GB∕T 29326-2023 包括變速應(yīng)用的能效電動(dòng)機(jī)的選擇 應(yīng)用導(dǎo)則（正式版）

CCSK20代替GB/T29326—2012包括變速應(yīng)用的能效電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)用導(dǎo)則2023-12-28發(fā)布2024-07-01實(shí)施國家市場監(jiān)督管理總局I V 2規(guī)范性引用文件 3.1術(shù)語和定義 23.2符號 23.3縮略語 24背景 4.1概述 34.2IEC標(biāo)準(zhǔn)簡介 5應(yīng)用 85.1電動(dòng)機(jī)長時(shí)間滿載運(yùn)行的應(yīng)用場合 85.2平方轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性的應(yīng)用場合(泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)) 85.3恒轉(zhuǎn)矩特性的應(yīng)用場合(輸送機(jī)、升降機(jī)、起重機(jī)) 6電機(jī)基本原理 6.1概述 6.2技術(shù) 6.3效率 6.4功率因數(shù) 6.5極數(shù)、頻率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系 6.6恒速運(yùn)行與變速運(yùn)行的區(qū)別 7恒速運(yùn)行電動(dòng)機(jī) 7.1概述 7.250Hz和60Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定值 7.3起動(dòng)性能 7.4運(yùn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率 7.5變負(fù)載電動(dòng)機(jī)的損耗 7.6功率因數(shù) 7.7部分負(fù)載時(shí)的效率 7.8電動(dòng)機(jī)在不同電壓或電壓范圍時(shí)的定額 7.9軟起動(dòng) 7.10IE效率等級 7.11效率測定方法 7.12電源和環(huán)境溫度變化的影響 7.13電動(dòng)機(jī)尺寸 Ⅱ8變速運(yùn)行電動(dòng)機(jī) 8.1概述 8.2任意轉(zhuǎn)速下額定運(yùn)行的電動(dòng)機(jī) 8.3變頻和負(fù)載變化的電動(dòng)機(jī)損耗 8.4設(shè)計(jì)為恒速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)在變速運(yùn)行下的額外損耗 8.5變頻器 8.6變頻驅(qū)動(dòng)損耗 8.7變頻驅(qū)動(dòng)功率因數(shù) 8.8部分轉(zhuǎn)速和部分轉(zhuǎn)矩時(shí)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率 8.9IE和IES能效等級 8.10效率測定方法 8.11電動(dòng)機(jī)和變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)尺寸 9系統(tǒng)選擇指南 9.1系統(tǒng)選擇方法介紹 9.2電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)成本 10維護(hù)和壽命預(yù)期 10.1工業(yè)用電動(dòng)機(jī)的常見故障原因 10.2軸承潤滑劑的壽命預(yù)期 10.3繞組絕緣的壽命預(yù)期 10.4VFD供電電動(dòng)機(jī)軸承和絕緣的潛在故障源 10.5變頻器的維護(hù)和壽命預(yù)期 10.6維護(hù)方法 附錄A(資料性)電動(dòng)機(jī)和變頻器的典型效率值和損耗 A.1概述 A.2直接并網(wǎng)電動(dòng)機(jī)的損耗 A.3變速電動(dòng)機(jī)的損耗 A.4變頻器(VFD)損耗 附錄B(資料性)直接并網(wǎng)(DOL)電動(dòng)機(jī)典型效率值表 附錄C(資料性)節(jié)能和節(jié)約生命周期成本的示例 C.1概述 C.3為風(fēng)機(jī)更換電動(dòng)機(jī)時(shí)的常見誤判 C.4并行風(fēng)機(jī) C.5電動(dòng)機(jī)材料與能效和CO。排放 附錄D(資料性)損耗和效率插值計(jì)算表 參考文獻(xiàn) 圖1工業(yè)用電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 4圖21995年—2020年工業(yè)用電動(dòng)機(jī)能效等級預(yù)測全球市場份額 圖3電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)單元構(gòu)成 5Ⅲ圖47個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)，摘自IEC60034-2-3 圖5不同額定輸出功率下，4極電動(dòng)機(jī)提高一個(gè)能效等級輸入功率減少的百分比 8圖6有/無節(jié)流閥的系統(tǒng)特性曲線及恒速時(shí)的泵特性曲線 圖7DOL或VFD運(yùn)行的不同電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的ESOB的平均電耗 圖8輸送機(jī)(傳輸帶)、起重機(jī)、升降機(jī)等的系統(tǒng)特性曲線 圖9籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 圖10DOL電動(dòng)機(jī)與VFD電動(dòng)機(jī)工作性能的比較 圖11典型4極籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在不同額定功率下的損耗占比 圖124極三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同額定功率的運(yùn)行特性 圖13在恒定輸出功率時(shí)電流、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)和效率隨電壓變化的典型曲線 圖14變頻器的示意圖 圖15變頻器輸入端線電流的畸變功率因數(shù)與總諧波失真 圖16不同應(yīng)用的典型系統(tǒng)特性曲線 圖17電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)單元及系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備概況 圖18根據(jù)2017/2018年歐洲市場調(diào)查，不同額定功率等級MDU主要單元的成本占比 圖19工業(yè)用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)故障原因分布占比 圖203種不同的維護(hù)類型(即維護(hù)保養(yǎng)、定期檢修、預(yù)見性維護(hù))簡單的相對比例 圖C.1標(biāo)準(zhǔn)水泵特性 圖C.2IE2感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和IE4自起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩-同步轉(zhuǎn)速曲線，以及風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)特性 圖C.3相同流量時(shí)的兩種不同風(fēng)機(jī)控制方法對比 圖C.4從一次能源、煤，到電動(dòng)機(jī)的能流圖 圖D.1EXCEL計(jì)算表摘錄 表1電氣傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)單元的IEC能效標(biāo)準(zhǔn)概況 表24極三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)損耗分布 表3極數(shù)、頻率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系 表4以50Hz為基準(zhǔn)，相同轉(zhuǎn)矩時(shí)50Hz和60Hz電動(dòng)機(jī)的效率計(jì)算 表5電網(wǎng)供電交流電動(dòng)機(jī)的IE能效等級 表B.150Hz、IE1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的典型效率值 表B.250Hz、IE2感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的典型效率值 表B.350Hz、IE3感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的典型效率值 表B.450Hz、IE4感應(yīng)電動(dòng)機(jī)典型效率值 表C.1工作點(diǎn)OP1到OP3電動(dòng)機(jī)性能的計(jì)算 表C.2系統(tǒng)損耗和性能 表C.3節(jié)省電量、煤炭量和CO?排放量的計(jì)算 V本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件代替GB/T29326—2012《包括變速應(yīng)用的能效電動(dòng)機(jī)的選擇——應(yīng)用導(dǎo)則》,與GB/T29326—2012相比，除結(jié)構(gòu)調(diào)整和編輯性改動(dòng)外，主要技術(shù)變化如下：a)更改了范圍，擴(kuò)大到適用于IEC60034-1所覆蓋的所有電機(jī)(見第1章，2012年版的第1章);b)增加了“Q(流量)”等符號和“AC(交流)”等縮略語(見第3章);c)增加了電動(dòng)機(jī)及變頻驅(qū)動(dòng)的節(jié)能潛力分析以及能效相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)介紹(見第4章);d)增加了電動(dòng)機(jī)長時(shí)間滿載運(yùn)行、平方轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和恒轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)用場合的示例(見第5章);e)增加了電機(jī)的基本原理(見第6章);f)增加了恒速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的性能特征(見第7章);g)增加了變速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的性能特征(見第8章);h)增加了電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)選擇指南(見第9章);i)更改了維護(hù)和壽命預(yù)期分析(見第10章，2012年版的第9章)。本文件等同采用IECTS60034-31:2021《旋轉(zhuǎn)電機(jī)第31部分：包括變速應(yīng)用的能效電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)用導(dǎo)則》,文件類型由IEC的技術(shù)規(guī)范調(diào)整為我國的國家標(biāo)準(zhǔn)。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國電器工業(yè)協(xié)會提出。本文件由全國旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC26)歸口。本文件起草單位：上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司、哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司、江蘇大中電機(jī)股份有限公司、山東博誠電氣有限公司、浙江鑫升新能源科技有限公司、上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司、臥龍電氣淮安清江電機(jī)有限公司、河北電機(jī)股份有限公司、上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司、長沙學(xué)院、安波電機(jī)(寧德)有限公司、重慶市質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化研究院、上海電科電機(jī)科技有限公司、深圳市風(fēng)發(fā)科技發(fā)展有限公司、佳木斯電機(jī)股份有限公司、雷勃電氣(無錫)有限公司、廈鎢電機(jī)工業(yè)有限公司、山東華力電機(jī)集團(tuán)股份有限公司、SEW-電機(jī)(蘇州)有限公司、浙江金龍電機(jī)股份有限公司、江西江特電機(jī)有限公司、河南永榮動(dòng)力股份有限公司、南陽防爆(蘇州)特種裝備有限公司、西門子電機(jī)(中國)有限公司、江蘇利多電機(jī)有限公司、山東富智大興電機(jī)有限公司。本文件及其所代替文件的歷次版本發(fā)布情況為：——2012年首次發(fā)布為GB/T29326—2012;——本次為第一次修訂。本文件提供了能效電動(dòng)機(jī)在恒速運(yùn)行和變速運(yùn)行時(shí)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面的應(yīng)用導(dǎo)則。2016年，全球范圍內(nèi)電力消耗約有50%用于電動(dòng)機(jī)，為單類設(shè)備中耗電量最大，僅工業(yè)用電動(dòng)機(jī)就占了總耗電量約30%。雖然“耗電量”一詞被廣泛運(yùn)用，但大部分電能做的是有用功，電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其中小部分轉(zhuǎn)化為熱損耗。因此電動(dòng)機(jī)，尤其是可根據(jù)不同負(fù)載要求控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變速電動(dòng)機(jī)，是實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)電的關(guān)鍵設(shè)備。降低能耗的一個(gè)簡單方法是投資更高效的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫\(yùn)行成本主要來自電費(fèi)，這種方式通常會帶來快速的投資回報(bào)。然而，更大的節(jié)能潛力要從整體的系統(tǒng)視角來確定。據(jù)估計(jì)，盡管50%以上電動(dòng)機(jī)將得益于變頻器的控制，比如替換掉調(diào)節(jié)介質(zhì)流量的節(jié)流裝置之類高耗能機(jī)械控制裝置，但實(shí)際使用的電動(dòng)機(jī)中僅有12%是由變頻器控制的。本文件旨在為正確使用恒速和變速電動(dòng)機(jī)提供指導(dǎo)，并從實(shí)際用途和工作特性的角度分析何時(shí)使用它們。本文件給出了恒轉(zhuǎn)矩工作特性和平方轉(zhuǎn)矩工作特性的示例，并描述了實(shí)際意義，以便加深對其可行性的理解。本文件的某些部分也可能適用于其他電動(dòng)機(jī)。1包括變速應(yīng)用的能效電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)用導(dǎo)則1范圍本文件對交流電動(dòng)機(jī)在能效方面的應(yīng)用提供了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面的指導(dǎo)，適用于電機(jī)制造商、OEM(原始設(shè)備制造商)、終端用戶、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、立法機(jī)關(guān)和其他相關(guān)方。本文件適用于IEC60034-1、IEC60034-30-1、IECTS60034-30-2所覆蓋的所有電機(jī)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T12668.902—2021調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)第9-2部分：電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)起動(dòng)器、電力電子設(shè)備及其傳動(dòng)應(yīng)用的生態(tài)設(shè)計(jì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)起動(dòng)器的能效指標(biāo)(IEC61800-9-2:2017,IDT)GB/T32877—2022變頻器供電交流電動(dòng)機(jī)確定損耗和效率的特定試驗(yàn)方法(IEC60034-2-3:IEC60034-1旋轉(zhuǎn)電機(jī)第1部分：定額和性能(Rotatingelectricalmachines—Part1:Ratingandperformance)IEC60034-2-1旋轉(zhuǎn)電機(jī)第2-1部分：旋轉(zhuǎn)電機(jī)(牽引電機(jī)除外)確定損耗和效率的試驗(yàn)方法[Rotatingelectricalmachines—Part2-1:Standardmethodsfordetermininglossesandefficiencyfromtests(excludingmachinesfortractionvehicles)]IEC60034-2-3變頻器供電交流電動(dòng)機(jī)確定損耗和效率的特定試驗(yàn)方法(Rotatingelectricalma-chines—Part2-3:Specifictestmethodsfordetermininglossesandefficiencyofconverter-fedACmotors)注：GB/T32877—2022變頻器供電交流電動(dòng)機(jī)確定損耗和效率的特定試驗(yàn)方法(IEC60034-2-3:2020,IDT)IEC60034-12旋轉(zhuǎn)電機(jī)第12部分：單速三相籠型感應(yīng)電機(jī)的起動(dòng)特性(Rotatingelectricalma-chines—Part12:Startingperformanceofsingle-speedthree-phasecageinductionmotors)IEC60034-30-1旋轉(zhuǎn)電機(jī)第30-1部分：電網(wǎng)供電的交流電動(dòng)機(jī)效率分級(IE代碼)[Rotatingelectricalmachines—Part30-1:EfficiencyclassesoflineoperatedACmotors(IEcode)]IECTS60034-30-2旋轉(zhuǎn)電機(jī)第30-2部分：變速交流電動(dòng)機(jī)效率分級(IE代碼)[Rotatingelec-tricalmachines—Part30-2:EfficiencyclassesofvariablespeedACmotors(IEcode)]IEC60072(所有部分)旋轉(zhuǎn)電機(jī)尺寸和輸出功率等級(Dimensionsandoutputseriesforrotatingelectricalmachines)IEC61800-9-1調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)第9-1部分：電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)起動(dòng)器、電力電子設(shè)備及其傳動(dòng)應(yīng)用的生態(tài)設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展產(chǎn)品法(EPA)和半解析模型(SAM)制定電氣傳動(dòng)設(shè)備能效標(biāo)準(zhǔn)的一般要求[Adjustablespeedelectricalpowerdrivesystems—Part9-1:Ecodesignforpowerdrivesystems,motorstarters,powerelectronicsandtheirdrivenapplications—Generalrequirementsforset-tingenergyefficiencystandardsforpowerdrivenequipmentusingtheextendedproductapproach(EPA)andsemianalyticmodel(SAM)]2IEC61800-9-2調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)第9-2部分：電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)起動(dòng)器、電力電子設(shè)備及其傳動(dòng)應(yīng)用的生態(tài)設(shè)計(jì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)起動(dòng)器的能效指標(biāo)(Adjustablespeedelectricalpowerdrivesystems—Part9-2:Ecodesignforpowerdrivesystems,motorstarters,powerelectronicsandtheirdrivenapplications—Energyefficiencyindicatorsforpowerdrivesystemsandmotorstarters)注：GB/T12668.902—2021調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)第9-2部分：電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)起動(dòng)器、電力電子設(shè)備及其傳動(dòng)應(yīng)用的生態(tài)設(shè)計(jì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)起動(dòng)器的能效指標(biāo)(IEC61800-9-2:2017,IDT)3.1術(shù)語和定義IEC60034-1、IEC60034-30-1、IECTS60034-30-2界定的術(shù)語和定義適用于本文件。ISO和IEC在以下地址維護(hù)用于標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語數(shù)據(jù)庫：ISO在線瀏覽平臺：/obp下列符號適用于本文件?！鱬壓力差值，單位為帕斯卡(Pa)n標(biāo)稱效率，以百分?jǐn)?shù)(%)表示額定效率，以百分?jǐn)?shù)(%)表示F牽引力，單位為牛頓(N)f.頻率，單位為赫茲(Hz)額定頻率，單位為赫茲(Hz)I電流有效值，單位為安培(A)n運(yùn)行轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min)ny額定轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min最大轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/minns同步轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)每分(r/min)Pma電動(dòng)機(jī)輸出功率，單位為瓦特(W)P×額定輸出功率，單位為瓦特(W)Q流量，單位為立方米每秒(m3/s)R電阻，單位為歐姆(Ω)s感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率，以百分?jǐn)?shù)(%)表示Tn最大輸出轉(zhuǎn)矩，單位為牛頓米(Nm)T額定輸出轉(zhuǎn)矩，單位為牛頓米(Nm)Ux額定電壓，單位為伏特(V)v線速度，單位為米每秒(m/s)3.3縮略語下列縮略語適用于本文件。3AC交流(alternatingcurrent)CDM成套傳動(dòng)模塊(completedrivemodule)EM電動(dòng)機(jī)(electricEP拓展產(chǎn)品(extendedproduct)ESOB泵頭中帶有軸承的端吸泵(end-suctionownbearing)GHG溫室氣體(greenhousegas)IE國際能效指標(biāo)(internationalenergyefficiencyofcomponentindex)IES國際系統(tǒng)能效指標(biāo)(internationalenergyefficiencyofsystemindex)LSPM自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)(line-startpermanentmagnetsynchronousmotor)MDU電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)單元(motordrivenunit)OEM原始設(shè)備制造商(originalequipmentmanufacturer)OP工作點(diǎn)(operatingpoint)PDS電氣傳動(dòng)系統(tǒng)(powerdrivesystem)PMSM永磁同步電動(dòng)機(jī)(permanentmagnetsynchronousmotor)PWM脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation)ROI投資回報(bào)(returnoninvestment)RMS均方根(root-mean-square)RSM磁阻同步電動(dòng)機(jī)(reluctancesynchronousmotor)TC技術(shù)委員會(technicalcommittee)THD總諧波失真(totalharmonicdistortion)VFD變頻器(variablefrequencyd4背景本章介紹了能效的重要性和使用電動(dòng)機(jī)與變頻器時(shí)巨大的節(jié)能潛力。2010年全球溫室氣體(GHG)總排放量為490億噸CO。當(dāng)量，電力和熱力生產(chǎn)占主體的能源行業(yè)，占總排放量的35%,占比最大[1]。至2015年，煤炭仍是電力生產(chǎn)最主要的能源，占全球總發(fā)電量20萬億千瓦時(shí)的43%,其次為天然氣、水力、核能分別占比19%、15%和12%[2]。2017年燃煤發(fā)電廠平均效率為33%[3]。如引言所述，全球約有50%的電力消耗用于電動(dòng)機(jī)，為單類設(shè)備中耗電量最大[4-5],2016年僅工業(yè)用電動(dòng)機(jī)就占了總耗電量約30%,如圖1a)所示[4-6],另外20%用于其他行業(yè)中的電動(dòng)機(jī)，如商用、民用、交通和農(nóng)業(yè)用電動(dòng)機(jī)[6]。因此，電動(dòng)機(jī)，尤其是變頻器(VFD)供電的電動(dòng)機(jī)，是實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)電的關(guān)鍵設(shè)備?，F(xiàn)有用戶中，功率范圍在0.12kW～1000kW之間的工業(yè)用低壓電動(dòng)機(jī)估計(jì)超過7.5億臺[7。注1:電動(dòng)機(jī)消耗的絕大部分電能被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備，剩余部分轉(zhuǎn)化為熱，這部分是損耗。在本文件中，“耗電量”是“能量轉(zhuǎn)化”的代替詞，因?yàn)楸M管定義如上所述，但“耗電量”一詞已被廣泛運(yùn)用。目前現(xiàn)有用戶中僅有約12%的電動(dòng)機(jī)配有電子調(diào)速控制裝置，如圖1b)所示[8]。據(jù)估計(jì)，如果該占比超過50%,將更加有益于節(jié)約能源。在大多數(shù)情況下，將直接并網(wǎng)電動(dòng)機(jī)替換成能效等級更高的新電動(dòng)機(jī)是一種較簡單的提高能效的方法。然而，更大的節(jié)能潛力與速度控制相關(guān)，例如可通過替換掉效率較低的機(jī)械控制裝置實(shí)現(xiàn)，如泵的節(jié)流閥?？紤]到生命周期成本時(shí)，采用節(jié)能措施的投資通常僅在幾年甚至幾個(gè)月內(nèi)便可回收。電力成本約4占電機(jī)系統(tǒng)整個(gè)生命周期成本的96%,而采購和安裝成本只占大約2.5%,維修成本占剩余的1.5%,如圖1c)所示[8]。在投資電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器時(shí)，采取全生命周期成本法，而不是單一元件價(jià)格優(yōu)化策略，是極其有益的。目前泵系統(tǒng)耗電量占全球工業(yè)總耗電量超過25%,據(jù)估計(jì)，其中約40%是可優(yōu)化節(jié)能的，尤其是占市場保有量73%的離心泵，此類泵約有75%體積過大，其中蘊(yùn)含著巨大的節(jié)能潛力[8]。與離心泵類似，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)也具有按轉(zhuǎn)速平方比例增長的負(fù)載特性，因而功率特性按立方增長，如果能夠?qū)崿F(xiàn)變速控制運(yùn)行，將具有巨大的節(jié)能潛力。僅這兩項(xiàng)應(yīng)用就占了工業(yè)用低壓電動(dòng)機(jī)市場的52%[?]。圖1d)給出了2020年工業(yè)用電動(dòng)機(jī)每個(gè)能效等級的預(yù)測全球市場份額[10],它們各自從1995年—2020年的發(fā)展歷程如圖2所示[10-12]。2020年市場占比最高的能效等級為IE2,約占41%,25年前的1995年，IE0(該等級包括額定效率低于IE1最低效率限值的電動(dòng)機(jī))的市場份額最大，約為56%。IE4是目前直接并網(wǎng)電動(dòng)機(jī)的最高能效等級，2020年市場份額約為2%[10],意味著節(jié)能潛力仍然很高。注2:直接并網(wǎng)IE4電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用仍受到局限，原因是電機(jī)制造商生產(chǎn)能力仍受當(dāng)前技術(shù)水平限制，未能在所有額定功率下達(dá)到該能效等級。(VFD)動(dòng)機(jī)30%其他電力消耗50%其他電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)直接起動(dòng)(DOL)農(nóng)業(yè))a)單類設(shè)備全球耗電量市場占比b)全球工業(yè)用電動(dòng)機(jī)用戶中恒速或變速控制占比投資成本投資成本電力成本維修成本c)工業(yè)用電動(dòng)機(jī)全生命周期成本構(gòu)成的占比d)電動(dòng)機(jī)能效等級市場份額圖1工業(yè)用電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及其所驅(qū)動(dòng)的設(shè)備采取節(jié)能措施比不做同樣的投資更具經(jīng)濟(jì)效益。因此，節(jié)能降耗的動(dòng)機(jī)已經(jīng)明確，但實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的主要障礙在于意識的欠缺，以及在制定采購計(jì)劃時(shí)往往優(yōu)先考慮初始產(chǎn)品成本的降低而非運(yùn)行成本的節(jié)省，從全生命周期的角度來看，這是非常不經(jīng)濟(jì)的，如下例證所示。5年份年份注：IE0等級額定效率為低于IE1能效等級限值的電動(dòng)機(jī)。圖21995年—2020年工業(yè)用電動(dòng)機(jī)能效等級預(yù)測全球市場份額IECTC2(旋轉(zhuǎn)電機(jī))和IECTC22(電力電子系統(tǒng)和設(shè)備)提供了大量關(guān)于電動(dòng)機(jī)和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)(PDS)的能效標(biāo)準(zhǔn)，所涉及的單元如圖3所示[13]。IECTC2(IEC60034系列)標(biāo)準(zhǔn)和IECTC22(IEC61800系列)標(biāo)準(zhǔn)在用詞上不完全相同。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)(PDS)包括變頻器(VFD)[也稱成套傳動(dòng)模塊(CDM)]和電動(dòng)機(jī)(EM),其后連接的是傳動(dòng)裝置(變速器、皮帶、離合器等)和被傳動(dòng)的設(shè)備(泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、輸送機(jī)、升降機(jī)等)。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)PDS、傳動(dòng)裝置和被傳動(dòng)的設(shè)備合稱為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)單元(MDU)或拓展產(chǎn)品(EP)。機(jī)械設(shè)備被驅(qū)動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)控制流量/移動(dòng)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)控制流量/移動(dòng)電動(dòng)機(jī)離合器、制動(dòng)壓縮機(jī)、運(yùn)輸機(jī)圖3電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)單元構(gòu)成下列標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了額定運(yùn)行時(shí)頻率(通常為50Hz或60Hz)和轉(zhuǎn)速恒定的電動(dòng)機(jī)：IEC60034-2-1:確定損耗和效率下列標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了變頻(由變頻器供電)和變速專用電動(dòng)機(jī)：IEC60034-2-3:確定損耗和效率除非被明確排除在外，否則每個(gè)電動(dòng)機(jī)都屬于這兩類中的任何一種(見IEC60034-30-1或6IECTS60034-30-2范圍),因此根據(jù)其類別將只攜帶一個(gè)IE代碼標(biāo)記。通過印在銘牌上的定額確定電動(dòng)機(jī)能效是否按照IEC60034-30-1或IECTS60034-30-2進(jìn)行分類。如果電動(dòng)機(jī)只用于恒速運(yùn)行或是同時(shí)適用于恒速和變速運(yùn)行(如大多數(shù)感應(yīng)電機(jī)),則應(yīng)根據(jù)IEC60034-2-1用電網(wǎng)電源進(jìn)行測試，并根據(jù)IEC60034-30-1進(jìn)行分級。在這種情況下，所確定的滿載效率應(yīng)與能效等級一起印在銘牌上。與較低能效等級的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，高能效等級的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)其尺寸、質(zhì)量和成本通常會增加。因此，在IEC60034-30-1中目前并網(wǎng)電動(dòng)機(jī)的最高能效等級為IE4。當(dāng)電機(jī)專用于變速運(yùn)行時(shí)，如大多數(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)或不直接并網(wǎng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)[如同步轉(zhuǎn)速為3000r/min(100Hz)的4極感應(yīng)電動(dòng)機(jī)],效率的確定應(yīng)依據(jù)IEC60034-2-3,并按IECTS60034-30-2進(jìn)行分級。在這種情況下，只需將能效等級印在銘牌上，可選擇是否在銘牌上標(biāo)注所確定的效率值。此外，制造商可在相關(guān)資料或其網(wǎng)站上提供標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)的效率數(shù)據(jù)，方便用戶確定在基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任何給定負(fù)載點(diǎn)(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩)的效率。IEC60034-2-3提供了可用的插值程序(見下文)。IECTS60034-30-2中各能效等級的標(biāo)稱效率值已進(jìn)行了修正，以適應(yīng)VFD供電時(shí)脈寬調(diào)制(PWM)電壓所造成的附加電動(dòng)機(jī)損耗。因此，直接并網(wǎng)和變速電動(dòng)機(jī)的IE代碼等級基本相當(dāng)，但根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)和技術(shù)，在部分轉(zhuǎn)速和負(fù)載工況下會有個(gè)別差異。IECTS60034-30-2主要針對同步電動(dòng)機(jī)，由于其極大減少了轉(zhuǎn)子損耗而默認(rèn)效率更高，因此引入了一個(gè)新的能效等級IE5。IE5同步電動(dòng)機(jī)的尺寸和質(zhì)量通常與相同額定功率的IE4或IE3異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)。下列標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了由VFD運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)：IEC61800-9-2:確定損耗和效率電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的效率分級(IES0、IES1、IES2)表1給出了電氣傳動(dòng)系統(tǒng)IEC能效標(biāo)準(zhǔn)的概覽。表1電氣傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)單元的IEC能效標(biāo)準(zhǔn)概況序號電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)所包含的單元范圍效率測試效率分級1電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)第二版：2014-06第一版：2014-032VFD電動(dòng)機(jī)VFD供電的電動(dòng)機(jī)第一版：2020第二版：2016-123VFD電動(dòng)機(jī)VFD分級/測試第一版：2017-0345泵 壓縮機(jī)拓展產(chǎn)品/方法第一版：2017-037只有當(dāng)電動(dòng)機(jī)在近似穩(wěn)定的工況下運(yùn)行一段時(shí)間時(shí)，確定損耗和能效等級才有意義。典型的例子有泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、輸送機(jī)、升降機(jī)等。根據(jù)IEC60034-1,這類電動(dòng)機(jī)的工作制為S1或S3,具有高負(fù)載持續(xù)率。有些電動(dòng)機(jī)為S2短時(shí)工作制運(yùn)行，例如車庫門和工業(yè)門電機(jī)，這種情況下，由于相關(guān)附加成本，高能效并不總是理想選擇。有些電動(dòng)機(jī)(如伺服電動(dòng)機(jī))需要非常高的加速和減速能力，這只能在低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下實(shí)現(xiàn)。通常，這樣的要求與在近似穩(wěn)定工況下、需要增大電動(dòng)機(jī)尺寸和慣量的高效率設(shè)計(jì)相悖，反而事與愿違，因此效率分級一般排除伺服電動(dòng)機(jī)。對于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可變的電動(dòng)機(jī)，制造商宜提供附加信息讓用戶能夠根據(jù)IEC60034-2-3確定在任何給定負(fù)載點(diǎn)(轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速)的效率和損耗。提供的信息可以是7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)的損耗(Pu,PL?,…,P),從中可計(jì)算出合適的插值系數(shù)，或者直接給出插值系數(shù)(cu,clg,…,cu),這7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)已定義，如圖4所示。較可取的方法是，制造商宜直接提供插值系數(shù)，因?yàn)檫@樣可使能效插值更準(zhǔn)確。在只可得到損耗值的情況下，用戶可根據(jù)的公式確定插值系數(shù)。不管采用哪種方法，插值都可很容易地使用IEC60034-2-3中提供的公式得到。相對轉(zhuǎn)速/%相對轉(zhuǎn)速/%圖47個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作點(diǎn)，摘自IEC60034-2-3沒有給出低于25%轉(zhuǎn)速和25%轉(zhuǎn)矩的預(yù)估測試點(diǎn)，因?yàn)檫@樣的工作點(diǎn)實(shí)際上無法進(jìn)行高精度測量。此外，在此工作范圍內(nèi)運(yùn)行損耗主要是I2R損耗，可準(zhǔn)確地從其他工作點(diǎn)推斷出來。測試點(diǎn)(3)、(2)和(1)主要適用于滿載時(shí)的恒定轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場合(傳輸帶、升降機(jī)、起重機(jī)),測試點(diǎn)(5)和(4)則適用于半負(fù)載。為了確保按照IEC60034-2-3中所述的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)損耗測定程序，90%以上的轉(zhuǎn)速沒有放置任何測試點(diǎn)，以消除VFD電壓降的影響。注：圖4中一種備選工作點(diǎn)順序?yàn)?1)-(4)-(2)-(5)-(6)-(3)-(7),這種方式實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程更快，因?yàn)殡娏?轉(zhuǎn)矩)調(diào)整比轉(zhuǎn)速調(diào)整更快，或者說大部分是電調(diào)節(jié)而不是機(jī)械調(diào)節(jié)。8不同等級間輸入功率變化率/%不同等級間輸入功率變化率/%5.1電動(dòng)機(jī)長時(shí)間滿載運(yùn)行的應(yīng)用場合從IE1到IE4,電動(dòng)機(jī)損耗通常會減少約45%,通常狀況下的總電力需求量降低約為10%(在0.12kW～110kW的額定功率范圍內(nèi)，差距在3%～31%之間)。圖5給出了當(dāng)替換為更高能效等級的電動(dòng)機(jī)時(shí)(假設(shè)兩臺電機(jī)都在其額定功率下運(yùn)行),在輸入功率方面的節(jié)電潛力，對于電動(dòng)機(jī)較長時(shí)間運(yùn)行、且運(yùn)行在各級能效及附近工作點(diǎn)的所有應(yīng)用場合都適用。電動(dòng)機(jī)額定輸出功率/kW圖5不同額定輸出功率下，4極電動(dòng)機(jī)提高一個(gè)能效等級輸入功率減少的百分比注：圖5對根據(jù)IEC60034-30-1和IECTS60034-30-2分級的電動(dòng)機(jī)有效，即在能效等級工作點(diǎn)運(yùn)行的所有DOL當(dāng)需要速度控制或有效果時(shí)，將高效率電動(dòng)機(jī)與變頻器組合使用是很好的做法。輸送氣體或液體的設(shè)備一般為泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，其系統(tǒng)特性曲線隨流量Q的平方增長，如圖6所示。泵系統(tǒng)中的凈壓頭是由閉合回路中泵輸送液體時(shí)克服管道摩擦力所需的額外壓力以及在開路時(shí)的重力所產(chǎn)生。閉合泵回路沒有重力引起的靜壓的凈作用，因此靜壓頭較低。風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)一般凈壓頭較低，且出風(fēng)的壓力與進(jìn)風(fēng)的壓力相近。通過不同的控制方法，有流量變化要求且靜壓頭較低的系統(tǒng)通常比靜壓頭較高，即使在低流量時(shí)也需要相當(dāng)大的基準(zhǔn)壓力的系統(tǒng)，具有更大的節(jié)能潛力。圖6中，對于未節(jié)流的系統(tǒng)特性曲線，流量正比于VFD控制的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，而對于節(jié)流系統(tǒng)特性曲線，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是恒定的，流量通過用節(jié)流閥改變管道的橫截面積，在低流量狀態(tài)下制造一個(gè)“阻塞”來進(jìn)行調(diào)節(jié)。下面給出一些采用不同控制方法節(jié)能的例子。9開路圖6有/無節(jié)流閥的系統(tǒng)特性曲線及恒速時(shí)的泵特性曲線5.2.2泵系統(tǒng)的節(jié)流與變速控制對比泵運(yùn)行所需的電機(jī)輸出功率由壓力差值、流量和泵效率給出，即Pmo=△p×Q×1/ηlyd。如圖6所示，原則上有下列解決方案可將流速Q(mào)?(工作點(diǎn)OP1)降低到Q?,如下所述。通過節(jié)流控制流量的例子(OP1→OP2)通過節(jié)流閥可調(diào)整系統(tǒng)特性曲線并將工作點(diǎn)移至OP2,電機(jī)繼續(xù)以額定轉(zhuǎn)速n、運(yùn)行，系統(tǒng)輸出將如愿減少至Q?。然而，電動(dòng)機(jī)輸入功率P?保持不變，即Pma=△p?×Q?×1/ηa≥△p?×Q?×耗了不必要的功率，由于揚(yáng)程增大，系統(tǒng)在期望的工況點(diǎn)Q。處運(yùn)行時(shí)效率反而變低。通過變速控制流量的例子(OP1→OP3)當(dāng)采用電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到新的流量Q。而不是使用節(jié)流閥調(diào)節(jié)時(shí)，所需的電動(dòng)機(jī)功率可大大降低。這種情況下，系統(tǒng)特性曲線不變，工作點(diǎn)達(dá)到了OP3,現(xiàn)在系統(tǒng)消耗的功率大大減小，即Pmora=△p?×從圖6可看出，當(dāng)需要長時(shí)間減小流量時(shí)，VFD通常是節(jié)能的更優(yōu)選擇。由于復(fù)雜度更高以及附加元件損耗，對于連續(xù)運(yùn)行在額定流量附近的系統(tǒng)VFD的節(jié)能效果可能不顯著。更多關(guān)于泵應(yīng)用的例子可參見參考文獻(xiàn)[14-20]。5.2.3泵系統(tǒng)開/關(guān)流量控制根據(jù)運(yùn)行時(shí)間和負(fù)載變化特性，簡單的開/關(guān)控制可能比通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量效率更高。例如，地面建筑區(qū)的地下水泵或供住戶用水的蓄水塔水泵，往往在水位達(dá)到一定高度時(shí)才啟動(dòng)，低于一定閾值時(shí)就關(guān)閉。在運(yùn)行期間，泵運(yùn)行在標(biāo)稱功率且在最佳效率點(diǎn)。更多信息見參考文獻(xiàn)[18]。泵級聯(lián)設(shè)計(jì)允許多臺泵并聯(lián)，以滿足不同的需求。此類設(shè)計(jì)經(jīng)常用于例如大型辦公樓的飲用水升壓器。這類應(yīng)用中，只有最后一個(gè)泵會變速運(yùn)行，而其他所有泵只需根據(jù)需要開啟或關(guān)閉。泵在標(biāo)稱負(fù)載下運(yùn)行的效率高，不僅是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)效率高，還因?yàn)楸眯式咏罴研庶c(diǎn)。5.2.4可變流量的泵系統(tǒng)及其節(jié)能潛力許多應(yīng)用，如額定液壓輸出功率小于或等于2500W用于供熱系統(tǒng)或冷液分配系統(tǒng)的循環(huán)泵，其工作效能得益于輸送的液體恒定但流量變化。據(jù)估計(jì)，與標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)泵相比，若采用變速控制和更高效率的電動(dòng)機(jī)，高效率循環(huán)泵可節(jié)約高達(dá)80%的電能[19]。通過對大量不同類型，功率從幾百瓦到幾百千瓦，流量可變的泵進(jìn)行全面研究，例如清潔水泵和污水泵，研究結(jié)果表明當(dāng)選擇變速替代恒速運(yùn)行時(shí)，節(jié)電量約可達(dá)20%～40%。當(dāng)選擇更高效率的同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替代“標(biāo)準(zhǔn)”感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，還可能再節(jié)電約4%～19%。因此，對于流量變化的泵系統(tǒng)，當(dāng)選擇最高效率的變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替代恒速電動(dòng)機(jī)配合流量控制方法時(shí)，總節(jié)能量可達(dá)到約25%～52%[20]。超過50%的清潔水泵用于流量變化的應(yīng)用場合，但只有少部分泵與VFD配套銷售[20]。圖7給出了平均運(yùn)行時(shí)間5000h/年、ESOB在流量變化應(yīng)用場合中的節(jié)電量示例。以DOL異步電動(dòng)機(jī)的耗電量為基數(shù)，給出了不同功率等級的DOL感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、VFD供電感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和VFD供電同步電動(dòng)機(jī)的平均耗電量[20]?？蓮脑摾锌闯?，電動(dòng)機(jī)功率小于22kW的系統(tǒng)平均節(jié)電量達(dá)47%。電動(dòng)機(jī)功率/kW圖7DOL或VFD運(yùn)行的不同電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的ESOB的平均電耗5.2.5風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)與前面的泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)相似，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本規(guī)則更加直接。由于風(fēng)機(jī)通常在低靜壓頭下運(yùn)行，且系統(tǒng)特性曲線中所需功率隨轉(zhuǎn)速立方增長，在部分負(fù)載工況下使用變頻驅(qū)動(dòng)的好處是很明顯的。因此，除非風(fēng)機(jī)需要長期滿負(fù)荷運(yùn)行，否則建議使用VFD;長期滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，開/關(guān)控制可能是更好的選擇。所有輸送機(jī)都具有相似的系統(tǒng)特性曲線，如圖8所示，該曲線適用于水平、垂直和傾斜方向運(yùn)輸散裝或包裝貨物的工況。所需電動(dòng)機(jī)功率能通過牽引力和線速度計(jì)算出來Pm=F×v。5.3.2輸送機(jī)恒速與變速控制對比當(dāng)輸送機(jī)的質(zhì)量流率需要從全速v?、全轉(zhuǎn)矩(力)F?(工作點(diǎn)OP1)降低時(shí)，如圖8所示，有兩種主要解決方案：對于以恒速v?運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，質(zhì)量流率降低將導(dǎo)致力等比例降至F?。在工作點(diǎn)OP2運(yùn)行所需的電動(dòng)機(jī)功率為Pmorz=v?×F?。傳輸速度傳輸速度v/(m/s)圖8輸送機(jī)(傳輸帶)、起重機(jī)、升降機(jī)等的系統(tǒng)特性曲線當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按質(zhì)量流率降低的比例調(diào)整到v?時(shí)，將達(dá)到工作點(diǎn)OP3。此時(shí)，因輸送機(jī)的負(fù)載相有些輸送機(jī)摩擦力相當(dāng)大，例如運(yùn)輸?shù)V渣的長距離皮帶輸送機(jī)。由于摩擦力很大程度上與傳輸速度成正比，因此實(shí)際上根據(jù)負(fù)載(力)來降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并達(dá)到工作點(diǎn)OP3,比在輸送機(jī)負(fù)載減小(力也減小)的情況下全速運(yùn)行(OP2)更節(jié)能。輸送機(jī)的摩擦力越高，使用變頻驅(qū)動(dòng)的好處就越明顯。然而，速度非常低時(shí)，摩擦力反而可能會增大，因此抵消了速度控制對效率的作用。變速在許多應(yīng)用場合中都有功能上的優(yōu)勢，例如，對于電梯來說，變速可達(dá)到更高的最大速度，而固定速度運(yùn)行中由于重力過大且受傷風(fēng)險(xiǎn)太高不可能達(dá)到這種速度。變速的功能效益往往比只考慮節(jié)能更重要，這使得VFD控制在恒轉(zhuǎn)矩應(yīng)用場合中同樣受到關(guān)注。6電機(jī)基本原理6.1概述電動(dòng)機(jī)類型多種多樣，其中一部分能以固定頻率和轉(zhuǎn)速直接并網(wǎng)(DOL)或通過變頻器(VFD)變速驅(qū)動(dòng)，還有一些是專門為VFD運(yùn)行設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)。第7章將討論在6.2.1中定義的DOL型電動(dòng)機(jī)的性能特征，第8章、6.2.2和6.3.2將討論VFD運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的性能特征。6.2技術(shù)這類技術(shù)包括三相籠型(見圖9)或繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和能夠自起動(dòng)的永磁電動(dòng)機(jī)。一些電動(dòng)機(jī)由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足或起動(dòng)電流過大而無法實(shí)現(xiàn)直接起動(dòng)，有些永磁電動(dòng)機(jī)由于設(shè)計(jì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足或自起動(dòng)的瞬態(tài)過程中可能會導(dǎo)致磁體退磁而同樣無法實(shí)現(xiàn)自起動(dòng)。三相籠型設(shè)計(jì)仍然是工業(yè)用電動(dòng)機(jī)主力，在用電動(dòng)機(jī)中占比超過95%。轉(zhuǎn)子繞組能用鋁條或銅條連接到轉(zhuǎn)子鐵心兩端的短路環(huán)制成。繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)較少使用，通常用于需要高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和/或低堵轉(zhuǎn)電流的應(yīng)用場合。DOL永磁電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)子損耗低的優(yōu)點(diǎn)，但通常起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較低，因此在高初始負(fù)載或高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的工況下可能會較難起動(dòng)。注：與起動(dòng)時(shí)堵轉(zhuǎn)視在功率最大值的關(guān)系在IEC60034-12中給出。IEC60034-30-1建立了設(shè)計(jì)為直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的國際能效指標(biāo)(IE)等級。6.2.2變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)這類技術(shù)包括6.2.1所涵蓋的所有電動(dòng)機(jī)，以及無法DOL起動(dòng)的同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步或磁阻同步電動(dòng)機(jī)。不采用起動(dòng)鼠籠的設(shè)計(jì)，由于消除了轉(zhuǎn)子損耗，具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但需要配置VFD。如果沒有變速和改變功率的需求，VFD不僅沒有節(jié)能優(yōu)勢，而且增加了VFD損耗和VFD成本。其性能特征將在第7章討論。圖9籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的效率是衡量電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的有效利用程度的值，用輸出功率與輸入功率的比值表 (1)電動(dòng)機(jī)通常要給出額定負(fù)載時(shí)的效率，有時(shí)也提供3/4負(fù)載和1/2負(fù)載時(shí)的效率。電動(dòng)機(jī)的效率主要為負(fù)載、額定功率和轉(zhuǎn)速的函數(shù)，如下所示：a)效率隨負(fù)載變化的函數(shù)關(guān)系是電動(dòng)機(jī)的固有特性，如果電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離額定點(diǎn)運(yùn)行時(shí)將會導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的效率發(fā)生變化(見圖12b)和7.2];b)通常，電動(dòng)機(jī)的滿載效率隨電機(jī)的幾何尺寸和額定輸出功率的增加而增加；c)在相同額定功率下，轉(zhuǎn)速較高的電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)通常(但不總是)比轉(zhuǎn)速較低的電動(dòng)機(jī)效率更高；然而，這并不意味著所有的設(shè)備都必須用高速電機(jī)來驅(qū)動(dòng)；當(dāng)采用變速裝置，如皮帶輪或齒輪，來獲得所需的低速時(shí)，反而比直接用低速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)額外增加了系統(tǒng)功率損耗并降低籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r/min)與效率之間存在明確的關(guān)系。即：額定轉(zhuǎn)速相對于同步轉(zhuǎn)速越低，效率越低；轉(zhuǎn)差率反映了轉(zhuǎn)子繞組的損耗，如公式(2)定義(無量綱):…因此，IECN設(shè)計(jì)的籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)差率小于5%,相比較高轉(zhuǎn)差率電機(jī)效率更高，在條件允許時(shí)宜優(yōu)先使用。對于泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)一類的負(fù)載，使用多速電動(dòng)機(jī)或使用變頻器(VFD)可顯著節(jié)省電能。但宜注意，相同定額的多速電動(dòng)機(jī)在每一轉(zhuǎn)速下的效率比單速電動(dòng)機(jī)的效率稍低。通常，單繞組(例如達(dá)蘭德繞組)變極多速電動(dòng)機(jī)比雙繞組多速電動(dòng)機(jī)效率更高。連續(xù)或長期運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)具有很大的節(jié)能降耗空間。這類應(yīng)用的例子有加工機(jī)械、空氣動(dòng)力裝置、泵和很多種工業(yè)設(shè)備。許多電動(dòng)機(jī)是連續(xù)運(yùn)行的，但有些電動(dòng)機(jī)全年運(yùn)行時(shí)間很短，例如閥門電動(dòng)機(jī)、水壩門電機(jī)、工業(yè)門電機(jī)、消防泵和污水泵。在這些應(yīng)用中，改變電動(dòng)機(jī)的效率對總能源成本的降低意義不大，因?yàn)榭偰芎暮苌伲腋臑楦咝孰姍C(jī)后反而有可能降低其他性能要求。電動(dòng)機(jī)的效率小幅提高幾個(gè)百分點(diǎn)，結(jié)果將是電動(dòng)機(jī)損耗的顯著降低。例如，對于相同的輸出功率，如果效率從75%提高到78.9%,從85%提高到87.6%,或從90%提高到91.8%,每種情況下?lián)p耗將減少20%。效率通常是隨電動(dòng)機(jī)的幾何尺寸增加的，輸出功率超過1MW的中、高壓電動(dòng)機(jī)效率通常在95%以上。注：盡管電動(dòng)機(jī)的輸出功率隨幾何尺寸成平方關(guān)系增大，其可允許的散熱條件卻幾乎是線性增加的關(guān)系。因此，較高的效率是設(shè)計(jì)大電機(jī)的必然前提。電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，所產(chǎn)生的損耗一般描述如下：a)電損耗(定子和轉(zhuǎn)子，隨負(fù)載變化)——電流流過定轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的損耗表示為電流平方乘繞組電阻(I2R);籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗隨轉(zhuǎn)差率增大；在永磁或磁阻同步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子損耗通常不大，原因是這類電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子沒有鼠籠且與定子磁場同步運(yùn)行，因此轉(zhuǎn)子中主要是直流磁場；b)鐵心損耗(基本上與負(fù)載無關(guān))——這類損耗主要在定子疊片中產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子中低一些，主要取決于磁場頻率；雖然磁場對電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩至關(guān)重要，但會引起磁滯損耗和渦流損耗；c)機(jī)械損耗(通風(fēng)和摩擦損耗，基本上與負(fù)載無關(guān))——機(jī)械損耗主要產(chǎn)生于電動(dòng)機(jī)軸承、風(fēng)扇和密封結(jié)構(gòu)；這些損耗在低速電動(dòng)機(jī)和防護(hù)等級為IP2X、IP4X和IP5X電動(dòng)機(jī)中一般較小，但在d)附加損耗(雜散損耗)——鐵心中附加基波和高頻損耗，定子繞組中循環(huán)電流產(chǎn)生的損耗，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的諧波損耗；籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中這些損耗假定與轉(zhuǎn)矩平方成正比，在同步電動(dòng)機(jī)中是最小的。表2列出了4極三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電機(jī)損耗分量及其在電動(dòng)機(jī)總損耗中的典型占比，以及影響損耗大小的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方面因素。表24極三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)損耗分布損耗分量典型4級電動(dòng)機(jī)損耗百分比/%影響損耗的因素定子I2R損耗30～50定子導(dǎo)體設(shè)計(jì)及材料轉(zhuǎn)子I2R損耗20～25轉(zhuǎn)子導(dǎo)體設(shè)計(jì)及材料鐵耗20～25磁性材料的類型及設(shè)計(jì)附加損耗5～15主要為制造因素及設(shè)計(jì)方法風(fēng)摩耗5～10風(fēng)扇和軸承的選擇和設(shè)計(jì)6.3.3更高能效等級的電動(dòng)機(jī)期待通過技術(shù)的進(jìn)步能夠設(shè)計(jì)和制造出與現(xiàn)有較低能效等級的電動(dòng)機(jī)(例如EN50347、NEMAMG1和其他地方標(biāo)準(zhǔn))[21-22]的機(jī)械尺寸(法蘭、軸中心高等)相兼容，效率比IE4更高的電動(dòng)機(jī)。這類電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)通常需要VFD。無勵(lì)磁繞組的同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子損耗幾乎為零，因此這類電動(dòng)機(jī)有可能達(dá)到更高的能效等級。永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)和磁阻同步電動(dòng)機(jī)(RSM)已經(jīng)開發(fā)并商品化。PMSM通常具有某種固有的磁阻轉(zhuǎn)矩而RSM具有永久的驅(qū)動(dòng)力，因此可將兩者的結(jié)構(gòu)混合以互相彌補(bǔ)。一些同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)兼具永磁電機(jī)和籠型電機(jī)的特點(diǎn)，因此它們可在線起動(dòng)(直接起動(dòng)、永磁、同步電動(dòng)機(jī)“LSPM”),運(yùn)行時(shí)也不一定需要VFD。然而它們的起動(dòng)性能較差，并伴有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，同時(shí)受負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載慣量相當(dāng)大的限制。因此需要和實(shí)際使用工況密切匹配，而不能用在一般場合。所有產(chǎn)品的制造都會受材料和制造工藝的影響，即使是相同的設(shè)計(jì)和相同的工藝生產(chǎn)線，也不可能制造出兩個(gè)完全相同的產(chǎn)品，對于電動(dòng)機(jī)來說也是如此。產(chǎn)品會受材料的影響，如定轉(zhuǎn)子疊片所用硅鋼片電磁性能的變化會影響到鐵耗的改變進(jìn)而影響到電機(jī)效率。以7.5kW的電動(dòng)機(jī)為例，如果鐵耗增加10%(300W～330W),這是在硅鋼片允許的容差內(nèi)，那么電動(dòng)機(jī)的總損耗就由946W增加到976W,電機(jī)效率由88.8%(IE2)減小到88.5%(IE1)。制造過程的局限性也會導(dǎo)致效率的改變。如電動(dòng)機(jī)零部件尺寸都有一個(gè)合理的公差限值，將這些部件裝配在一起累計(jì)的公差，比如影響到了電機(jī)氣隙的實(shí)際尺寸，則會造成附加損耗的改變而影響電機(jī)的效率。此外，電機(jī)制造工藝，如沖孔，也會對硅鋼片的電磁性能產(chǎn)生負(fù)面影響，增加鐵耗并降低相對磁導(dǎo)率，進(jìn)而增加所需電流和銅耗。另外，制造過程和試驗(yàn)程序也可能造成影響。因此，在預(yù)測一臺給定電動(dòng)機(jī)的效率時(shí)，可用制造商定義的額定效率(該值宜為同一設(shè)計(jì)的大量電動(dòng)機(jī)所得的平均效率),額定效率也宜大于或等于所在額定能效等級的標(biāo)稱效率值(根據(jù)IEC60034-30-1或IECTS60034-30-2)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定電壓和頻率時(shí)，任一電動(dòng)機(jī)的實(shí)際滿載效率可能會低于額定效率，但是不能低于額定效率減去IEC60034-1中規(guī)定的效率容差。因此，原則上允許的最大損耗容差包含了制造工藝的影響和測試總不確定度這兩者都為最不利情況時(shí)的集合。6.4功率因數(shù)功率因數(shù)是有功功率與視在功率的比值，因此沒有單位。功率因數(shù)為1等價(jià)于僅有有功功率，功率因數(shù)為0等價(jià)于僅有無功功率。功率因數(shù)通常隨著電動(dòng)機(jī)負(fù)載的增大而增大。如果大量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)都運(yùn)行在輕載情況下，將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。額定負(fù)載時(shí)，并網(wǎng)運(yùn)行的低速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)比高速電動(dòng)機(jī)低，這是因?yàn)闃O數(shù)越大的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)漏抗越大，因而無功功率越大。對感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，電壓比額定電壓略高(小于10%)將減小功率因數(shù)，電壓比額定電壓略低(小于10%)將改善功率因數(shù)，然而其他的性能特性例如效率，可能會因?yàn)檫@種電壓的變化而受到不利影響，所以建議電動(dòng)機(jī)盡量運(yùn)行在接近銘牌電壓和功率下。通過電力系統(tǒng)分析可判斷是否需要校正功率因數(shù)以及是否需要用到如電容器、同步電機(jī)，或其他校正措施。當(dāng)用功率因數(shù)補(bǔ)償電容器來改善電力系統(tǒng)的功率因數(shù)時(shí)，宜仔細(xì)進(jìn)行選擇和應(yīng)用以避免不安全的運(yùn)行狀況。如果電容器太大，并且在斷電時(shí)仍與電動(dòng)機(jī)相連，則電容器會提供無功功率來繼續(xù)使電動(dòng)機(jī)保持磁化，導(dǎo)致電壓持續(xù)攀升，進(jìn)而損壞電動(dòng)機(jī)并/或造成安全隱患。建議咨詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以確定合適的補(bǔ)償電容值。如果電動(dòng)機(jī)是VFD運(yùn)行，宜咨詢變頻器制造商，以避免不兼容的情況。GB/T29326—2023/IECTS60034-31:20216.5極數(shù)、頻率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系被驅(qū)動(dòng)的設(shè)備決定了電動(dòng)機(jī)需要以什么轉(zhuǎn)速運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n、是頻率f。和極數(shù)p的函數(shù)，這些參數(shù)關(guān)系由公式(3)決定。國際上有兩種通用的交流電網(wǎng)頻率，50Hz或60Hz,因此每個(gè)確定極數(shù)的DOL運(yùn)行電動(dòng)機(jī)其同步轉(zhuǎn)速是固定的。VFD電動(dòng)機(jī)則可選擇任意極數(shù)和頻率，以達(dá)到需要的轉(zhuǎn)速。極數(shù)、頻率、轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表3所示。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)需要有轉(zhuǎn)差率使轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電流，來引起轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)差率也增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速會隨著轉(zhuǎn)矩比同步轉(zhuǎn)速低約幾個(gè)百分點(diǎn)范圍內(nèi)。同步電動(dòng)機(jī)將以公式(3)中定義的同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行。表3極數(shù)、頻率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系極數(shù)同步轉(zhuǎn)速/(r/min)DOLVFD變頻24620×fe8p(任意)6000/p6.6恒速運(yùn)行與變速運(yùn)行的區(qū)別如圖10a)所示，因?yàn)镈OL感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速只隨轉(zhuǎn)差率變化，所以轉(zhuǎn)速變化是極小。由于轉(zhuǎn)差率的存在，電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速隨負(fù)載略有下降。換句話說，DOL電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會隨負(fù)載顯著變化，電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域僅為轉(zhuǎn)矩沿著接近恒定轉(zhuǎn)速附近的直線變化，且由電網(wǎng)固定頻率和電動(dòng)機(jī)的極數(shù)所決定。VFD運(yùn)行電動(dòng)機(jī)因?yàn)槠滢D(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是可變的而具有更廣的運(yùn)行區(qū)域，從而形成如圖10b)所示的大范圍可運(yùn)行區(qū)域，其中nx是額定轉(zhuǎn)速，nmx是最大轉(zhuǎn)速，Tmx是最大轉(zhuǎn)矩。被驅(qū)動(dòng)設(shè)備其自身的功能決定了所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，能從實(shí)際工作特性中看出電動(dòng)機(jī)在哪個(gè)運(yùn)行狀態(tài)下對系統(tǒng)最有利。在許多情況下，將機(jī)械控制裝置替換為VFD控制裝置能節(jié)約大量能源，帶來非常快速的投資回報(bào)(ROI),如下所示。a)DOL電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)下轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速工作線b)VFD電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速工作區(qū)域圖10DOL電動(dòng)機(jī)與VFD電動(dòng)機(jī)工作性能的比較7恒速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行是交流電動(dòng)機(jī)最常見的類型，通常由50Hz或60Hz的電網(wǎng)供電。歷史上，需要變速的應(yīng)用場合通常使用較易控制的直流電動(dòng)機(jī)。然而，由于直流電動(dòng)機(jī)的電刷、電火花和磨損問題，它們在重載連續(xù)運(yùn)行工況的工業(yè)應(yīng)用場合中并不是很受青睞。相反，恒速交流電動(dòng)機(jī)一直是首選，是工業(yè)中最常用的電動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)80年代，可傳遞大功率且控制合理的現(xiàn)代變頻器被采用，使交流電動(dòng)機(jī)能更可靠和高效地變速運(yùn)行。然而據(jù)估計(jì)，直至2017年全球工業(yè)用電動(dòng)機(jī)用戶總數(shù)中，只有12%使用了VFD?]。為了簡單起見，也常使用恒速電動(dòng)機(jī)。最典型的低壓電網(wǎng)是50Hz400V和60Hz460V。有時(shí)同一臺電動(dòng)機(jī)可在兩種電網(wǎng)下使用，在額定銘牌上標(biāo)注這樣的雙重額定值是很常見的。7.250Hz和60Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定值因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的利用率和幾何尺寸與轉(zhuǎn)矩的關(guān)聯(lián)性比與功率的關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，理論上輸出功率與轉(zhuǎn)速是呈線性關(guān)系的，即從50Hz～60Hz,功率要增加20%。注：上述情況適用于非泵類電動(dòng)機(jī)。在中小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中I2R繞組損耗占主體。當(dāng)轉(zhuǎn)矩保持不變時(shí)，50Hz和60Hz時(shí)繞組損耗基本上都保持不變。雖然風(fēng)摩耗和鐵耗會隨頻率的增大而增大，但在4極或更高極數(shù)的電動(dòng)機(jī)中繞組損耗所占的比例較小。因此，60Hz比50Hz時(shí)輸出功率增加了20%,但損耗的增長小于這一比例，因此相對而言(輸出功率除以輸入功率)效率提高，表4以表格形式總結(jié)了上述內(nèi)容。實(shí)際上，無論是50Hz還是60Hz,其輸出功率的定額都是根據(jù)IEC60072按一定的功率等級來劃分的。因此，電動(dòng)機(jī)的功率不可能總是增加20%。然而在各自電源頻率下，如果電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)得更優(yōu)，則60Hz時(shí)的一般優(yōu)勢還是注：理論上，直接并網(wǎng)電動(dòng)機(jī)的附加損耗(通常為總損耗的5%～15%)的概念實(shí)際上主要包括在鐵耗和I2R損耗中。表4以50Hz為基準(zhǔn)，相同轉(zhuǎn)矩時(shí)50Hz和60Hz電動(dòng)機(jī)的效率計(jì)算類別轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速輸出功率損耗占輸出功率的比例I2R損耗風(fēng)摩耗4×(1.2)1.?=5.25%鐵耗4×(1.2)1.5=5.25%總損耗輸入功率100+28=128%120+30.5=150.5%效率100/128=78.1%120/150.5=79.7%50Hz和60Hz時(shí)效率的差別也隨著電動(dòng)機(jī)的極數(shù)和幾何尺寸而改變。通常，三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)60Hz時(shí)的效率，在輸出功率從0.75kW～355kW這一范圍比50Hz時(shí)的效率高2.5%～0.5%。只有大功率2極電動(dòng)機(jī)在60Hz時(shí)效率略低，因?yàn)槠滹L(fēng)摩耗和鐵耗更大。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以幾乎相同的磁通和轉(zhuǎn)矩額定運(yùn)行在50Hz或60Hz時(shí)(如400V/50Hz/3.0kW和460V/60Hz/3.7kW,在60Hz時(shí)輸出功率高出20%),多數(shù)情況下，60Hz的效率要比50Hz時(shí)的效率高。同樣地，當(dāng)電動(dòng)機(jī)以幾乎相同的磁通和輸出功率額定運(yùn)行在50Hz或60Hz時(shí)(如400V/50Hz/5.5kW和460V/60Hz/5.5kW,在60Hz時(shí)轉(zhuǎn)矩減少20%),60Hz的效率總是比50Hz時(shí)高，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的利用率或負(fù)載減少了。由于這些原因，IEC60034-30-1中不同能效等級(IE1、IE2和IE3)的限值曲線在60Hz時(shí)總是高于50Hz。額定運(yùn)行在電網(wǎng)頻率(50Hz或60Hz)以外的電動(dòng)機(jī)不按IEC60034-30-1效率分級，如果是專門為VFD運(yùn)行而設(shè)計(jì)，則按IECTS60034-30-2分級。7.3起動(dòng)性能能效型籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為了獲得較高的效率，在結(jié)構(gòu)上采取的典型措施是使用比性能稍差的同類電動(dòng)機(jī)更多的有效材料，即增加鐵心長，和/或增大鐵心的沖片直徑。由于這些原因，能效型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能與低效率的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能有所不同。平均來說，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出功率不變，效率水平提高一個(gè)等級后堵轉(zhuǎn)電流將增加10%～15%,且不大于IEC60034-12中N或H設(shè)計(jì)所允許的最大電流。個(gè)別情況下，這種不同取決于電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，當(dāng)用新電動(dòng)機(jī)置換現(xiàn)有安裝的電動(dòng)機(jī)時(shí)，宜和制造商一起核查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最近已規(guī)定了一種新的設(shè)計(jì)代號NE和HE,其允許更高的堵轉(zhuǎn)電流，可用來實(shí)現(xiàn)更高的效率。現(xiàn)在要求在銘牌中標(biāo)出起動(dòng)性能設(shè)計(jì)代號，以便引起終端用戶注意并考慮是否采用起動(dòng)器來處理電流。還宜注意的是，效率更高的電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)電流的指數(shù)衰減將更長，可能會影響繼電保護(hù)整定值或繼電器的延遲時(shí)間。通常，鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)比鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)具有較高的堵轉(zhuǎn)電流，宜確?？刂票Ｗo(hù)裝置有合適的大小和設(shè)置，參見IEC60034-12。更高效率的電動(dòng)機(jī)，特別是如果使用了鑄銅轉(zhuǎn)子，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可能會較低。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流的函數(shù)，高效電動(dòng)機(jī)盡力減少轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻和損耗，如果電流不增加的話，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將減少。如上所述，如果將能效型電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流增加10%～20%,且其他參數(shù)不變，那么起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩將增加20%～40%。與鑄鋁轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)相比，鑄銅轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)矩通常較低。制造商應(yīng)保證設(shè)計(jì)尺寸合理，以滿足IEC60034-12中定義的起動(dòng)特性(通常為N設(shè)計(jì)或NE設(shè)計(jì))。7.4運(yùn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率通常，具有較高效率的電動(dòng)機(jī)其運(yùn)行轉(zhuǎn)速比較高，即和低效率電動(dòng)機(jī)相比，其轉(zhuǎn)差率較低。平均來說，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變時(shí)，效率每提高一級，轉(zhuǎn)差率會降低20%～30%。鑄銅轉(zhuǎn)子比鑄鋁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率更小、轉(zhuǎn)速更高。如果用更高效率的電動(dòng)機(jī)替換現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)，更高的轉(zhuǎn)速可能會對電機(jī)提出更高的要求，結(jié)果可能會比現(xiàn)有效率較低的電動(dòng)機(jī)消耗更多的電能，這被稱為反彈效應(yīng)。為了避免這種情況，宜相應(yīng)地調(diào)整被驅(qū)動(dòng)設(shè)備，例如選擇一個(gè)直徑較小的風(fēng)機(jī)，以達(dá)到與之前相同的流量。在新的應(yīng)用中，被驅(qū)動(dòng)負(fù)載自然會根據(jù)增加的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。常見的誤判見C.3。7.5變負(fù)載電動(dòng)機(jī)的損耗GB/T12668.902—2021附錄D中給出了電機(jī)產(chǎn)生損耗的物理效應(yīng)的詳細(xì)信息，當(dāng)通過計(jì)算或測量已知各個(gè)損耗分量時(shí)，可作為計(jì)算在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載(轉(zhuǎn)矩)下?lián)p耗的基礎(chǔ)。在固定轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子損耗隨轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流的平方下降，直至零負(fù)載時(shí)為0,雜散損耗以同樣的方式隨轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流變化。a)定轉(zhuǎn)子繞組I2R損耗與頻率無關(guān)，并且隨轉(zhuǎn)矩的平方變化(因?yàn)殡娏骰旧想S轉(zhuǎn)矩變化)。b)附加損耗是支撐結(jié)構(gòu)(外殼、法蘭)的損耗和邊緣效應(yīng)(轉(zhuǎn)子導(dǎo)條間的橫向泄漏電流、永磁體中的渦流等)造成的損耗。附加損耗可分為兩部分：1)與頻率和轉(zhuǎn)矩的平方成正比的附加負(fù)載損耗；2)基于渦流效應(yīng)，與頻率的平方和轉(zhuǎn)矩的平方成正比的附加負(fù)載損耗；當(dāng)不確定附加負(fù)載損耗的精確分布時(shí)，應(yīng)假定為平均分布。c)鐵耗是基頻磁通的函數(shù)，在定速電動(dòng)機(jī)中接近恒定。隨著負(fù)載的增大，勵(lì)磁電壓和損耗會有輕微的下降，但在此可忽略不計(jì)。這部分損耗有時(shí)被認(rèn)為是恒定損耗。d)風(fēng)摩耗可分為兩部分：1)由軸承和軸封的摩擦造成的摩擦損耗，與頻率成正比；2)風(fēng)阻損耗，與轉(zhuǎn)速(頻率)的三次方成正比。由于定速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大，這部分損耗有時(shí)也被認(rèn)為是恒定損耗。綜上所述，在這里討論的鐵耗和風(fēng)摩耗可假設(shè)是恒定的。電動(dòng)機(jī)損耗的變化則是定子I2R、轉(zhuǎn)子I2R以及附加損耗變化的結(jié)果，這些損耗占總損耗的60%～80%。為簡化起見，可假定這些損耗大約以轉(zhuǎn)矩的平方減少。如圖11所示為一個(gè)典型4極籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在不同額定功率下的損耗占比[23]。以log為坐標(biāo)的電動(dòng)機(jī)輸出功率額定值/kW圖11典型4極籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在不同額定功率下的損耗占比7.6功率因數(shù)高效率電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電阻損耗更低，功率因數(shù)也會更低，而較低的功率因數(shù)可能會增加所連的設(shè)備和電纜的負(fù)載和損耗。通常設(shè)備中電動(dòng)機(jī)的總負(fù)載是決定系統(tǒng)功率因數(shù)的主要因素，低系統(tǒng)功率因數(shù)會導(dǎo)致配電系統(tǒng)損耗的增加。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)必然滯后于系統(tǒng)功率因數(shù)。直接并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電壓和電流波形實(shí)際上是正弦波，功率因數(shù)等于電壓和電流基波之間相位角的余弦，也稱為位移功率因數(shù)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)隨著負(fù)載的減小而減小，如圖12a)所示。圖12給出的是典型4極電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)曲線，2極電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)稍高一點(diǎn)，極數(shù)較大的電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)更低。7.7部分負(fù)載時(shí)的效率如圖12b)所示，單速電動(dòng)機(jī)在大部分的負(fù)載范圍內(nèi)效率值幾乎不變。圖12中給出的是效率等級為IE2和IE3的典型4極三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率曲線，其他極數(shù)的電動(dòng)機(jī)會有不同的特性曲線。在超載情況下，例如負(fù)載系數(shù)為1.15時(shí)，損耗的增長通常比負(fù)載的增長快，因此在超載情況下，效率將下降。電動(dòng)機(jī)在接近50%負(fù)載時(shí)效率仍可能保持近乎不變，但由于轉(zhuǎn)速恒定，且輸出功率是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積，節(jié)約的能源則會非常少。附錄A給出了計(jì)算公式，可用于計(jì)算任意負(fù)載時(shí)的效率近似值。然而，由于外推誤差，不建議在負(fù)載小于額定負(fù)載的50%或大于125%時(shí)使用此公式。a)典型功率因數(shù)-負(fù)載曲線a)典型功率因數(shù)-負(fù)載曲線b)典型效率-負(fù)載曲線圖124極三相籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同額定功率的運(yùn)行特性7.8電動(dòng)機(jī)在不同電壓或電壓范圍時(shí)的定額如果電動(dòng)機(jī)有一個(gè)額定電壓，但它運(yùn)行在不同的電壓或電壓范圍內(nèi)，效率會有很大變化。當(dāng)電壓增大時(shí)，轉(zhuǎn)矩和電流將成反比減小。因此，定轉(zhuǎn)子損耗和附加損耗與電壓變化的平方成反比，同時(shí)鐵耗隨電壓的平方成正比增大。通常，由于大多數(shù)損耗與電流有關(guān)，電壓升高會提高效率，電壓降低則會降低效率，當(dāng)然這取決于損耗的分布。7.9軟起動(dòng)抗起動(dòng)器、部分繞組起動(dòng)器或Y-△起動(dòng)器。除了變頻器起動(dòng)外，以上方式都會產(chǎn)生一定的暫態(tài)電流和轉(zhuǎn)矩。在所有其他情況下，電動(dòng)機(jī)被直接與電網(wǎng)相連，暫態(tài)轉(zhuǎn)矩的大小取決于電動(dòng)機(jī)繞組上的電壓百分比。除了VFD外，其他所有起動(dòng)方式轉(zhuǎn)矩大大降低，而堵轉(zhuǎn)電流可能為額定電流的200%～600%。變頻器從零速到全速起動(dòng)時(shí)，電壓和頻率隨轉(zhuǎn)速按比例增加，與直接起動(dòng)或任何其他軟起動(dòng)方式相比，起動(dòng)非常平穩(wěn)，瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩很小。通常在VFD起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流不會超過額定電流，如果需要也可能達(dá)到額定電流的1.5倍，但起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩會達(dá)到最大，并在額定電流時(shí)產(chǎn)生100%的額定轉(zhuǎn)矩。1MW以下、低于1000V的電網(wǎng)供電交流電動(dòng)機(jī)的IE能效等級已在IEC60034-30-1中定義，如表5所示。表5電網(wǎng)供電交流電動(dòng)機(jī)的IE能效等級標(biāo)準(zhǔn)效率高效率超高效率超超高效率然而，額定功率1MW及以上的電動(dòng)機(jī)通常是專門定制的，高效率一直是最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，這類電機(jī)的滿載效率通常在95%～98%之間。效率通常也是購買合同中一項(xiàng)重要指標(biāo)，如果不能滿足保證值將會受罰。因此，規(guī)定能效等級來要求更高的額定效率是次要因素。在2016年標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)修訂時(shí)，由于恒速IE5電動(dòng)機(jī)技術(shù)當(dāng)時(shí)還沒有開發(fā)完善并商品化，所以決定IE5等級不包括在內(nèi)。同樣，通過解決系統(tǒng)效率相比單項(xiàng)電機(jī)的小幅改進(jìn)，要節(jié)省更多的能源。7.11效率測定方法有許多測試方法用以確定電動(dòng)機(jī)效率，測試感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率所使用的國際標(biāo)準(zhǔn)是IEC60034-2-1,標(biāo)準(zhǔn)中確定了多種確定電動(dòng)機(jī)效率的方法，每一種方法基于不同的電動(dòng)機(jī)額定值等因素，在精度水平、測試成本和測試方法的難易程度上都各自有一定的優(yōu)勢。IEC60034-2-1中給出的部分方法在一些國IEC60034-2-11B法中的剩余損耗法詳細(xì)說明了從原始數(shù)據(jù)中分離各種損耗的計(jì)算方法，并用線性回歸分析法修正附加(或雜散)損耗數(shù)據(jù)。這種方法既可降低在25%～125%額定負(fù)載范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)測量誤差，又可將試驗(yàn)環(huán)境溫度校準(zhǔn)到恒定值25℃以降低不同試驗(yàn)環(huán)境造成的偏差。通常習(xí)慣上對功率小于2MW的電動(dòng)機(jī)用負(fù)載吸收裝置，即所謂的測功機(jī)來進(jìn)行試驗(yàn)，通過計(jì)算測量的輸入輸出功率來確定損耗分量及效率。即使對同一臺電動(dòng)機(jī)采用一致并精確的效率試驗(yàn)方法，但由于試驗(yàn)設(shè)備和儀器本身精度的不確定性、非自動(dòng)測試時(shí)人為因素等原因，其測試結(jié)果之間也會發(fā)生偏差。7.12電源和環(huán)境溫度變化的影響7.12.1電能質(zhì)量以及電壓和頻率變化的影響電動(dòng)機(jī)在非額定電壓和頻率工況運(yùn)行時(shí)，其效率和功率因數(shù)都可能會減小，且其他的性能特性也會受到不利影響，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在非正弦波電壓時(shí)也會出現(xiàn)相同的結(jié)果。供電電源電壓、波形或頻率的變化對電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)的影響取決于不同電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，如圖13所示。功率P轉(zhuǎn)速n效率η電壓U圖13在恒定輸出功率時(shí)電流、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)和效率隨電壓變化的典型曲線7.12.2不平衡電壓的影響供電電源三相電壓的平衡對電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的有效運(yùn)行至關(guān)重要，例如，電壓不平衡度達(dá)到3.5%時(shí)會使電動(dòng)機(jī)的損耗增加約20%,因此，宜仔細(xì)分配三相電源上各相的負(fù)載，使電動(dòng)機(jī)端的不平衡電壓盡可注：詳見IEC60034-26。7.12.3環(huán)境溫度的影響電動(dòng)機(jī)額定效率是在標(biāo)準(zhǔn)參考環(huán)境溫度25℃下給出的(見IEC60034-2-1)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度低于該溫度則效率會增加，高于該溫度則效率會降低。注：運(yùn)行中允許的電壓頻率變化范圍見IEC60034-1。效率與電壓的函數(shù)關(guān)系是電動(dòng)機(jī)的內(nèi)在特性決定的。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓與額定電壓差距很大時(shí)，將導(dǎo)致電機(jī)效率和溫升的變化，通常小電機(jī)的效率受電壓變化的影響比大電機(jī)嚴(yán)重。7.13電動(dòng)機(jī)尺寸在世界不同地區(qū)，一些小于75kW(或100HP)的小型電機(jī)是基于功率額定值來決定電機(jī)的安裝尺寸，因此當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可迅速從庫存中替換電動(dòng)機(jī)。目前能夠確保適用這種安裝尺寸，而不需要采用其他類型的先進(jìn)電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)(比如驅(qū)動(dòng)器)的最高效率等級是IE3。8變速運(yùn)行電動(dòng)機(jī)8.1概述第7章描述的恒速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)是由電網(wǎng)直接供電，其基波頻率固定為50Hz或60Hz,而對于變速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，其基波電壓頻率是可調(diào)節(jié)的。頻率整流器或更明確地說變頻器(VFD)是一種能夠控制基波電壓頻率的電子設(shè)備，連同一臺兼容的電動(dòng)機(jī)，這兩個(gè)元件組成了一個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)(PDS),使用者能夠任意選擇轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從而為終端應(yīng)用的優(yōu)化控制提供了可能性，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能。8.2任意轉(zhuǎn)速下額定運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)在任意轉(zhuǎn)速下額定運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)可為電機(jī)設(shè)計(jì)提供極高的自由度，例如可選擇極數(shù)來縮小電機(jī)尺對于需要在低轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生高轉(zhuǎn)矩的特殊應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)能強(qiáng)制冷卻并通過編碼器控制來實(shí)現(xiàn)無傳動(dòng)裝置下平滑運(yùn)行。無論性能要求如何(特指轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速),VFD用電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)都有極大的自由度。然而，在工業(yè)應(yīng)用場合，VFD驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場合最常用的電動(dòng)機(jī)仍是DOL感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，通常具有相同的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和額定數(shù)據(jù)。因此，在追求系統(tǒng)性能優(yōu)化方面，電機(jī)系統(tǒng)元件的設(shè)計(jì)仍有相對較大的想象空間。8.3變頻和負(fù)載變化的電動(dòng)機(jī)損耗VFD供電電動(dòng)機(jī)中電壓和電流的諧波會導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生額外的鐵耗和繞組損耗。由變頻器中的諧波所引起的附加損耗與負(fù)載關(guān)系不大，但與變頻器輸出電壓與直流母線電壓之比有很大關(guān)系。這些損耗隨開關(guān)頻率的增大而減少。8.4設(shè)計(jì)為恒速運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)在變速運(yùn)行下的額外損耗為恒速運(yùn)行設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)的額定值與它們所并入電網(wǎng)的標(biāo)稱值一致，例如，對于一個(gè)用于基波電壓電網(wǎng)中的4極電動(dòng)機(jī)，則該電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為1500r/min,且繞組能夠保證400V時(shí)的額定性能。如果同一電動(dòng)機(jī)用于變速運(yùn)行中，這是很常見的做法，那么該電動(dòng)機(jī)不會和直接并網(wǎng)時(shí)性能完全相同。輸入端為400V的變頻器，通常電壓會降低幾個(gè)百分比，為了達(dá)到額定功率，電流需要以電壓降幾乎相同的百分比增加，這意味著電動(dòng)機(jī)中會額外產(chǎn)生I2R損耗。而且變頻器產(chǎn)生的脈寬調(diào)制電壓波形會在電動(dòng)機(jī)中引起磁通諧波并相應(yīng)產(chǎn)生鐵耗和I2R損耗。根據(jù)不同電機(jī)設(shè)計(jì)和采用的控制原理，額定工況下的額外損耗可能在5%～25%之間。8.5變頻器工業(yè)電動(dòng)機(jī)控制最常用的是由半導(dǎo)體功率器件如晶體管和