電機(jī)效率變化對變頻改造節(jié)能效果的影響分析

電機(jī)效率變化對變頻改造節(jié)能效果的影響分析丁旭元1程林2劉耀年3摘要：對需要變速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速節(jié)能改造是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)，而準(zhǔn)確的節(jié)能效果評估是節(jié)能項(xiàng)目投資決策的重要環(huán)節(jié)。目前的風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能效果評估方法沒有考慮變頻前后電動(dòng)機(jī)效率變化的影響，論文對變頻后電動(dòng)機(jī)的效率進(jìn)行了理論推導(dǎo)，指出在變頻后電動(dòng)機(jī)效率變化明顯，應(yīng)該計(jì)及該效率變化對節(jié)能效果的影響。通過對某水泥廠實(shí)際風(fēng)機(jī)的變頻改造節(jié)能效果評估，表明電動(dòng)機(jī)效率變化對節(jié)能效果影響較大，在變頻改造項(xiàng)目的節(jié)能效果評估中有必要計(jì)及電動(dòng)機(jī)效率變化對節(jié)能效果的影響。關(guān)鍵字：風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能效果評估電機(jī)效率EffectofMotorEfficiencyonEnergysavingEstimationofFrequencyConversionretrofitsXu-yuanDing1,Lin-Cheng2,Yao-nianLiu31、3.：Dept.ofElectricalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin,China;2：Dept.ofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,ChinaAbstract:Transformationoffanwithfrequencycontrolisthekeypointofenergyconservationprojectinmotorsystem,andenergysavingestimationisoneofthemostimportantpartsofthetransformation.Thepresentestimationmethoddidnotconsidertheeffectofmotorefficiencyvaryingwithfrequencycontrol,butthederivationinthepaperindicatedthevariationofmotorefficiencyisobvious.Therefore,theeffectshouldbeconsidered.Thecasestudyshowedtheeffecttakenontheresultsoftheestimationdemonstratingitisnecessarytoconsiderthemotorefficiencyinenergysavingestimation.Keywords:fan;frequencycontrol;energysavingestimation;motorefficiency我國風(fēng)機(jī)與泵的耗電量已占到全國總消費(fèi)電能的40%以上[1]。其中風(fēng)機(jī)所占比例較大，且大部分為變負(fù)荷運(yùn)行。當(dāng)前風(fēng)機(jī)大多采用風(fēng)門控制調(diào)節(jié)流量，風(fēng)機(jī)效率低下,電能浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著合同能源管理機(jī)制的推廣和變頻技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速改造項(xiàng)目得以大力推動(dòng)，準(zhǔn)確的節(jié)能效果評估是項(xiàng)目投資決策的重要環(huán)節(jié)。然而目前我國對風(fēng)機(jī)變頻改造的節(jié)能效果評估大都處于實(shí)踐階段，很多評估結(jié)果與實(shí)施后的實(shí)際情況存在差異，還沒有形成統(tǒng)一的、精確的評估方法。當(dāng)前方法中，文獻(xiàn)[2]中的方法為基于比例定律的方法，文獻(xiàn)[5]提法存在的一個(gè)共同的問題是只考慮了變頻后風(fēng)機(jī)本身效率的提高，而忽略了電動(dòng)機(jī)效率變化對節(jié)能效果的影響。論文通過理論推導(dǎo)分析了變頻后電動(dòng)機(jī)的效率的變化情況，指出電動(dòng)機(jī)效率隨頻率變化明顯、應(yīng)該計(jì)及效率變化對節(jié)能效果的影響；通過一個(gè)實(shí)際的評估案例分析了電動(dòng)機(jī)效率變化對節(jié)能效果的影響程度，結(jié)果表明了電動(dòng)機(jī)效率變改變電動(dòng)機(jī)電源頻率可改變電改變電動(dòng)機(jī)電源頻率可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)特性隨轉(zhuǎn)速平移，至b點(diǎn)。轉(zhuǎn)速減小時(shí)，流量、壓力、軸功率都隨之減小，風(fēng)機(jī)效率提高，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。2.頻率變化對電機(jī)效率的影響際需求流量為Q，則采用變頻調(diào)速時(shí)的控制轉(zhuǎn)速可表示為：評估中有必要計(jì)及電動(dòng)機(jī)效率變化1.風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速節(jié)能原理 Q（2-1）n Q（2-1）n=nN額定轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方矩倍數(shù)可表示為：λ=(-)2（2-設(shè)f1為轉(zhuǎn)速為n時(shí)的控制頻率。頻率改變時(shí)，電動(dòng)機(jī)等效電路中的各電抗參數(shù)不再為恒定值，而遠(yuǎn)大于實(shí)際需求流量時(shí)，為滿足生產(chǎn)工藝需求目前大多采用風(fēng)門控制增加管路阻力來調(diào)節(jié)流量，此時(shí)工增大，但風(fēng)機(jī)軸功率并未減小。PrinciplesofFanwithSpeedControl根據(jù)風(fēng)機(jī)的比例定律：當(dāng)輸送流體的密度不變、僅轉(zhuǎn)速變化時(shí)，輸出流量、壓力和軸功率與轉(zhuǎn)速存Q1=n1（1-1）H1=H1=H2P1=P(n1)2(1)3諧波的影響，此時(shí)電動(dòng)機(jī)等效電路22···I'I'r21m·m··IIm圖2變頻時(shí)異步電機(jī)等效電路EquivalentCircuitofInductionMotorforFrequencyControl圖中用頻率比α=f1/fN表示頻率變化，以恒U/f變頻控制為U=Uf1=αUfN、UN為電機(jī)的額定頻率和額若要根據(jù)等效電路求出轉(zhuǎn)速為n時(shí)的電動(dòng)機(jī)效率，先要求出變頻后等效電路中的未知參數(shù)α和s。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，轉(zhuǎn)速n與頻n=61(1?s)=60fN(1?s)對于大功率電動(dòng)機(jī)，可忽略定子繞組r1，此時(shí)轉(zhuǎn)差率s可按下式α其中K=λk+√λ?1；額定轉(zhuǎn)差-√(k)2?1率sN和電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)λk均為電動(dòng)機(jī)已知參數(shù)，λ通過式（2-2）得出。聯(lián)立式（2-6）和式錯(cuò)誤!I=U1=αUNI=?I1Zm7）8）m√R2+X2其中Z=r+jαx為電機(jī)定子側(cè)阻抗，Z2=r/s+jαx為勵(lì)磁阻抗，Z=Z1+Zm//Z2=R+jX為電機(jī)總阻抗。電機(jī)工頻下的阻將α和s代入式（2-4）、（2-7）至（2-10）可求出電壓子電流I2和電機(jī)功率因數(shù)cosφm。（2-102-102-設(shè)電機(jī)輸入、輸出功率分別為P1、P2，由等效電路即可得出轉(zhuǎn)速為n、頻率為f1時(shí)的電動(dòng)機(jī)效率：==1?=1?PCu1+PFe+PCu2+Pfw+Ps（2-P1其中輸入功率P1=Pcu1=3Ir1和PCu2=3I2r分別為定、轉(zhuǎn)子銅損。在不考慮諧波引起轉(zhuǎn)子電阻增大的情況時(shí)，可認(rèn)為與負(fù)載變化有關(guān)。PFe=3Irm為鐵損耗，是主磁通交變引起的磁滯損耗和渦流損耗。此處只考慮定子鐵耗，用等效Pfw為風(fēng)磨損耗，包括通風(fēng)損耗和摩擦損耗，與負(fù)載無關(guān)而與轉(zhuǎn)速有關(guān)。通風(fēng)損耗正比于n3，摩擦損耗正比于n[8]，一般近似認(rèn)為Pfw∝n，即Pfw=PfwN?α,PfwN為載試驗(yàn)得出，作為已知參數(shù)。般取估算值。本文按國家標(biāo)準(zhǔn)取為Ps=0.5%P1。以上五種損耗均未考慮變頻器輸出諧波的影響，而實(shí)際上由于諧波影響，電機(jī)各損耗變化將更復(fù)雜，尤其是鐵損耗的變化?？偟膩碚f，電動(dòng)機(jī)總損耗會(huì)因?yàn)橹C波的影響而增加30%左右，導(dǎo)致效率會(huì)下圖3變頻下電動(dòng)機(jī)效率MotorEfficiencyunderFrequencyControl圖3為一臺(tái)帶風(fēng)機(jī)負(fù)載的型號(hào)恒U/f控制時(shí)效率隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，電機(jī)的實(shí)際效率是隨頻率的降低而降低的，頻率在30Hz時(shí)效率下降明顯，在低于25Hz時(shí)，效率下迅速下降。因此，在低頻時(shí)，必須考慮電動(dòng)機(jī)效率對節(jié)能效益的影響。3.考慮電動(dòng)機(jī)實(shí)際效率的評估方法為分析電動(dòng)機(jī)效率變化對節(jié)能效果的影響，本文在基于比例定律的方法上考慮電機(jī)變頻后的效率。該方法的前提條件是當(dāng)前工況與額定工況滿足比例定律的相似工況條件，否則方法不適用；另外，在確定變頻后轉(zhuǎn)速時(shí)，不能忽略頻率范20%時(shí)比例定律適用，轉(zhuǎn)速差過大，則比例定律就會(huì)有一定誤差[1]，工程計(jì)算一般認(rèn)為比例定律適體評估方法如下：假設(shè)當(dāng)前工況流量需求為Q，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)直接計(jì)算得整個(gè)系統(tǒng)PPM其中PM=√3UIcosφ為電動(dòng)機(jī)保持流量Q不變，則由式（1-1）和（1-3）得到變頻后風(fēng)機(jī)軸功率為：P=PN(-)3（3-2）QN、PN分別為風(fēng)機(jī)額定流量和額定功率。則變頻改造后整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)機(jī)效率、變頻器效率，η為系統(tǒng)變頻改造后節(jié)約的能耗為：ΔP=P1?P2（3-4）k=|ΔP|100%（3-5）P1商提供的額定值為94%-97%，而實(shí)際在頻率下降時(shí)變頻器效率也會(huì)下降。表1為西門子公司生產(chǎn)的羅賓康完美無諧波系列變頻器的效率與轉(zhuǎn)速關(guān)系。從表中看出，變頻器的效率隨轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的降低而降表1不同轉(zhuǎn)速下的變頻器效率ConverterEfficiency 變%轉(zhuǎn)速4.案例分析以某水泥廠窯尾風(fēng)機(jī)變頻改造的節(jié)能效果評估為例，分析電動(dòng)機(jī)效率變化對節(jié)能預(yù)算結(jié)果的影響。當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行電壓U為為。假設(shè)改造前系統(tǒng)其它效率η=98%，則改造前系統(tǒng)能耗為P1=PM/η=743kW。風(fēng)機(jī)相關(guān)計(jì)算參數(shù)：額定全壓H為4000Pa，額定轉(zhuǎn)速n為NNN當(dāng)前全壓H為1997Pa。由式（1-2）和（1-3）得到變頻后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為692rpm，風(fēng)機(jī)軸功率P=353kW。負(fù)載轉(zhuǎn)矩倍數(shù)λ=。電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YRKK630-6，相關(guān)計(jì)算參數(shù)：額定功率1000kW，額定頻率f為50Hz，額定相電壓NUN=1000/√3kV，額定轉(zhuǎn)差sN為，額定效率為%，額定風(fēng)磨損耗P為，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)λk=；定子電阻r1=0.8232Ω;定子漏抗x1=11Ω;轉(zhuǎn)子電阻r′=0.7801Ω、2轉(zhuǎn)子漏抗x′=14.9Ω、勵(lì)磁電阻2rm=6Ω、勵(lì)磁電抗xm=297.8Ω。計(jì)算得到變頻后的頻率為，電m動(dòng)機(jī)效率η=%，與額定效率%相m下面根據(jù)式（3-3）分四種情不計(jì)電動(dòng)機(jī)效率，變頻器效率均取100%，風(fēng)機(jī)軸功率即為系統(tǒng)總能耗，則P=353kW。2認(rèn)為變頻后電動(dòng)機(jī)和變頻器都工作在額定效率。即取電動(dòng)機(jī)效率它效率98%。則改造后能耗為P=392kW。2考慮電動(dòng)機(jī)效率變化。電動(dòng)機(jī)m效率η取計(jì)算所得的變頻后效mvv97%，則改造后能耗為P=424kW。2考慮電動(dòng)機(jī)和變頻器效率變m化。即電動(dòng)機(jī)效率η取%，變頻器m效率根據(jù)表1取轉(zhuǎn)速比、轉(zhuǎn)矩比時(shí)的參考值%。則改造后能耗為P=428kW。2四種情況下的節(jié)能量和節(jié)能率計(jì)算結(jié)果見表2。表2：不同方法預(yù)算結(jié)果對比節(jié)能節(jié)能量節(jié)能率Case1W%Case2W%Case3W43%Case4%由表2看出，考慮電動(dòng)機(jī)效率變化的Case3比認(rèn)為電動(dòng)機(jī)變頻后工作在額定效率的Case2節(jié)能率下降4個(gè)百分點(diǎn)之多；若再將變頻器的實(shí)際效率考慮在內(nèi)，則節(jié)能率再的節(jié)能率相差達(dá)10個(gè)百分點(diǎn)。由此表明，變頻后電動(dòng)機(jī)的效率變化對節(jié)能效果的影響較大，在風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能評估中有必要計(jì)及電動(dòng)機(jī)效率變化對節(jié)能效果的影響。隨著合同能源管理機(jī)制在我國的推廣，變頻節(jié)能改造項(xiàng)目的節(jié)能效果評估對項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性分析至關(guān)重要，粗略的節(jié)能評估可能誤論文對變頻后電動(dòng)機(jī)效率變化做了理論推導(dǎo)，結(jié)果表明隨著頻率下降電動(dòng)機(jī)效率降低，當(dāng)頻率下降到一定程度時(shí)，效率將迅速降低。文章提出在風(fēng)機(jī)變頻改造節(jié)能效果評估中，應(yīng)該考慮電動(dòng)機(jī)效率變化對節(jié)能效果的影響。最后通過實(shí)際案例的分析表明了考慮電動(dòng)機(jī)效率在節(jié)能效果評估中，評估人員應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場人員經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)工藝特性以及測量裝置情況等多方面因素，致力于更準(zhǔn)確的評估方法的研究，才能反映出真實(shí)的節(jié)能效果。6.參考文獻(xiàn)[1]安連鎖.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國電力出版社，2008.[2]山厚升.交流變頻調(diào)速的節(jié)能效果及估算[J].電氣傳動(dòng)，2008，38(12)：8-10.[3]陳義中.高壓變頻器在火力發(fā)電廠送風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用[J].電機(jī)技術(shù)，2010，2：34-37.[4]季春志.交流