電機系統節能評價指標體系研究

李 崇

(機械工業技術發展基金會，北京 100823)

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電機系統節能評價指標體系研究

李 崇

(機械工業技術發展基金會，北京 100823)

電機系統運行效率的提高，對于工業領域的節能具有十分重要的意義。在對電機系統組成進行定義的基礎上，分析了各組成部分對系統運行效率的影響，并建立了電機系統節能評價指標體系，為科學、客觀地評價電機系統的運行效率提供了理論依據。

電機系統； 節能評價； 指標體系

0 引 言

近年來，在國家政策的支持下，我國電機能效水平逐步提高，但總體能效水平仍然較低。從電機自身看，我國電機效率平均水平比國外低3%～5%，目前在用的電機中，三級能效的電機占97%，而二級以上能效的電機僅占17%；從電機系統看，因匹配不合理、調節方式落后等原因，電機系統運行效率比國外先進水平低10%～20%。據統計，工業領域電機能效每提高一個百分點，每年可節約用電260億kW左右。因此，研究電機系統運行效率的影響因素，建立電機系統節能評價指標體系對于工業領域的節能具有十分重要的意義。

本文在對電機系統組成進行定義的基礎上，分析了各組成部分對系統運行效率的影響，并建立了電機系統節能評價指標體系，為科學、客觀地評價電機系統的運行效率提供了理論依據。

1 電機系統的組成

電機系統是由電源裝置、控制單元、電機、傳遞機構、工作機械等組成的機電系統。電機的輸入端經過控制單元由電網供電，輸出端通過傳遞機構以一定的傳遞比與工作機械相連接[1]。電機系統所帶動的工作機械包括風機、泵、空氣壓縮機等。圖1給出了電機系統的基本組成，有的電機系統的控制單元和電機是一體的，而有的則將二者分開，如圖1中虛線所示。

圖1 電機系統的基本組成

2 電機系統運行效率影響因素分析

由于能量在從電機的輸入端傳遞到輸出端的過程中均會產生損耗，因此，根據圖1所示的電機系統的組成，影響電機系統運行效率的因素主要包括電源質量、控制單元特性、電機本身特性和負載特性等。

2.1 電源質量

電源質量是影響電機系統運行效率的因素之一。根據國家標準GB 755—2008《旋轉電機定額和性能》(以下簡稱“GB 755—2008”)的規定，電源電壓最大可允許±10%的偏差[2]。

電機的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的平方成反比，因此電機效率與電壓變化的關系，將在不同負載率時，與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。圖2表示了功率為7.5kW、極數為4極的電機在不同電壓下的效率曲線。圖2中，η為最大效率，PN為額定功率，P為實際功率。圖2中的電源電壓偏差為±10%，并考慮了5%的電纜壓降[3]。

圖2 電源電壓變化對電機效率的影響

從圖2可見，當電機端電壓為0.85UN時，額定負載時的效率下降很多；在3/4負載時效率也有一定下降；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的電機，應注意盡量避免在過低的電源電壓下運行。

為了使電源質量符合系統優化設計的要求，根據GB/T 26921—2011《電機系統(風機、泵、空氣壓縮機)優化設計指南》(以下簡稱“GB/T 26921—2011”)[4]，需要檢測如下參數：

(1) 電源電壓與額定電壓的偏差。GB/T 26921—2011第4.1.1條要求電源電壓與額定電壓的偏差范圍為-5%～5%。

(2) 電源頻率與額定頻率的偏差。GB/T 26921—2011第4.1.3條要求電源頻率偏差不宜超過額定頻率的±1%。

(3) 諧波電壓因數。GB/T 26921—2011第4.1.4條要求供電電壓諧波電壓因數，對單相和三相電動機，包括同步電動機但不包括N設計電動機，不宜超過0.02；對N設計電動機不宜超過0.03。

2.2 控制單元特性

控制單元主要包括電機系統所使用的專用變壓器、變頻器等配套設備。在正常供電狀況下，電網輸出的電能為頻率50Hz的正弦波。不同的負載在不同的工況下，需要不同頻率、不同峰值的電能。根據不同時間負載對電能的不同需求，變頻器可以改變電源輸出，包括改變輸出的頻率、改變波形(如將正弦波變為方波)、改變波峰的數值等，從而有效地滿足負載對電能的需求。

控制單元的性能對電機系統的效率有著一定的影響。為了滿足系統優化設計的要求，需要對控制單元的如下性能進行檢測：

(1) 變頻器的效率。GB/T 26921—2011第4.2.2 條要求變頻器在額定輸出電壓、額定輸出電流的條件下，低壓變頻器效率不宜低于95%，高壓變頻器效率不宜低于96%；第6.2.1.5.1條要求變頻器的效率宜連續可調。

(2) 變頻器的輸出電壓。GB/T 26921—2011第6.2.1.4.1條要求變頻器額定輸出電壓應與電機額定電壓相符；第6.2.1.5.1條要求變頻器的輸出電壓宜連續可調。

(3) 變頻器的輸出電流。GB/T 26921—2011第6.2.1.4.2條要求變頻器額定輸出電流應大于電機實際運行最大電流。拖動離心風機、離心泵的普通電機，變頻器輸出額定電流應與電機額定電流相符。對于其他負載，如深水泵，則宜根據負載特性確定其最大電流和過載能力。

(4) 變頻器產生的諧波。GB/T 26921—2011第4.4條以表格的形式，給出了電機系統接入不同電網時，對諧波電壓和諧波電流的要求，由于篇幅所限，這里不做詳述。

(5) 專用變壓器的空載損耗和負載損耗。專用變壓器的空載損耗和負載損耗應不高于GB 20052—2013《三相配電變壓器能效限定值及能效等級》規定的能效限定值[5]。

(6) 交流接觸器的吸持功率。對于系統配套用的交流接觸器，其吸持功率應不大于GB 21518—2008《交流接觸器能效限定值及能效等級》規定的能效限定值[6]。

2.3 電機本身特性

電機本身的性能對于電機系統的效率起著至關重要的作用。為了提高系統的效率，應檢測電機的相關性能，具體如下：

(1) 電機的效率。電機的額定效率應不低于GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》規定的能效限定值[7]。

(2) 電機的堵轉轉矩、最大轉矩、最小轉矩、轉速及調節范圍。GB/T 26921—2011第5.1.7條要求： 電機的堵轉轉矩、最大轉矩、最小轉矩、轉速及調節范圍等，應滿足電機所拖動的負載在各種運行方式下的要求。

(3) 電機的工作制和定額。電機的工作制和定額應符合GB 755—2008的相關規定。

2.4 負載特性

為了提高系統的運行效率，應注意負載與電機的匹配問題，根據不同的負載特性，選擇與之匹配的電機。

對于一般的恒定負載連續運行的場合，應選用在恒定負載時損耗低、效率高的電機，即高效電機；對于負載特性為周期工作制、短時工作制或包含起動、制動等過程的工作制，應考慮整個工作周期的損耗最低。例如，當起動損耗較大時，應選用高起動轉矩的電機。由于高起動轉矩的轉子電阻較大，因此，這種電機在恒定負載時的效率就相對較低，但是由于起動損耗較大幅度的下降，電機總損耗得到了下降。

(1) 傳遞機構特性。傳遞機構的特性對電機系統的效率有一定的影響。不同的傳動方式，導致傳動部分的效率不同。表1給出了不同傳動方式下，傳動部分效率的取值。

(2) 負載率。負載率是影響電機系統的重要指標之一。負載率對電機效率影響可通過圖3來描述。圖3給出了一臺電機的兩種設計所對應的效率與負載率的關系曲線。

以P表示電機的實際功率，PN表示電機額定功率，P0表示電機不隨負載變化的損耗(即空載損耗，包括鐵耗和風摩耗)，PLN表示電機額定功率時的可變損耗(包括定、轉子繞組電流損耗和負載雜耗)。圖3中，橫坐標P/PN表示電機的實際功率與額定功率的比(即負載率)，縱坐標η表示電機的效率，曲線A所示為P0=0.03PN、PLN=0.08PN的電機效率與負載率關系曲線；曲線B為P0=0.06PN、PLN=0.05PN的電機效率與負載率關系曲線。兩者額定功率時的總損耗相同，但是前者的空載損耗較小，可變損耗較大；后者的空載損耗較大，可變損耗較小。

表1 不同傳動方式下，傳動部分的效率值

圖3 電動機效率與負載率的關系

從圖3可見，兩種設計的效率曲線相差很大，高空載損耗的效率最高點發生在負載率為1.095處，即接近額定功率處；而低空載損耗的效率最高點，則發生在負載率為0.612處，并且負載率在0.5～1.0范圍內，效率均較高。由于電機多運行在負載率為0.6～1.0范圍內，為了提高效率，均采用低空載損耗的設計，即具有曲線A所示的效率曲線。

從圖3還可以看出，無論何種設計，當負載率低于0.5時，電機的效率急劇下降，因此，在選用電機時，負載率不能過低。

3 電機系統節能評價指標體系

基于前文對電機系統運行效率影響因素的分析，本文以電源質量、控制單元特性、電機本身特性、負載特性四個方面作為一級指標，并按照各指標的具體內容逐層展開，分層進行評價，構建一套電機系統節能評價指標體系，如圖4所示。

圖4 電機系統節能評價指標體系

4 結 語

本文通過對電機系統各組成部分的分析，建立了一套宏觀的、定性的電機系統節能評價指標體系。在未來的研究中，應結合特定的電機系統，利用已建立的指標體系進行分析，逐步量化各指標，并對評價指標進行修正，使評價體系更加科學、客觀。

[1] 國家電網公司營銷部．能效管理與節能技術[M]．北京： 中國電力出版社,2011.

[2] 旋轉電機定額和性能: GB 755—2008[S].

[3] 周勝，趙凱.電機系統節能實用指南[M].北京： 機械工業出版社，2009.

[4] 電機系統(風機、泵、空氣壓縮機)優化設計指南： GB/T 26921—2011[S].

[5] 三相配電變壓器能效限定值及能效等級： GB 20052—2013[S].

[6] 交流接觸器能效限定值及能效等級： GB 21518—2008[S].

[7] 中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級： GB 18613—2012[S].

Research on Evaluation Index System of Motor System Energy Saving

LIChong

(Machinery Industry Technology Development Foundation, Beijing 100823, China)

The improvement of the efficiency for the motor system is very important, for the energy saving in the industrial field. Based on the composition of the motor system definition, analysis of each part of the influence on the running efficiency of the system, and the evaluation index system of energy saving motor system was established, and a theoretical basis for the scientific and objective evaluation of the operating efficiency of the motor system was provided.

motor system; energy saving evaluation; index system

李 崇(1983—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為工業裝備節能減排、系統節能管理。

TM 301.4

A

1673-6540(2016)10- 0074- 04

2016-06-25