中小型低壓交流高效電機(jī)節(jié)能應(yīng)用的典型誤區(qū)

陳偉華， 吳艷紅， 張 維

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

中小型低壓交流高效電機(jī)節(jié)能應(yīng)用的典型誤區(qū)

陳偉華， 吳艷紅， 張 維

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

我國(guó)前后共開(kāi)發(fā)了五代中小型低壓交流電機(jī)及其派生產(chǎn)品，雖然效率水平不斷提高，但是由于電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能不僅與電機(jī)本身效率的提高有關(guān)，還與電機(jī)及負(fù)載特性的匹配、速度調(diào)節(jié)控制模式等密切相關(guān)。在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造中，如果僅采用高效電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單替換，或者是將原電機(jī)系統(tǒng)加裝變頻器等控制裝置進(jìn)行簡(jiǎn)易維護(hù)，很可能造成節(jié)能效果不理想。將一些電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造中經(jīng)常出現(xiàn)的典型誤區(qū)進(jìn)行分析，提出了更好的解決方案。

高效;交流電機(jī);系統(tǒng)節(jié)能;誤區(qū)

0 引言

我國(guó)中小型通用低壓交流電機(jī)是量大面廣的基礎(chǔ)類機(jī)電產(chǎn)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)其用電量約占我國(guó)總發(fā)電量的57%，是名副其實(shí)的“用電大戶”。因此，做好中小型低壓交流電機(jī)的高效節(jié)能，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的重要手段之一。

但是，在電機(jī)及系統(tǒng)節(jié)能改造時(shí)也發(fā)現(xiàn)，高效電機(jī)的應(yīng)用效果往往需要與系統(tǒng)運(yùn)行模式(或控制方式)、負(fù)載特性等多個(gè)方面結(jié)合在一起進(jìn)行綜合評(píng)估后，通過(guò)科學(xué)的判斷和實(shí)踐的檢驗(yàn)才能得出節(jié)能與否。通俗一點(diǎn)講，就是高效電機(jī)如果使用不當(dāng)，將無(wú)法體現(xiàn)高效電機(jī)替換后的節(jié)能效果，甚至在一些特殊情況下出現(xiàn)了不節(jié)能的情況。

許多用戶對(duì)高效電機(jī)的基礎(chǔ)原理和應(yīng)用存在很多誤區(qū)，通過(guò)本文能夠幫助最終用戶正確使用高效電機(jī)，讓減排落實(shí)在節(jié)能效果的體現(xiàn)上。

1 我國(guó)電機(jī)發(fā)展歷史回顧

到目前，我國(guó)中小型通用低壓交流電機(jī)及其派生產(chǎn)品已經(jīng)過(guò)了五代的開(kāi)發(fā)和更替，一直遵循著“新材料、新技術(shù)、新工藝”的發(fā)展趨勢(shì)，特別是近幾年隨著電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程的開(kāi)展，電機(jī)的效率要求也越來(lái)越高。表1為低壓三相異步電機(jī)的幾代產(chǎn)品對(duì)比表，表2為低壓交流三相異步電機(jī)的近幾代產(chǎn)品內(nèi)在結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比表。

表1 低壓三相異步電機(jī)的幾代產(chǎn)品對(duì)比表

表2 低壓交流三相異步電機(jī)的近幾代產(chǎn)品內(nèi)在結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比表

2 電機(jī)設(shè)計(jì)中提高效率的措施

電機(jī)的效率與電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各項(xiàng)損耗的控制有很大的關(guān)系，提高電機(jī)設(shè)計(jì)效率的過(guò)程就是降低各項(xiàng)損耗的過(guò)程。電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生的損耗一般分為五個(gè)部分:定子銅損耗、鐵心損耗、轉(zhuǎn)子銅損耗、機(jī)械損耗(也稱風(fēng)摩耗)和附加損耗(也稱雜散損耗)，他們之和為總損耗。表3為提高電機(jī)效率措施。

高效電機(jī)的設(shè)計(jì)思路是:電機(jī)的效率與電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各項(xiàng)損耗的控制有很大的關(guān)系，也就是說(shuō)，電機(jī)提高效率的過(guò)程就是降低各項(xiàng)損耗的過(guò)程。表3是針對(duì)5大電機(jī)損耗分別采取的措施和方法。

對(duì)于任何一臺(tái)三相交流異步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)的效率就是電機(jī)輸出的軸功率(機(jī)械功率)和電機(jī)輸入功率(電功率)之比，用百分?jǐn)?shù)表示:

其中:η代表電機(jī)的效率，P2代表電機(jī)的輸出功率，P1代表電機(jī)的輸入功率，因?yàn)殡姍C(jī)銘牌上標(biāo)定的都是電機(jī)的輸出功率，因此電機(jī)的效率越高，表明電機(jī)在輸出功率相同時(shí)，電機(jī)的輸入功率越低，因此電機(jī)越節(jié)能。

表3 提高效率措施

3 常見(jiàn)的高效電機(jī)應(yīng)用典型誤區(qū)

3.1 水泵風(fēng)機(jī)類負(fù)載采用高效電機(jī)的節(jié)能誤區(qū)

對(duì)于泵和風(fēng)機(jī)，由流體動(dòng)力學(xué)理論可知，流體流量與泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一次方成正比，即:

水泵或風(fēng)機(jī)的揚(yáng)程(壓力)與轉(zhuǎn)速二次方成正比，即

其功率則與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即

式中:Q、n、P——流量、轉(zhuǎn)速、功率;

下標(biāo)“e”——額定工況參數(shù)。

圖1為 IEC 60034-31標(biāo)準(zhǔn)［1］中描述的采用IE3等級(jí)的超高效電機(jī)與采用IE2等級(jí)的高效電機(jī)，在水泵這類轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比的負(fù)載配合時(shí)的對(duì)比曲線:由于超高效電機(jī)比高效電機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗小，額定運(yùn)行點(diǎn)的轉(zhuǎn)速會(huì)高一些，與水泵負(fù)載配合時(shí)，在系統(tǒng)管阻未發(fā)生變化的情況下，由于高出的轉(zhuǎn)速實(shí)際上增加了整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率，盡管超高效電機(jī)效率更高，但是折算至輸入側(cè)則可能輸入功率減少不多甚至未減少。同樣，采用高效電機(jī)替換普通電機(jī)與此類似。這就是在風(fēng)機(jī)或水泵這類轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比的負(fù)載上，直接采用高效電機(jī)置換所獲得的節(jié)能效果一般的主要原因。

圖1 不同效率電機(jī)與泵類負(fù)載配合時(shí)的對(duì)比

舉例來(lái)說(shuō)，在循環(huán)水泵系統(tǒng)中，如果采用高效電機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單置換，由于系統(tǒng)對(duì)循環(huán)水量的要求，也就是流量的要求要高于對(duì)揚(yáng)程的要求，增加的轉(zhuǎn)速雖然同時(shí)增加了流量，但是在原流量已經(jīng)滿足系統(tǒng)需要的前提下，增加的流量就白白浪費(fèi)了，而且還增加了輸出功率。因此，采用高效電機(jī)直接替換原電機(jī)就不是一種理想的節(jié)能改造方案。解決此問(wèn)題的方法就是采用電機(jī)高效再制造或采用與該水泵特性匹配的高效專用電機(jī)。

3.2 “大馬拉小車”型節(jié)能入誤區(qū)

電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在負(fù)載率40%以下就屬于“大馬拉小車”，系統(tǒng)運(yùn)行不匹配，更換小功率檔電機(jī)可使電機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)，但是單純更換小功率電機(jī)的節(jié)能計(jì)算容易走入誤區(qū)。

最常見(jiàn)的情況是:正在使用的Y系列75 kW 4極電機(jī)經(jīng)過(guò)檢測(cè)，輸出功率長(zhǎng)期穩(wěn)定在30 kW運(yùn)行，負(fù)荷率正好位于40%不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臨界點(diǎn)，如果簡(jiǎn)單更換為55 kW電機(jī)，錯(cuò)誤的節(jié)能計(jì)算直接以兩者功率差(75－55=20 kW)計(jì)算，然后乘以年運(yùn)行時(shí)間來(lái)計(jì)算年節(jié)電量，在節(jié)能量審核申請(qǐng)材料經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤，真實(shí)情況如表4、表5所示。

從表4、表5可看出，75 kW電機(jī)運(yùn)行負(fù)載率40%時(shí)，效率比額定點(diǎn)時(shí)低了很多，屬于不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，此時(shí)更換成55 kW電機(jī)，負(fù)載率提高到55%，效率和功率因數(shù)提高了，電流和輸入功率減少了，節(jié)省的電量為輸入功率減少量，僅有32.65－32.481=0.169 kW。解決此問(wèn)題的方法就是采用更高效、功率更合理的電機(jī)予以改造，使得電機(jī)運(yùn)行在較為合理的負(fù)荷區(qū)間，又使得電機(jī)的高效率在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中真正發(fā)揮作用。

表4 Y系列4極75 kW電機(jī)運(yùn)行在負(fù)載率40%時(shí)參數(shù)

表5 更換為Y系列4極55 kW電機(jī)運(yùn)行在負(fù)載率55%時(shí)參數(shù)

3.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)改造中將電機(jī)改為高效電機(jī)

在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造中，經(jīng)常會(huì)遇到如下情形:控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)要求需要改造為變頻調(diào)速系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上想通過(guò)將原電機(jī)更換為高效電機(jī)的方式，再獲得更好的節(jié)能效果。

需要指出的是，變頻調(diào)速節(jié)能與高效電機(jī)置換節(jié)能的原理、方法和適用范圍及節(jié)能效果評(píng)價(jià)是完全兩個(gè)概念、兩種途徑。要想說(shuō)清這個(gè)問(wèn)題，需要回顧一下變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理，現(xiàn)以原閥門(或擋板)控制的水泵(或風(fēng)機(jī))改為變頻調(diào)速控制為例［2］。

由于傳統(tǒng)流量調(diào)節(jié)通過(guò)改變閥門或擋板開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。該情況下，電機(jī)總是處于全速運(yùn)行狀態(tài)(即使轉(zhuǎn)速有變化也在很小的范圍)，但實(shí)際上機(jī)組負(fù)荷需要不斷調(diào)整。因此，這種方法存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗。下面以水泵為例，比較閥門控制和變頻控制的能耗情況。泵的實(shí)際輸出軸功率為

根據(jù)水泵的相似原理，其非額定點(diǎn)的功率與額定參數(shù)的關(guān)系為

由圖2可見(jiàn)，曲線BD、CE分別為不同轉(zhuǎn)速下水泵的壓力流量關(guān)系，BF、AF為不同管網(wǎng)阻力曲線。系統(tǒng)消耗有效功率的大小反映于管網(wǎng)阻力曲線上的壓力H和流量Q的乘積，而泵的輸出功率大小反映于水泵特性曲線上的H和Q的乘積，A為額定工作點(diǎn)。η1、η2分別為水泵在轉(zhuǎn)速n1、n2下的效率曲線，水泵在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在額定流量時(shí)獲得最大效率。閥門開(kāi)度減小時(shí)，受其節(jié)流作用，泵后管網(wǎng)流動(dòng)阻力增加，水泵運(yùn)行點(diǎn)沿恒轉(zhuǎn)速曲線BD的A點(diǎn)上升到B點(diǎn)，使泵出口壓力升高，流量減少。同時(shí)，水泵的工作效率沿曲線η1從最高點(diǎn)下降到M點(diǎn)。此時(shí)耗電量減少不多而效率下降較大。如通過(guò)閥門控制流量從100%減少到80%時(shí)，出口壓力H將由100%增到110%(因?yàn)殡姍C(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速變化不大)，總效率η由0.98降為0.8。

圖2 水泵變頻調(diào)速節(jié)能曲線

通過(guò)變頻技術(shù)控制流量時(shí)，由于閥門全開(kāi)，只改變水泵轉(zhuǎn)速而不改變泵后管網(wǎng)阻力，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，其壓力/流量曲線下移，運(yùn)行點(diǎn)將由A點(diǎn)沿恒管網(wǎng)阻力曲線AF降到C點(diǎn)，即水泵流量減少，出口壓力降低，同時(shí)其效率曲線隨轉(zhuǎn)速的改變由η1移到η2，水泵始終工作在最大效率附近，其節(jié)省能耗如圖2所示?？梢?jiàn)，通過(guò)變頻控制流量同樣從100%減少到80%時(shí)，出口壓力降低到64%，總效率基本維持不變或下降不多。

即使不經(jīng)過(guò)這樣的計(jì)算，由式(4)可知:當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)的能耗將以其三次方的速率下降，因此變頻調(diào)速的節(jié)電效果非常顯著。由式(2)和式(4)可知:如流量要求由100%降到80%，則轉(zhuǎn)速相應(yīng)降到80%，揚(yáng)程降到64%，而電機(jī)的功率降到51.2%，即節(jié)約電能48.8%，因此變頻調(diào)速的節(jié)能效果十分顯著。

因此，變頻調(diào)速電機(jī)在水泵系統(tǒng)中的節(jié)能原理是根據(jù)負(fù)載變化的需要，通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，將原來(lái)采用閥門調(diào)節(jié)應(yīng)該節(jié)約而未能節(jié)約下來(lái)的能量(克服管阻做功)節(jié)省下來(lái)。結(jié)合前文介紹的高效電機(jī)節(jié)能原理不難發(fā)現(xiàn)，變頻調(diào)速節(jié)能與高效電機(jī)置換節(jié)能的原理、方法和適用范圍及節(jié)能效果是完全兩個(gè)概念、兩種途徑，見(jiàn)表6。

表6 變頻調(diào)速節(jié)能與高效電機(jī)置換節(jié)能的區(qū)別

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中將電機(jī)改為高效電機(jī)也并非節(jié)能上再節(jié)能。因?yàn)樽冾l調(diào)速電機(jī)在低于額定點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，其功率一般將隨著轉(zhuǎn)速降低(因頻率降低)減小(有恒轉(zhuǎn)矩和變轉(zhuǎn)矩兩種)，電機(jī)的效率將下降(但下降范圍有限)，如果換用高效電機(jī)，則同樣會(huì)因功率下降導(dǎo)致效率下降，兩者之間的差異是很小的，這與變頻調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)輒30%～50%的節(jié)能率相比，幾乎沒(méi)有任何變化，在節(jié)能上也沒(méi)有任何幫助，反而盲目增加了投資。

因此，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中沒(méi)有必要將電機(jī)置換為高效電機(jī)，而應(yīng)該使用適合于該負(fù)載設(shè)備的變頻調(diào)速專用電機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

以上僅列舉了三類在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造中常見(jiàn)的高效電機(jī)置換較為典型的誤區(qū)，從幾種誤區(qū)的分析可知，要想獲得更理想的節(jié)能效果，不僅要了解高效電機(jī)節(jié)能的工作原理，同時(shí)還要將電機(jī)置身于電機(jī)、所拖動(dòng)負(fù)載、控制裝置及管網(wǎng)組成的電機(jī)系統(tǒng)中，具體分析電機(jī)和負(fù)載匹配或變化的關(guān)系，用系統(tǒng)節(jié)能的方法才是更好的選擇。

［1］IEC 60034-31 Guide for the selection and application of energy-efficient motors including variable-speed applications［S］.

［2］譚有廣，劉峰.水泵的變頻調(diào)速節(jié)能原理分析［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2004(3):27-28.

A Typical Misunderstanding of Medium and Small-Size and High Efficient Low-Voltage AC Motor Energy Saving Applications

CHEN Weihua，WU Yanhong，ZHANG Wei
(Shanghai Motor System Energy Saving Engineering Research Center Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China)

AC motor and its derived products which was and medium and small-size low-voltage for the fifth generation were developed in our country，although the efficiency had improved continuously，but the motor system energy saving was not only related with the improved motor efficiency，but also closely related to the match of motor and load characteristics，and the control mode in the speed regulator.In the motor energy-saving system，if only highefficiency motor simple substitution or the original motor system such as the installation of the inverter control equipment for easy maintenance was likely to cause unsatisfactory results of the energy saving.Analyzed typical misunderstanding which was often appear in the motor system energy-saving，and proposed a better solution.

high-efficiency;AC motor;system energy;misunderstanding

TM 34

A

1673-6540(2012)10-0001-04

2012-07-18