電機系統能耗影響因素模型評價與分析*

駱　超，　馬偉斌，　趙　軍

(1. 中國科學院 廣州能源研究所，廣東 廣州　510640；2. 中國科學院 可再生能源重點實驗室，廣東 廣州　510640;3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東 廣州　510640;4. 中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室(天津大學)，天津　300072)

?

電機系統能耗影響因素模型評價與分析*

駱超1,2,3,4，馬偉斌1,2,3，趙軍4

(1. 中國科學院 廣州能源研究所，廣東 廣州510640；2. 中國科學院 可再生能源重點實驗室，廣東 廣州510640;3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東 廣州510640;4. 中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室(天津大學)，天津300072)

以電機系統為研究對象，建立電機系統模型，基于MATLAB軟件，理論模擬了電流特性、電源質量和負載率等對電機系統效率等指標的影響；并基于層次分析法給出了不同影響因素的權重比例。結果表明： 電源質量對電機系統效率影響較大，對于一般運行負載率為0.6～1.0的電機，應盡量注意避免在過低的電源電壓下運行；對于短時工作制或包含起動、制動等過程工作制的電機系統就應選用高起動轉矩的電機。該結果為電機系統的節能診斷與潛力分析提供了一種新思路，具有指導意義。

電機； 電流特性； 電源質量； 負載率； 層次分析法

0　引　言

目前，電機消耗電量正在快速增長，提高電機系統(包括電動機和調速驅動系統)的效率是節能工程關注的重點。通過系統優化,其節能潛力可達30%～60%；我國經濟快速發展，由此消耗的電能比例比發達國家和地區更高[1]。國內外對電機系統能耗影響和技術手段都做了較多的研究。在故障診斷和效率監測方面，沈陽航空航天大學和上海海事大學[2-3]，開發了電機系統故障診斷和效率監測軟件，實現電機在線實時監測，確定電機系統主要故障，并深入分析了故障原因，找出解決方案；鐘衍等[4]詳細分析了建筑電氣節能診斷方法的步驟和內容，并提出建立電氣專家診斷系統；在節能技術實施方面，舒服華等[5]介紹了包括電機選型、提高功率因數和結構改造方面的實用技術，電機系統的節能潛力巨大，為提高電機效率，達到節能目的，基于全生命周期法，提出了一套完整的電機選擇與節能分析模型[6];在電機節能控制技術方面，開發了軟起動控制系統，提出了最小電流點跟蹤技術的節能技術[7]；在電機系統節能服務方面，從合同能源管理的角度，提出了電機系統節能方案[8-9]。

影響電機系統的因素較多，并有相應的技術措施提高電機系統效率，但是還缺乏基于相關理論的評估模型和權重分析，因此，有必要對電機系統的影響因素進行權重分析。

1　電機系統模型建立

電機系統物理模型主要包括電機和水泵，物理模型如圖1所示。電機和水泵通過傳動軸連接，電機通過電源輸入三相交流電提供動力。

圖1　電機系統物理模型

電機經濟運行的性能參數指標主要包括負載系數、運行效率和功率因數。

(1) 負載系數為電動機輸出功率與其額定功率之比(GB/T 12497—2006)：

(1)

如果無法確定Pe，則按照式(2)計算：

(2)

式中：PN——額定功率；

Pe——空載功率；

ηN——額定效率；

PEM-in——電機輸入功率，測量獲得；

β——電機的損耗因數，根據電機系列、額定功率、極數查表1即可獲取。

表1　電機的損耗因數β表

(2) 運行效率為電機輸出功率與其輸入功率之比(GB/T 12497—2006)：

PEM-out=KPN

(3)

(4)

當ηN=ηEM時，負載系數K達到最小值Kmin，經濟運行時，K值要大于Kmin。

ηEM>ηN時，才符合經濟運行標準。

(3) 功率因數(GB/T 12497—2006)：

(5)

式中：PEM-in——電機輸入功率，kW，測量獲得；

UEM-in——輸入電壓，取定值380V，×10-3表示單位換算成kV；

IEM-in——輸入電流，通過測量獲得，A。

2　電機系統能耗影響因素分析

評價電機系統能耗的主要指標包括電機及其拖動系統的效率。電機系統效率是電機輸出功率與輸入功率的比值，影響電機效率的因素有電流變化、功率因數變化、電源質量、負載特性和負載率等。

(1) 電流對電機效率的影響。電機的電流-效率特性曲線反映了電機效率隨電流變化的特征。不同型號的電機額定狀態下效率η值不同，η的最大值也不同。用η/η額定作為電機特性曲線的一個變量，得到如圖2所示的曲線。

空載時輸出功率為0，當負載從0增加時，電機的總損耗增加較慢，效率曲線上升很快，直到隨負載變化的可變損耗等于不變損耗時，效率達到最大值，如圖2所示。由圖2可知： 電流標幺值I*為0.8～0.9時，效率η達到最大值為1；I*>0.6時，η較高；I*<0.6時，η開始迅速下降，直到空載狀態為0。

圖2　電機電流-效率特性曲線

(2) 電源質量對電機效率的影響。根據GB755《旋轉電機定額和性能》的規定，電源電壓最大可允許±10%的偏差。由于鐵耗約與電壓的平方成正比，定子和轉子繞組電流損耗約與電壓平方成反比，因此電機效率與電壓變化的關系，將與不同負載率時，以鐵耗為主的不變損耗和定、轉子繞組電流損耗為主的可變損耗的比例有關。取一臺額定功率為40kW、4極的電機，相關參數如下：PN=40kW,IN=77.4A,ηN=90%,cosφN=0.87,實測PEM=29.4kW，IEM=55.8A。

從圖3可見，當電機端電壓為0.85額定電壓時，額定負載時的效率下降較多，在3/4負載時效率也有一定的下降，但在1/2負載以下時，其效率則高于額定電壓時的效率。因此，對于一般運行負載率為0.6～1.0的電機，應盡量注意避免在過低的電源電壓下運行。

圖3　電源電壓變化對電機效率的影響

(3) 負載特性對電機效率的影響。選用電機時，應注意負載特性對電機能耗的影響。對于一般恒定負載連續運行的場合，如圖4所示。從圖4可知： 電氣損耗PV不隨時間而變，因此可選用在恒定負載時損耗低、效率高的電機。對于負載特性為周期性工作制，如圖5所示。從圖5可知： 短時工作制或包含起動、制動等過程的工作制，其損耗PV由起動加速的損耗和恒定負載的損耗組成，選用電機時，就應選用高起動轉矩的電機。

圖4　連續工作

圖5　斷續周期工作

(4)負載率對電機效率的影響。圖6所示為一臺電機的兩種設計所對應的效率與負載率的關系曲線。曲線A為空載損耗P0=0.03PN，電機可變損耗PLN=0.08PN；曲線B為空載損耗P0=0.06PN，電機可變損耗PLN=0.05PN。由圖6可見，兩種設計的效率曲線相差較大，高空載損耗的效率最高點發生在負載率為1.095接近額定功率處；低空載損耗的效率最高點發生在負載率為0.612處，并且負載率在0.5～1.0的范圍內，效率較高。由于電機大多運行在負載率為0.6～1.0的范圍內，因此，高效率電機均采用低空載損耗設計，具有曲線A的效率曲線。另外，從圖6可見，不論何種設計，當負載率低于0.5以后，電機效率急劇下降，因此選用電機效率的負載率不能過低。

圖6　電機效率和負載率的關系

3　評價方法及模型分析

3.1層次分析法

影響電機系統效率的因素較多，采用傳統的評價指標和方法，由于指標分散，結果影響各有不同，很難從總體上得出全面、客觀、綜合的結論，要作進一步評價必須構建綜合評價模型，分析各影響因素的權重。層次分析法分為以下四個步驟：

(1) 建立層次結構模型。明確所要解決的問題，搞清楚問題所涉及的因素以及各因素之間的相互關系。

(2) 構造判斷矩陣。設有m個目標(方案或元素)，根據某一準則，將這m個目標兩兩進行比較。層次分析法在對指標的相對重要性進行評判時，引入了九分位的比例標度，如表2所示。

表2　相對重要性的比例標度

注： 取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8為上述評價值的中間值。

(3) 判斷矩陣的一致性檢驗。對于每一層次作單準則排序時，均需要作一致性的檢驗。對判斷矩陣的一致性進行檢驗，首先計算一致性指標C.I，計算公式：

(6)

式中：λmax——矩陣最大特征向量值；

n——矩陣階數。

計算一致性比率C.R，計算公式：

(7)

查找相應的隨機一致性指標(R.I)，給出判斷結果，如表3所示。當C.R<0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對判斷矩陣作適當修改。

表3　平均隨機一致性指標

(4) 層次排序，給出決策排名。

3.2影響因素評價模型及分析

建立評價模型的目標是分析影響電機系統能耗的關鍵因素，并對其排序。通過上述分析，電機系統供選擇的影響因素主要有： 電流特性、電源質量、負載特性、負載率、泵/風機阻力；考慮的主要因素包括： 鐵損耗、銅損耗、機械損耗。電機能耗影響因素構建評價模型如圖7所示。

圖7　電機系統能耗因素評價模型

根據上述影響因素分析結果，以及層次分析法中相對重要性比例標度原則，構造準則層對目標的成對比較矩陣A。對目標矩陣A的各列進行歸一化處理后，得到矩陣A的特征值λA和權重系數分別ωA為

目標矩陣A的最大特征向量λmax和一致性指標C.I分別為

λmax=3.07,C.I=0.033

一致性比率C.R=C.I/R.I=0.063<0.1，矩陣A通過一致性驗證。

構造方案層： 電流特性、電源質量、負載特性、負載率、泵/風機阻力；對準則層： 鐵損耗、銅損耗、機械損耗的目標矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)為

對第二層次目標矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)，歸一化處理后，得到特征向量和權重分別記為λB1、λB2、λB3和ωB1、ωB2、ωB3：

第二層次目標矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)的一致性指標C.IB1、C.IB2、C.IB3和一致性比率C.RB1、C.RB2、C.RB3分別為C.IB1=0.008，C.RB1=0.07；C.IB2=0.097，C.RB2=0.087；CIB3=0.079，C.RB3=0.071；第二層次目標矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)均通過一致性驗證。

第二層次目標矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)的權重組成新的矩陣ωB，層次總目標排序為ωB和ωA的乘積：

通過層次分析評價模型和計算，影響電機及其拖動系統能耗的5個主要影響因素： 電流特性、電源質量、負載特性、負載率、泵/風機阻力，所占的權重分別為28.48%、44.00%、6.00%、14.23%、7.29%。即對電機能耗影響因素從大到小依次為電源質量、電流特性、負載率、泵/風機阻力、負載特性。上述影響因素為電機能耗節能診斷奠定了基礎，在電機能耗診斷過程中，可以依次按照上述排序對電機能耗進行診斷，根據診斷測試數據進行性能指標計算和對標。

4　結　語

本文分析了影響電機系統效率的關鍵因素，并基于層次分析法，給出了各關鍵因素的權重比例，為電機能耗診斷提供了一種新思路。

電源質量對電機系統效率影響較大，對于一般運行負載率為0.6～1.0的電機，應盡量注意避免在過低的電源電壓下運行；對于短時工作制或包含起動、制動等過程的工作制的電機系統就應選用高起動轉矩的電機。

影響電機系統效率的關鍵因素及其權重依次為電源質量(44.00%)、電流特性(28.48%)、負載率(14.23%)、泵/風機阻力(7.29%)、負載特性(6.00%)，為電機系統的節能診斷提供量化依據。

[1]陳偉華，李秀英，姚鵬.電機及其系統節能技術發展綜述[J].電機與控制應用，2008，35(4)： 1-5.

[2]劉翀.電機系統故障診斷和效率監測的設計開發與實現[D].沈陽： 沈陽航空航天大學，2011.

[3]朱建山.異步電機故障診斷方法研究與應用[D].上海： 上海海事大學，2007.

[4]鐘衍，方林.建筑電氣節能診斷方法初探[J].智能建筑，2008(1)： 45-49.

[5]舒服華，王艷.電機節能降耗技術和方法探討[J].電機技術，2008(3)： 39-42.

[6]郭維，胡靜濤.電機選擇與節能分析模型研究[J].微計算機信息，2008，24(4)： 250-252.

[7]徐潤啟.電機節能控制技術的設計與實現[D].成都： 電子科技大學，2009.

[8]陳文剛.電機系統節能服務實施方案研究[D].北京： 華北電力大學，2007.

[9]李光耀，陳偉華.高效節能電機的研究與產品開發[J].電機與控制應用，2015,42(2)： 1-5.

Evaluation Model Study of Energy Consumption Factor for Motor*

LUOChao1,2,3,4，MAWeibin1,2,3，ZHAOJun4

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Science, Guangzhou 510640, China; 3. Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 4. Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy (Tianjin University), Ministry of Education, Tianjin 300072, China)

Based on the model of motor system, the effect of current characteristics, power quality and load ration on motor energy consumption were studied. The results showed that the motor systems of different optimized parameters were of different weighting factor based on analytic hierarchy process method. Power quality had an crucial effect on the motor efficiency. Pump frequency conversion technologies were the main energy efficiency measurements for motor system. The results provided an evaluation method for the motor system construction.

motor; current characteristics; power quality; load ration; analytic hierarchy process

廣東省科技計劃項目(2013B091500087)： 典型用能系統節能診斷技術研究與應用

駱超(1982—)，男，在職博士研究生，助理研究員，研究方向為電機系統節能診斷技術及節能效益評估。

TM 312

A

1673-6540(2016)08- 0098- 06

2016-03-25