電機效率變化對變頻改造節(jié)能效果的影響分析

1、電機效率變化對變頻改造節(jié)能效果的影響分析丁旭元1程林2劉耀年3（1.3.東北電力大學吉林省吉林市132012； 2.清華大學北京市海淀區(qū)100084）摘要：對需要變速運行的風機實施變頻調速節(jié)能改造是電機系統(tǒng)節(jié)能的重點， 而準確的節(jié)能效果評估是節(jié)能項目投資決策的重要環(huán)節(jié)。目前的風機變頻改造節(jié) 能效果評估方法沒有考慮變頻前后電動機效率變化的影響，論文對變頻后電動機 的效率進行了理論推導，指出在變頻后電動機效率變化明顯，應該計及該效率變 化對節(jié)能效果的影響。通過對某水泥廠實際風機的變頻改造節(jié)能效果評估，表明 電動機效率變化對節(jié)能效果影響較大，在變頻改造項目的節(jié)能效果評估中有必要 計及電動機效率變化對

2、節(jié)能效果的影響。關鍵字：風機變頻改造節(jié)能效果評估電機效率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：全國總消費電能的40%以上1。我國風機與泵的耗電量已占到其中風機所占比例較大，且大部分為變負荷運行。當前風機大多采用 風門控制調節(jié)流量，風機效率低下, 電能浪費嚴重。隨著合同能源管理 機制的推廣和變頻技術的發(fā)展，風 機的變頻調速改造項目得以大力推 動，準確的節(jié)能效果評估是項目投 資決策的重要環(huán)節(jié)。然而目前我國 對風機變頻改造的節(jié)能效果評估大 都處于實踐階段，很多評估結果與 實施后的實際情況存在差異，

6、還沒 有形成統(tǒng)一的、精確的評估方法。 當前方法中，文獻2中的方法為基 于比例定律的方法，文獻5提出了 基于風機效率的方法。這些方法存 在的一個共同的問題是只考慮了變 頻后風機本身效率的提高，而忽略 了電動機效率變化對節(jié)能效果的影 響。論文通過理論推導分析了變頻 后電動機的效率的變化情況，指出 電動機效率隨頻率變化明顯、應該 計及效率變化對節(jié)能效果的影響； 通過一個實際的評估案例分析了電 動機效率變化對節(jié)能效果的影響程 度，結果表明了電動機效率變化對 節(jié)能效果的影響較大、在節(jié)能評估 中有必要計及電動機效率變化的影 響。1.風機的變頻調速節(jié)能原理風機的工作點為其本身特性曲 線n1與管路特性曲線R的

7、交點， 如圖1中a點。當風機的額定流量 遠大于實際需求流量時，為滿足生 產工藝需求目前大多采用風門控制 增加管路阻力來調節(jié)流量，此時工 作點如圖1中c點。流量減小壓力 增大，但風機軸功率并未減小。圖1風機調速原理Fig.1Principles of Fan with Speed Control根據風機的比例定律：當輸送 流體的密度不變、僅轉速變化時， 輸出流量、壓力和軸功率與轉速存 在以下關系： TOC o 1-5 h z （1-1）-（1-2）一一（1-3）改變電動機電源頻率可改變電 動機轉速，風機特性隨轉速平移， 工作點改變，如由圖1中由a點移 至b點。轉速減小時，流量、壓力、 軸功率都隨

8、之減小，風機效率提高， 實現(xiàn)節(jié)能。頻率變化對電機效率的影響由式（1-1）可知，若風機實際 需求流量為Q，則采用變頻調速時 的控制轉速可表示為：（2-1）、 分別為風機額定流量、 額定轉速。風機的轉矩隨轉速平方 成正比變化，則流量Q時風機的轉 矩倍數(shù)可表示為：（2-2）設 為轉速為n時的控制頻率。 頻率改變時，電動機等效電路中的 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，此時電動機等效電路可用一土|叫一-闋2. JL rm圖2變頻時異步電機等效電路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， 則有如下關系：（2-3）-（2-4）、 為電機的額定頻率和額 定電壓。若要根據等效電路求出轉速為 n時的電動機效率，先要求出變頻 后等效電路中的未知參數(shù)a和s。根據電機學原理，轉速n與頻 率、轉差率s、極對數(shù)p的關系為:（2-5）對于大功率電動機，可忽略定圖2表示7。計算:子繞組，此時轉差率s可按下式其中；額定轉差率 和電機最大轉矩倍數(shù) 均為電 動機已知參數(shù)，通過式（2-2）得 出。聯(lián)立式（2-6）和式錯誤！未找 到引用源。則可求出a和s。根據等效電路圖可得出：（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）其中為電機定子側阻抗，a為轉

10、子側阻抗，a為勵磁阻抗，為電機總阻抗。電機工頻下的阻抗參數(shù)均為電機基本參數(shù)。將a和s代入式（2-4）、（2-7）至（2-10）可求出電壓U轉子電流I】、勵磁電流10、轉子電流I2和電機功率因數(shù)。（2-10）（2-10）（2-10）設電機輸入、輸出功率分別為、，由等效電路即可得出轉速為n、頻率為 時的電動機效率：（2-11）其中輸入功率和分 別為定、轉子銅損。在不考慮諧波 引起轉子電阻增大的情況時，可認 為與負載變化有關。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。為風磨損耗，包括通風損耗 和摩擦損耗，與負載無關而與轉速 有關。通風損耗正比于

11、n3,摩擦損 耗正比于n8，一般近似認為，即，為額定運行時的風磨損耗，一般由空 載試驗得出，作為已知參數(shù)。為雜散損耗，不易計算，一 般取估算值。本文按國家標準取為O以上五種損耗均未考慮變頻器 輸出諧波的影響，而實際上由于諧 波影響，電機各損耗變化將更復雜， 尤其是鐵損耗的變化。總的來說， 電動機總損耗會因為諧波的影響而 增加30%左右，導致效率會下降 1%-3%8。圖3變頻下電動機效率Fig.3Motor Efficiency under Frequency Control圖3為一臺帶風機負載的型號 為YRKK630-6的1000kW電動機在 恒U/f控制時效率隨頻率的變化曲 線。從圖中可以看

12、出，電機的實際 效率是隨頻率的降低而降低的，頻 率在30Hz時效率下降明顯，在低 于25Hz時，效率下迅速下降。因 此，在低頻時，必須考慮電動機效率對節(jié)能效益的影響?？紤]電動機實際效率的評估方法 為分析電動機效率變化對節(jié)能 效果的影響，本文在基于比例定律 的方法上考慮電機變頻后的效率。 該方法的前提條件是當前工況與額 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 定變頻后轉速時，不能忽略頻率范 圍的限制，一般認為轉速差不超過 20%時比例定律適用，轉速差過大， 則比例定律就會有一定誤差1，工 程計算一般認為比例定律適用范圍 為60%-100%額定轉速。具體評估 方法如下：假設

13、當前工況流量需求為Q， 根據記錄數(shù)據直接計算得整個系統(tǒng) 能耗為：(3-1)其中 為電動機 能耗，、 分別為現(xiàn)場測量 的電機側電壓、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)得到變頻后風機軸功率為：(3-2)、 分別為風機額定流量和 額定功率。則變頻改造后整個系統(tǒng) 能耗為：(3-3)其中、分別為變頻后電動 機效率、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)關于變頻器效率，一般由供應 商提供的額定值為94%-97%，而實 際在頻率下降時變頻器效率也會下 降。表1為西門子公司生產的羅賓 康完美無諧波系列變頻器的效率與

14、轉速關系。從表中看出，變頻器的 效率隨轉矩和轉速的降低而降低。 表1不同轉速下的變頻器效率Tab.1變頻器n !CC%-nkb.CCCC4 CC- 轉矩%、+ 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機變頻改造 的節(jié)能效果評估為例，分析電動機 效率變化對節(jié)能預算結果的影響。當前電網運行電壓U為9800kV，I為51.1A，功率因數(shù)為0.84。假設改造前系統(tǒng)其它效率=98%，則改造前系統(tǒng)能耗為

16、P1= / =743 kW。風機相關計算參數(shù)：額定全壓 Hn為4000Pa，額定轉速nN為 980rpm，額定功率 PN為 1000kW； 當前全壓H為1997Pa。由式(1-2) 和(1-3)得到變頻后風機轉速為 692rpm，風機軸功率P=353kW。負 載轉矩倍數(shù)二0.5。電動機型號為YRKK630-6,相 關計算參數(shù)：額定功率 1000kW， 額定頻率fN為50Hz，額定相電壓 一kV，額定轉差sn為 TOC o 1-5 h z 0.01,額定效率為94.7%,額定風磨 損耗PfwN為1.19kW,最大轉矩倍數(shù) 二2.2；定子電阻；定子漏抗；轉子電阻、轉子漏抗、勵磁電阻、勵磁電抗。計算

17、得到變頻后的頻率為 34.7Hz，電動機效率 87.6%， 與額定效率94.7%相差7個百分點。下面根據式（3-3）分四種情況 計算改造后能耗：（1）Casel：不計電動機效率，變頻器效率 和系統(tǒng)其它效率。即、均 取100%，風機軸功率即為系統(tǒng)總能 耗，則 P2=353kW。（2）Case2：認為變頻后電動機和變頻器都 工作在額定效率。即取電動機效率 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:考慮電動機效率變化。電動機 效率取計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、慮電動機和變頻器效率變 化。即電動機效率 取87.6%，變 頻器效率根據表1取0.7轉速比、 0.49轉矩比時的參考值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 計算結果見表2。表2 :，F(xiàn)同方法預算結果對比Case1Case2Case3Case4節(jié)能量391kW351kW319kW315 kW節(jié)能率52.6%47.3%43%42.3%由表2看出，考慮電動機效率 變化的Case3比認為電動機變頻后 工作在額定效率的Case2節(jié)能率下 降4個百分點之多；若再將變頻器 的實際效率考慮在內，則節(jié)能率再 降低了 0.7個百分點;Casel與Case2 的節(jié)能率相差達10個百分點。由此 表明，變頻后電動機的效率變化對 節(jié)能效果的影響較大，在風機變頻 改造節(jié)能評估中有必要計及電動機 效率變化對節(jié)能效果的影響。5,結論隨著合同能源管理機制在我國 的推廣，變頻節(jié)能改造項目的節(jié)能 效果評估對項目的經濟可行性分析 至關重要，粗略的節(jié)能評估可能誤 導投資者決策。論文對變頻后電動機效率變化 做了理論推導，結果表明隨著頻率 下降電動機效率降低，當頻率下降 到一定程度時，效率將迅速降低。 文章提出在風機變頻改造節(jié)能效果 評估中，應該考慮電動機效率變化 對節(jié)