電機(jī)效率變化對(duì)變頻改造節(jié)能效果的影響分析

1、電機(jī)效率變化對(duì)變頻改造節(jié)能效果的影響分析丁旭元1程林2劉耀年3（1.3.東北電力大學(xué)吉林省吉林市132012； 2.清華大學(xué)北京市海淀區(qū)100084）摘要：對(duì)需要變速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速節(jié)能改造是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)， 而準(zhǔn)確的節(jié)能效果評(píng)估是節(jié)能項(xiàng)目投資決策的重要環(huán)節(jié)。目前的風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié) 能效果評(píng)估方法沒有考慮變頻前后電動(dòng)機(jī)效率變化的影響，論文對(duì)變頻后電動(dòng)機(jī) 的效率進(jìn)行了理論推導(dǎo)，指出在變頻后電動(dòng)機(jī)效率變化明顯，應(yīng)該計(jì)及該效率變 化對(duì)節(jié)能效果的影響。通過對(duì)某水泥廠實(shí)際風(fēng)機(jī)的變頻改造節(jié)能效果評(píng)估，表明 電動(dòng)機(jī)效率變化對(duì)節(jié)能效果影響較大，在變頻改造項(xiàng)目的節(jié)能效果評(píng)估中有必要 計(jì)及電動(dòng)機(jī)效率變化對(duì)

2、節(jié)能效果的影響。關(guān)鍵字：風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能效果評(píng)估電機(jī)效率Effect of Motor Efficiency on Energy saving Estimation ofFrequency Conversion retrofitsXu-yuan Ding1, Lin-Cheng2, Yao-nian Liu31、3.： Dept. of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, China;2： Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing

3、, ChinaAbstract: Transformation of fan with frequency control is the key point of energy conservation project in motor system, and energy saving estimation is one of the most important parts of the transformation. The present estimation method did not consider the effect of motor efficiency varying

4、with frequency control, but the derivation in the paper indicated the variation of motor efficiency is obvious. Therefore, the effect should be considered. The case study showed the effect taken on the results of the estimation demonstrating it is necessary to consider the motor efficiency in energy

5、 saving estimation.Keywords: fan; frequency control; energy saving estimation; motor efficiency弓|言：全國(guó)總消費(fèi)電能的40%以上1。我國(guó)風(fēng)機(jī)與泵的耗電量已占到其中風(fēng)機(jī)所占比例較大，且大部分為變負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)前風(fēng)機(jī)大多采用 風(fēng)門控制調(diào)節(jié)流量，風(fēng)機(jī)效率低下, 電能浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著合同能源管理 機(jī)制的推廣和變頻技術(shù)的發(fā)展，風(fēng) 機(jī)的變頻調(diào)速改造項(xiàng)目得以大力推 動(dòng)，準(zhǔn)確的節(jié)能效果評(píng)估是項(xiàng)目投 資決策的重要環(huán)節(jié)。然而目前我國(guó) 對(duì)風(fēng)機(jī)變頻改造的節(jié)能效果評(píng)估大 都處于實(shí)踐階段，很多評(píng)估結(jié)果與 實(shí)施后的實(shí)際情況存在差異，

6、還沒 有形成統(tǒng)一的、精確的評(píng)估方法。 當(dāng)前方法中，文獻(xiàn)2中的方法為基 于比例定律的方法，文獻(xiàn)5提出了 基于風(fēng)機(jī)效率的方法。這些方法存 在的一個(gè)共同的問題是只考慮了變 頻后風(fēng)機(jī)本身效率的提高，而忽略 了電動(dòng)機(jī)效率變化對(duì)節(jié)能效果的影 響。論文通過理論推導(dǎo)分析了變頻 后電動(dòng)機(jī)的效率的變化情況，指出 電動(dòng)機(jī)效率隨頻率變化明顯、應(yīng)該 計(jì)及效率變化對(duì)節(jié)能效果的影響； 通過一個(gè)實(shí)際的評(píng)估案例分析了電 動(dòng)機(jī)效率變化對(duì)節(jié)能效果的影響程 度，結(jié)果表明了電動(dòng)機(jī)效率變化對(duì) 節(jié)能效果的影響較大、在節(jié)能評(píng)估 中有必要計(jì)及電動(dòng)機(jī)效率變化的影 響。1.風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速節(jié)能原理風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)為其本身特性曲 線n1與管路特性曲線R的

7、交點(diǎn)， 如圖1中a點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)機(jī)的額定流量 遠(yuǎn)大于實(shí)際需求流量時(shí)，為滿足生 產(chǎn)工藝需求目前大多采用風(fēng)門控制 增加管路阻力來調(diào)節(jié)流量，此時(shí)工 作點(diǎn)如圖1中c點(diǎn)。流量減小壓力 增大，但風(fēng)機(jī)軸功率并未減小。圖1風(fēng)機(jī)調(diào)速原理Fig.1Principles of Fan with Speed Control根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律：當(dāng)輸送 流體的密度不變、僅轉(zhuǎn)速變化時(shí)， 輸出流量、壓力和軸功率與轉(zhuǎn)速存 在以下關(guān)系： TOC o 1-5 h z （1-1）-（1-2）一一（1-3）改變電動(dòng)機(jī)電源頻率可改變電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)特性隨轉(zhuǎn)速平移， 工作點(diǎn)改變，如由圖1中由a點(diǎn)移 至b點(diǎn)。轉(zhuǎn)速減小時(shí)，流量、壓力、 軸功率都隨

8、之減小，風(fēng)機(jī)效率提高， 實(shí)現(xiàn)節(jié)能。頻率變化對(duì)電機(jī)效率的影響由式（1-1）可知，若風(fēng)機(jī)實(shí)際 需求流量為Q，則采用變頻調(diào)速時(shí) 的控制轉(zhuǎn)速可表示為：（2-1）、 分別為風(fēng)機(jī)額定流量、 額定轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方 成正比變化，則流量Q時(shí)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn) 矩倍數(shù)可表示為：（2-2）設(shè) 為轉(zhuǎn)速為n時(shí)的控制頻率。 頻率改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)等效電路中的 各電抗參數(shù)不再為恒定值，而隨頻 率變化，若不考慮變頻器輸出諧波 的影響，此時(shí)電動(dòng)機(jī)等效電路可用一土|叫一-闋2. JL rm圖2變頻時(shí)異步電機(jī)等效電路Fig.2 Equivalent Circuit of Induction Motor forFrequency Con

9、trol圖中用頻率比a 表示頻率變化，以恒U/f變頻控制為例， 則有如下關(guān)系：（2-3）-（2-4）、 為電機(jī)的額定頻率和額 定電壓。若要根據(jù)等效電路求出轉(zhuǎn)速為 n時(shí)的電動(dòng)機(jī)效率，先要求出變頻 后等效電路中的未知參數(shù)a和s。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，轉(zhuǎn)速n與頻 率、轉(zhuǎn)差率s、極對(duì)數(shù)p的關(guān)系為:（2-5）對(duì)于大功率電動(dòng)機(jī)，可忽略定圖2表示7。計(jì)算:子繞組，此時(shí)轉(zhuǎn)差率s可按下式其中；額定轉(zhuǎn)差率 和電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 均為電 動(dòng)機(jī)已知參數(shù)，通過式（2-2）得 出。聯(lián)立式（2-6）和式錯(cuò)誤！未找 到引用源。則可求出a和s。根據(jù)等效電路圖可得出：（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）其中為電機(jī)定子側(cè)阻抗，a為轉(zhuǎn)

10、子側(cè)阻抗，a為勵(lì)磁阻抗，為電機(jī)總阻抗。電機(jī)工頻下的阻抗參數(shù)均為電機(jī)基本參數(shù)。將a和s代入式（2-4）、（2-7）至（2-10）可求出電壓U轉(zhuǎn)子電流I】、勵(lì)磁電流10、轉(zhuǎn)子電流I2和電機(jī)功率因數(shù)。（2-10）（2-10）（2-10）設(shè)電機(jī)輸入、輸出功率分別為、，由等效電路即可得出轉(zhuǎn)速為n、頻率為 時(shí)的電動(dòng)機(jī)效率：（2-11）其中輸入功率和分 別為定、轉(zhuǎn)子銅損。在不考慮諧波 引起轉(zhuǎn)子電阻增大的情況時(shí)，可認(rèn) 為與負(fù)載變化有關(guān)。為鐵損耗，是主磁 通交變引起的磁滯損耗和渦流損 耗。此處只考慮定子鐵耗，用等效 電阻的損耗來表示。為風(fēng)磨損耗，包括通風(fēng)損耗 和摩擦損耗，與負(fù)載無關(guān)而與轉(zhuǎn)速 有關(guān)。通風(fēng)損耗正比于

11、n3,摩擦損 耗正比于n8，一般近似認(rèn)為，即，為額定運(yùn)行時(shí)的風(fēng)磨損耗，一般由空 載試驗(yàn)得出，作為已知參數(shù)。為雜散損耗，不易計(jì)算，一 般取估算值。本文按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取為O以上五種損耗均未考慮變頻器 輸出諧波的影響，而實(shí)際上由于諧 波影響，電機(jī)各損耗變化將更復(fù)雜， 尤其是鐵損耗的變化?？偟膩碚f， 電動(dòng)機(jī)總損耗會(huì)因?yàn)橹C波的影響而 增加30%左右，導(dǎo)致效率會(huì)下降 1%-3%8。圖3變頻下電動(dòng)機(jī)效率Fig.3Motor Efficiency under Frequency Control圖3為一臺(tái)帶風(fēng)機(jī)負(fù)載的型號(hào) 為YRKK630-6的1000kW電動(dòng)機(jī)在 恒U/f控制時(shí)效率隨頻率的變化曲 線。從圖中可以看

12、出，電機(jī)的實(shí)際 效率是隨頻率的降低而降低的，頻 率在30Hz時(shí)效率下降明顯，在低 于25Hz時(shí)，效率下迅速下降。因 此，在低頻時(shí)，必須考慮電動(dòng)機(jī)效率對(duì)節(jié)能效益的影響?？紤]電動(dòng)機(jī)實(shí)際效率的評(píng)估方法 為分析電動(dòng)機(jī)效率變化對(duì)節(jié)能 效果的影響，本文在基于比例定律 的方法上考慮電機(jī)變頻后的效率。 該方法的前提條件是當(dāng)前工況與額 定工況滿足比例定律的相似工況條 件，否則方法不適用；另外，在確 定變頻后轉(zhuǎn)速時(shí)，不能忽略頻率范 圍的限制，一般認(rèn)為轉(zhuǎn)速差不超過 20%時(shí)比例定律適用，轉(zhuǎn)速差過大， 則比例定律就會(huì)有一定誤差1，工 程計(jì)算一般認(rèn)為比例定律適用范圍 為60%-100%額定轉(zhuǎn)速。具體評(píng)估 方法如下：假設(shè)

13、當(dāng)前工況流量需求為Q， 根據(jù)記錄數(shù)據(jù)直接計(jì)算得整個(gè)系統(tǒng) 能耗為：(3-1)其中 為電動(dòng)機(jī) 能耗，、 分別為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量 的電機(jī)側(cè)電壓、電流和系統(tǒng)功率因數(shù)，為系統(tǒng)其它效率。保持流量Q不變，則由式(1-1) 和(1-3)得到變頻后風(fēng)機(jī)軸功率為：(3-2)、 分別為風(fēng)機(jī)額定流量和 額定功率。則變頻改造后整個(gè)系統(tǒng) 能耗為：(3-3)其中、分別為變頻后電動(dòng) 機(jī)效率、變頻器效率，為系統(tǒng)其它 效率。變頻改造后節(jié)約的能耗為：(3-4)節(jié)能率為：(3-5)關(guān)于變頻器效率，一般由供應(yīng) 商提供的額定值為94%-97%，而實(shí) 際在頻率下降時(shí)變頻器效率也會(huì)下 降。表1為西門子公司生產(chǎn)的羅賓 康完美無諧波系列變頻器的效率與

14、轉(zhuǎn)速關(guān)系。從表中看出，變頻器的 效率隨轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的降低而降低。 表1不同轉(zhuǎn)速下的變頻器效率Tab.1變頻器n !CC%-nkb.CCCC4 CC- 轉(zhuǎn)矩%、+ JU7 A C CL CC 4 C C 4 CCC C C 4 CrA rc c0cc c rc2074.6-85.9C 4 L E C84.9-94.8GdGFi Pi89.2-94.2CC C CC A91.5-95.JC 4 c cc c92.8-96CL c cc c84.5 9 1.0 cc c cc r-9 1 95.5CC C CL -79J.2 96.1CL CC A94.8 96.6CL r cc cJ5.6 96.9

15、 cc c r!6088.J-92.5cc nn c9J.2-95.7E C CU -795-96.4cu -7 rw?95.9-96.8 no n no n96.J-97 no 0 no n801009J-90.J91.4-9J.294.J-95.794.8-95.795.7-96.495.9-95.796.2-96.996.4-96.596.6-96.896.5-96.64.案例分析以某水泥廠窯尾風(fēng)機(jī)變頻改造 的節(jié)能效果評(píng)估為例，分析電動(dòng)機(jī) 效率變化對(duì)節(jié)能預(yù)算結(jié)果的影響。當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行電壓U為9800kV，I為51.1A，功率因數(shù)為0.84。假設(shè)改造前系統(tǒng)其它效率=98%，則改造前系統(tǒng)能耗為

16、P1= / =743 kW。風(fēng)機(jī)相關(guān)計(jì)算參數(shù)：額定全壓 Hn為4000Pa，額定轉(zhuǎn)速nN為 980rpm，額定功率 PN為 1000kW； 當(dāng)前全壓H為1997Pa。由式(1-2) 和(1-3)得到變頻后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 692rpm，風(fēng)機(jī)軸功率P=353kW。負(fù) 載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)二0.5。電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YRKK630-6,相 關(guān)計(jì)算參數(shù)：額定功率 1000kW， 額定頻率fN為50Hz，額定相電壓 一kV，額定轉(zhuǎn)差sn為 TOC o 1-5 h z 0.01,額定效率為94.7%,額定風(fēng)磨 損耗PfwN為1.19kW,最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 二2.2；定子電阻；定子漏抗；轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏抗、勵(lì)磁電阻、勵(lì)磁電抗。計(jì)算

17、得到變頻后的頻率為 34.7Hz，電動(dòng)機(jī)效率 87.6%， 與額定效率94.7%相差7個(gè)百分點(diǎn)。下面根據(jù)式（3-3）分四種情況 計(jì)算改造后能耗：（1）Casel：不計(jì)電動(dòng)機(jī)效率，變頻器效率 和系統(tǒng)其它效率。即、均 取100%，風(fēng)機(jī)軸功率即為系統(tǒng)總能 耗，則 P2=353kW。（2）Case2：認(rèn)為變頻后電動(dòng)機(jī)和變頻器都 工作在額定效率。即取電動(dòng)機(jī)效率 為94.7%、變頻器效率 為97%， 其它效率98%。則改造后能耗為?2=392（3）Case3:考慮電動(dòng)機(jī)效率變化。電動(dòng)機(jī) 效率取計(jì)算所得的變頻后效率 87.6%，變頻器效率取額定值 97%，則改造后能耗為P2=424kW。（4）Case4：考

18、慮電動(dòng)機(jī)和變頻器效率變 化。即電動(dòng)機(jī)效率 取87.6%，變 頻器效率根據(jù)表1取0.7轉(zhuǎn)速比、 0.49轉(zhuǎn)矩比時(shí)的參考值95.9%。則 改造后能耗為P2=428kW。四種情況下的節(jié)能量和節(jié)能率 計(jì)算結(jié)果見表2。表2 :，F(xiàn)同方法預(yù)算結(jié)果對(duì)比Case1Case2Case3Case4節(jié)能量391kW351kW319kW315 kW節(jié)能率52.6%47.3%43%42.3%由表2看出，考慮電動(dòng)機(jī)效率 變化的Case3比認(rèn)為電動(dòng)機(jī)變頻后 工作在額定效率的Case2節(jié)能率下 降4個(gè)百分點(diǎn)之多；若再將變頻器 的實(shí)際效率考慮在內(nèi)，則節(jié)能率再 降低了 0.7個(gè)百分點(diǎn);Casel與Case2 的節(jié)能率相差達(dá)10個(gè)百分點(diǎn)。由此 表明，變頻后電動(dòng)機(jī)的效率變化對(duì) 節(jié)能效果的影響較大，在風(fēng)機(jī)變頻 改造節(jié)能評(píng)估中有必要計(jì)及電動(dòng)機(jī) 效率變化對(duì)節(jié)能效果的影響。5,結(jié)論隨著合同能源管理機(jī)制在我國(guó) 的推廣，變頻節(jié)能改造項(xiàng)目的節(jié)能 效果評(píng)估對(duì)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性分析 至關(guān)重要，粗略的節(jié)能評(píng)估可能誤 導(dǎo)投資者決策。論文對(duì)變頻后電動(dòng)機(jī)效率變化 做了理論推導(dǎo)，結(jié)果表明隨著頻率 下降電動(dòng)機(jī)效率降低，當(dāng)頻率下降 到一定程度時(shí)，效率將迅速降低。 文章提出在風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能效果 評(píng)估中，應(yīng)該考慮電動(dòng)機(jī)效率變化 對(duì)節(jié)