浅析变频器输出功率与电机“功率”的关系

李 东，邓仁明，刘国靖，游长俊

（1.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司东部分公司，河北沧州 062650；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部，四川成都 610100；3.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川成都 610100）

0 引言

随着国家能源结构的调整，电动式压缩机组在石油行业应用的增多，压缩机组生产厂家不断发现变频器输出功率与压缩机组消耗功率不对等的问题。例如某用户1000 kW 压缩机组在新疆吐哈油田现场运转良好，得到用户一致好评，但变频器输出功率和压缩机组消耗功率相差很大，不匹配问题是压缩机生产厂家亟待解决的技术难题。

1 变频器输出功率

某4500 kW 压缩机组，电机额定电压10 kV，额定电流300 A，变频器启动平稳运行后显示电流80 A，此时的电流为电机的空载电流。电机带动联轴器启动平稳运行后，变频器显示电流为85 A。

根据功率计算公式P=1.732UIcosφ,P=1.732×10 kV×85 A×0.86=1266 kW，其中，cosφ 是电机功率因数，取值0.86；P 是变频器的输出功率，即电机的输入功率。然而通过软件计算压缩机负载，当前电机负载应该只是15%，即压缩机此时消耗的功率应是4500 kW×15%=675 kW。变频器输出功率和压缩机消耗的功率相差为1266 kW-675 kW=591 kW，该值就是电机的无功功率。

通过功率计算公式P=1.732UIcosφ，即变频器上显示的电压、电流和功率因数计算出来的功率是变频器输出功率。而设计人员往往认为该值就是压缩机组的消耗功率，同时也简单的认为电机“功率”就是压缩机组消耗功率，即变频器输出功率=压缩机组消耗功率=电机“功率”。事实是否如此，做以下分析说明。

首先需要明确变频器输出功率、压缩机组消耗功率和电机“功率”的概念，以及电机“功率”中功率打引号的原因。

通过功率计算公式P=1.732UIcosφ 计算得出的值，即为当时变频器的输出功率P变。

压缩机组消耗功率是根据压缩机组实际负载通过软件计算得出。通常讲的电机“功率”实际上指的是电机有功功率，即电机输出功率。而真正的电机功率又称电机视在功率，其包括有功功率P 和无功功率Q 两部分，这就是电机“功率”中的功率打引号的原因。

变频器输出功率P变出等于电机视在功率S，即电机输入功率P输入，P变出=S=P输入。

压缩机消耗功率P负载等于电机有功功率P，即电机输出功率P输出，P负载=P=P输出

2 电机功率

电机的额定功率P额定，是指电机在额定运行（额定电压，额定频率，额定负载）条件下，转轴上输出的机械功率。电机的实际功率和实际电流是随着所拖动负载的大小不同而不同；拖动负载越大，则实际消耗功率和实际电流就越大；拖动负载越小，则实际消耗功率和实际电流就越小。

电机属于电感性负载，电机系统均消耗两大功率，分别是有功功率P 与无功功率Q。功率因数是指电机消耗的有功功率占视在功率的比值。功率因数越高，有功功率与总功率间的比值便越高，系统运行效率则越高。

电机的额定功率指的是电机输出功率P输出，该功率就是电机输出的机械功率，也就是电磁功率减去内部机械损耗后，剩余的机械功率输出。

而电机的输入功率是电功率。可以由输入的电压、电流和功率因数计算得出。电机的效率=输出功率/输入功率×100%。

视在功率S 与有功功率P、无功功率Q 的计算公式为：S2=P2+Q2。

电机无功功率的大小与多种因素有关，但主要与电机负载的大小相关，二者成反比关系。

3 空载电流

空载电流是三相异步电动机空载运行，即不带任何负载时，电机起动后正常无载运转并速度稳定时的电流，它随着电机结构不同、转子转动惯量不同以及功率增大和绕组线径粗细而变化。约90%的空载电流用于产生旋转磁场，维持电机运转，这部分电流称为空载激磁电流，它是空载电流的无功部分，也称无功电流。还有10%的空载电流用于电机空载运行时最基本的各种功率损耗（如摩擦、通风和铁芯损耗等），这一部分是空载电流的有功部分，称为有功电流，因占的比例很小可忽略不计。因此，空载电流可以认为都是无功电流。无功电流的大小影响功率因数cosφ，有功电流影响电机效率η。从这一点来看，电机的无功电流越小越好，这样电机的有功电流就越大，电机的功率因数和效率就越大，利于电网供电，提高电力的利用率。

对电机来说，绕组导线截面不可能无限增大，空载电流增大则允许通过的有功电流就变小，即电机所带负载就减小。但是，空载电流也不能过小，否则影响电机的其他性能。一般小型电机的空载电流约为额定电流的30%～70%，大中型电机的空载电流约为额定电流的20%～40%。功率越小的电机，空载电流与额定电流的百分比越大，100 kW 以上电机的空载电流一般是其额定电流的1/3 甚至更小。

本文案例4500 kW 压缩机组，电机未带联轴器启动平稳运行后显示电流为80 A，电机带上联轴器启动平稳运行后显示电流为85 A，是否可以理解为此时负载压缩机消耗功率，即电机做功为P=1.732UIcosφ=1.732×10 kV×（85-80）A×0.86=74.5 kW，然而通过软件计算压缩机负载，即现在电机负载应该是15%，压缩机此时消耗的功率是4500 kW×15%=675 kW。因此不能简单理解空载电流是不变的，它是随着负载的增加而减小，二者是成反比关系。

4 变频器选型原则

变频器选型时首先要清楚负载设备的类型、负载转矩特性、起动转矩、调速范围和使用环境要求等现场条件，然后才决定选择使用何种控制方式、冷却方式和防护结构的变频器最经济合理，以实现变频器的最佳性价比。

（1）根据负载特性选择变频器。一般情况下，恒转矩负载（在调速范围内负载力矩基本恒定不变）或对启动转矩、调速精度、调速范围要求较高的，选用矢量变频器，其过载能力为150%额定电流维持1 min，否则选用通用变频器即可，压缩机组一般选用矢量变频器。

（2）应以电机实际工作最大电流值作为选择变频器的优先条件，电机的额定功率仅作参考；变频器不只是做启动用时，必须满足变频器输出电流大于电机实际工作最大电流。其次，应充分考虑变频器输出的高次谐波对电机功率因数和效率的影响。

（3）变频器选型应充分考虑环境因素，如温度、湿度、海拔高度、粉尘对变频器性能的影响。

（4）针对石油行业实际情况，以下情况建议容量放大一挡：①负载与变频器距离超过100 m，变频器放大一挡选择，并且在变频器的输出端加装输出电抗器；②长期高温大负荷；③故障停机会出现严重后果的；④用户负载波动大（如压缩机组）；⑤油田现场使用农网供电，电网电压长期偏低；⑥鼠笼式电机、异步电机或6 极以下电机除外的电机。

（5）对于转矩波动大的负载，例如压缩机、振动机等，应充分考虑工频运行的工况，选择额定输出电流比其最大电流更大的变频器。

5 结语

变频器输出功率不等于压缩机组消耗功率，更不等于电机有功功率。变频器输出功率等于电机视在功率S，即电机的输入功率。而压缩机消耗功率等于电机有功功率P，即电机输出功率。根据电机功率计算公式S2=P2+Q2，压缩机消耗功率越大，电机无功功率Q 越小，电机的效率越高。压缩机消耗功率与电机无功功率是成反比。设计者在变频器的选型上按照电机额定电流选择即可，不用选择过大的功率造成浪费。