電機無功功率是成反比。設計者在變頻器的選型上按照電機額定電流選擇即可，不用選擇過大的功率造成浪費。