熱力站變頻電機系統能耗特性分析

包頭東華熱電有限公司 邱建東華北電力大學電氣與電子工程學院 李寧輝

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熱力站變頻電機系統能耗特性分析

包頭東華熱電有限公司 邱建東
華北電力大學電氣與電子工程學院 李寧輝

【摘要】現有熱力站監測系統僅對電機工作頻率、泵出口壓力及流量進行監測，對電機系統能耗特性缺乏相關研究。為了獲得熱力站變頻電動機系統的能耗特性，本文以我廠典型熱力站變頻電機系統為實例，對其能耗特性進行了現場測試分析，獲得了熱力站變頻電機系統能耗特性，為后續節能改造提供了重要支持。

【關鍵詞】熱力站；變頻電機；能耗

1　引言

變頻調速系統具有調速范圍廣的有點，廣泛適用于風機和水泵等流體類負載的節能應用[1-3]。然而，目前，實際應用中大多數屬于交-直-交變頻器，其在整流和逆變環節會產生大量諧波，進而導致電網和電機內部產生額外的諧波損耗，對于這種情況，如果變頻器使用不當，會引起系統損耗的增加低于采用變頻器后的系統節電量，導致系統運行能效降低[4]。因此，有必要對變頻電機系統的能耗特性進行分析，這對變頻電機系統的節能改造具有重要意義。

2　典型變頻電機系統

與恒功率負載和恒轉矩負載特性不同，熱力站泵類負載的轉矩與轉速的平方成正比，文中選擇我廠五種常見電機共36臺進行分析，額定功率分別為15kW（2臺）、22kW（8臺）、30kW（8臺）、37kW（13臺）、45kW（5臺）。其中15kW的電機數據較少，以這五種電機為例，對其運行數據進行實測。在實際運行中，受限于小區入住率等現實原因，導致供暖熱力站電機不需要額定出力，多數電機實際運行頻率都大大低于工頻，電機普遍處于大馬拉小車的輕載運行工況，因此，熱力站通常采用變頻器驅動電機，用于降低系統能耗。但對于變頻電機系統的能耗情況，仍缺乏相應研究，文中對不同電機的實際運行頻率進行實測分析，得如下結論：

1）實測中8臺22kW電機的運行頻率較為分散，主要在31.7Hz、37.6Hz、40.4Hz、43.8Hz以及49.9Hz等節點附近。

2）實測中8臺30kW電機的運行頻率主要在34.9Hz、43.9Hz以及49.9Hz等節點附近，其中有5臺電機運行頻率在49.9Hz左右，基本接近滿載，但與其相對應的輸入功率卻從25.8kW增到30.7kW。

3）實測中13臺37kW電機的運行頻率主要分布在35.8Hz、37.4Hz、45.8Hz、47.1Hz以及49.5Hz附近。

4）實測中5臺45電機的運行頻率在32.4Hz、39.7Hz、47.0Hz、48.8Hz附近。

3　負載率情況

由于現場電機輸出功率難以直接測試，測試過程中只能采取近似方法求得，即通過測得電機的輸入功率即變頻器的輸出功率，通過歸算到電機輸入側得到負載率表達式為：負載率=實際輸入功率/(額定功率/額定效率)。根據前述所測試的數據，對其負載率分析可得如下結論：

1）負載率β≦0.5的有12臺電機；0.5≦β≦0.7的有9臺；0.7≦β≤1的有15臺。

2）變頻器效率隨電機負載率減小而減小，當0.7≦β≤1時，效率η基本在0.92以上且相對較為平滑；當0.5≦β≤0.7時，效率相比之前要減小，但降幅也不是很明顯；當0.5≦β≤0.1時，效率已經很低了，且負載率越低，降幅越大。電機負載率低于0.5時，變頻器效率可能低于0.9，負載率再低的話，效率將非常低。所以從電機系統經濟性的角度考慮，建議電機負載率高于0.5，低于半載后，系統效率較低，系統不是最佳匹配，運行不經濟。

圖1　負載率與實際效率曲線

4　能耗特性分析

由統計可知，f≤40Hz的有共有12臺電機，40Hz≤f≤45Hz的有4臺，40Hz≤f≤50Hz的有20臺。當運行頻率大于45Hz時，電機負載率均在0.6以上，尚屬可接受的范圍內。運行頻率低于40Hz時，電機的負載率其實已經低于0.5了，這種運行狀態不經濟。

在頻率從31Hz變化到50Hz的范圍內，變頻器效率在0.75到1的范圍內變化。當變頻器輸出頻率低于40Hz左右時，其效率將低于0.9。頻率低于37Hz時，效率將低于0.85。電機每天24小時連續不間斷的工況運行幾個月，其用電量是相當大的，如果熱力站的電機長期處于此種輕載工況下運行，其運行的經濟性有待進一步完善。

此外，有些變頻器驅動電機運行在49Hz以上，這種情況下，電機基本處于滿載運行狀態，采用變頻器驅動時，變頻器自身的損耗和其產生的諧波對電機的能效也會產生影響，因此，這種情況下，也有一定節能空間。

5　結語

綜上，從電機系統的經濟性考慮建議變頻供電時頻率最好不低于37Hz。低于37Hz后，電機系統效率較低，系統不是最佳匹配，不經濟。此外，當電機處于滿載運行工況時，采用變頻器驅動系統也具有一定節能空間。

參考文獻

[1]楊淡,竇滿峰.VVVF變頻驅動高功率密度異步電機的電源諧波研究[J].電機與控制學報,2006,10(1):49-52

[2]王紅艷.變頻調速技術的應用淺析[J].礦山機械,2010,37(2):40-42.

[3]黃海,李百雅,等.基于最小開關損耗的SVPWM調制技術[J].自動化與儀表,2007,26(1):5-9.

[4]劉松,王春明,李鍇.計及諧波損耗的變頻調速系統節點分析[J].建筑電氣,2015,34(1):69-72.