電機(jī)效率變化對(duì)變頻改造節(jié)能效果的影響研討

1、電機(jī)效率率變化對(duì)對(duì)變頻改改造節(jié)能能效果的的影響分分析丁旭元11 程程林2 劉劉耀年33(1.33東北電電力大學(xué)學(xué)吉林省省吉林市市 13320112；2.清華華大學(xué)北北京市海海淀區(qū) 10000844)摘要：對(duì)對(duì)需要變速速運(yùn)行的的風(fēng)機(jī)實(shí)施施變頻調(diào)速速節(jié)能改造造是電機(jī)機(jī)系統(tǒng)節(jié)節(jié)能的重重點(diǎn)，而而準(zhǔn)確的的節(jié)能效效果評(píng)估估是節(jié)能能項(xiàng)目投投資決策策的重要要環(huán)節(jié)。目前的的風(fēng)機(jī)變變頻改造造節(jié)能效效果評(píng)估估方法沒有有考慮變變頻前后后電動(dòng)機(jī)機(jī)效率變變化的影影響，論文對(duì)變變頻后電電動(dòng)機(jī)的的效率進(jìn)進(jìn)行了理理論推導(dǎo)導(dǎo)，指出出在變頻頻后電動(dòng)動(dòng)機(jī)效率率變化明明顯，應(yīng)應(yīng)該計(jì)及及該效率率變化對(duì)對(duì)節(jié)能效效果的影影響。通過對(duì)某水泥泥

2、廠實(shí)際際風(fēng)機(jī)的的變頻改改造節(jié)能能效果評(píng)評(píng)估，表表明電動(dòng)機(jī)效效率變化化對(duì)節(jié)能能效果影影響較大大，在變頻頻改造項(xiàng)項(xiàng)目的節(jié)節(jié)能效果果評(píng)估中中有必要要計(jì)及電動(dòng)機(jī)機(jī)效率變變化對(duì)節(jié)節(jié)能效果果的影響。關(guān)鍵字：風(fēng)機(jī)變頻頻改造 節(jié)節(jié)能效果評(píng)估電機(jī)機(jī)效率Effeect of Motoor EEffiicieencyy onn Ennerggysaavinng EEstiimattionn off FrrequuenccyCoonveersiionrretrrofiitsXu-yyuann Diing11,Linn-Chhengg2, Yaao-nniann Liiu31、3.：Deptt. oof EElecct

3、riicall Ennginneerringg, Noorthheasst DDiannli Uniiverrsitty, Jillin, Chhinaa;2：Deept. off Ellecttriccal Enggineeeriing, Tssingghuaa Unniveersiity, Beeijiing, ChhinaaAbsttracct:TTrannsfoormaatioonoff faan wwithh frrequuenccy cconttroll iss thhekeey ppoinnt oofennerggy cconsservvatiion proojecct iin

4、mmotoor ssysttem, annd eenerrgy savvingg esstimmatiion is onee off thhe mmostt immporrtannt ppartts oofthhe ttrannsfoormaatioon. The preesennt eestiimattionnmetthodd diid nnot connsidder thee efffecct oof mmotoor eeffiicieencyy vaaryiing witth ffreqquenncy conntrool, butt thhedeerivvatiioniin tthe p

5、apperiindiicatted thee vaariaatioon oof mmotoor eeffiicieencyy iss obbvioous. Thhereeforre, thhe eeffeect shoouldd bee coonsiiderred. Thhe ccasee sttudyy shhoweed tthe efffectt taakenn onn thhe rresuultss off thhe eestiimattionndemmonsstraatinng iit iis nneceessaary to connsidder thee mootorr efffic

6、cienncy in eneergyy saavinng eestiimattionn.Keywwordds:ffan; frrequuenccy cconttroll; ennerggysaavinng eestiimattionn;mottor effficiienccy引言：我國風(fēng)機(jī)機(jī)與泵的耗電量量已占到全國總總消費(fèi)電電能的440%以以上 REF 文獻(xiàn)一 h * MERGEFORMAT 1。其中風(fēng)風(fēng)機(jī)所占占比例較較大，且且大部分分為變負(fù)負(fù)荷運(yùn)行行。當(dāng)前前風(fēng)機(jī)大大多采用用風(fēng)門控控制調(diào)節(jié)節(jié)流量，風(fēng)機(jī)效效率低下下,電能浪浪費(fèi)嚴(yán)重重。隨著合同同能源管管理機(jī)制制的推廣廣和變頻頻技術(shù)的的發(fā)展，風(fēng)機(jī)的

7、變頻調(diào)速速改造項(xiàng)項(xiàng)目得以以大力推推動(dòng)，準(zhǔn)準(zhǔn)確的節(jié)節(jié)能效果果評(píng)估是是項(xiàng)目投資資決策的的重要環(huán)環(huán)節(jié)。然而目前前我國對(duì)對(duì)風(fēng)機(jī)變變頻改造造的節(jié)能效果果評(píng)估大大都處于于實(shí)踐階階段，很很多評(píng)估估結(jié)果與與實(shí)施后后的實(shí)際際情況存存在差異異，還沒有有形成統(tǒng)統(tǒng)一的、精確的的評(píng)估方法法。當(dāng)前前方法中中，文獻(xiàn)獻(xiàn)REF 文獻(xiàn)二 h2-44中的方方法為基基于比例例定律的的方法，文文獻(xiàn)REF 文獻(xiàn)五 h5-66提出了了基于風(fēng)風(fēng)機(jī)效率率的方法法。這些些方法存存在的一一個(gè)共同同的問題題是只考考慮了變變頻后風(fēng)風(fēng)機(jī)本身身效率的的提高，而忽略了了電動(dòng)機(jī)機(jī)效率變變化對(duì)節(jié)能效效果的影影響。論文通過過理論推推導(dǎo)分析析了變頻頻后電動(dòng)機(jī)機(jī)的效

8、率的的變化情情況，指出電電動(dòng)機(jī)效率隨隨頻率變變化明顯顯、應(yīng)該計(jì)計(jì)及效率率變化對(duì)對(duì)節(jié)能效效果的影影響；通通過一個(gè)個(gè)實(shí)際的的評(píng)估案案例分析析了電動(dòng)動(dòng)機(jī)效率率變化對(duì)對(duì)節(jié)能效效果的影影響程度度，結(jié)果表表明了電電動(dòng)機(jī)效率率變化對(duì)對(duì)節(jié)能效效果的影影響較大大、在節(jié)能能評(píng)估中中有必要要計(jì)及電電動(dòng)機(jī)效效率變化化的影響響。風(fēng)機(jī)的變變頻調(diào)速速節(jié)能原理理風(fēng)機(jī)的工工作點(diǎn)為為其本身身特性曲曲線n11與管路路特性曲曲線R的交點(diǎn)點(diǎn)，如 REF 圖11 h * MERGEFORMAT 圖圖1中a點(diǎn)點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)風(fēng)機(jī)的額額定流量量遠(yuǎn)大于于實(shí)際需需求流量量時(shí)，為為滿足生生產(chǎn)工藝藝需求目目前大多多采用風(fēng)風(fēng)門控制制增加管管路阻力力來調(diào)節(jié)節(jié)流

9、量，此時(shí)工工作點(diǎn)如如 REF 圖11 h * MERGEFORMAT 圖1中c點(diǎn)。流量量減小壓壓力增大大，但風(fēng)風(fēng)機(jī)軸功功率并未未減小。圖 SEQ 圖1- * ARABIC 1風(fēng)機(jī)機(jī)調(diào)速原原理Fig.1 Prrincciplles of Fan witth SSpeeed CConttroll根據(jù)風(fēng)機(jī)機(jī)的比例例定律：當(dāng)輸送送流體的的密度不不變、僅轉(zhuǎn)速速變化時(shí)時(shí)，輸出出流量、壓力和和軸功率與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速存在在以下關(guān)系系：（1- SEQ 1- * ARABIC 11）（1- SEQ 1- * ARABIC 22）（1- SEQ 1- * ARABIC 33）改變電動(dòng)動(dòng)機(jī)電源源頻率可可改變電動(dòng)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速速，風(fēng)

10、機(jī)機(jī)特性隨轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速平移移，工作作點(diǎn)改變變，如由 REF 圖11 h * MERGEFORMAT 圖1中由a點(diǎn)移至至b點(diǎn)。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速減小小時(shí)，流量量、壓力力、軸功功率都隨之減小小，風(fēng)機(jī)效效率提高高，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)節(jié)能。頻率變化化對(duì)電機(jī)機(jī)效率的的影響由式 REF 公式11 h * MERGEFORMAT （11-1）可知，若風(fēng)機(jī)機(jī)實(shí)際需需求流量量為Q，則采用變變頻調(diào)速速時(shí)的控控制轉(zhuǎn)速速可表示示為：（2- SEQ 2- * ARABIC 11）、分別為為風(fēng)機(jī)額額定流量量、額定定轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)的的轉(zhuǎn)矩隨隨轉(zhuǎn)速平平方成正正比變化化，則流流量Q時(shí)風(fēng)機(jī)的的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)數(shù)可表示示為：（2- SEQ 2- * ARABIC 22）設(shè)

11、為轉(zhuǎn)速速為n時(shí)的控控制頻率率。頻率改改變時(shí)，電動(dòng)動(dòng)機(jī)等效效電路中中的各電電抗參數(shù)數(shù)不再為為恒定值值，而隨隨頻率變變化，若不考考慮變頻頻器輸出出諧波的的影響，此時(shí)電動(dòng)動(dòng)機(jī)等效效電路可可用 REF 圖2 h * MERGEFORMAT 圖2表示 REF 文獻(xiàn)七 h * MERGEFORMAT 7。圖SEQ 圖1- * ARABIC2變頻頻時(shí)異步步電機(jī)等等效電路路Fig.2Equuivaalennt CCirccuitt off InnducctioonMotoor ffor Freqquenncy Conttroll圖中用頻頻率比表表示頻率率變化，以恒UU/f變變頻控制制為例，則有如如下關(guān)系系：（

12、2- SEQ 2- * ARABIC 33）（2- SEQ 2- * ARABIC 44）、為電機(jī)機(jī)的額定定頻率和和額定電電壓。若要根據(jù)據(jù)等效電電路求出出轉(zhuǎn)速為為n時(shí)的電電動(dòng)機(jī)效率率，先要求求出變頻頻后等效效電路中中的未知知參數(shù)和和s。根據(jù)電機(jī)機(jī)學(xué)原理理，轉(zhuǎn)速速n與頻率率、轉(zhuǎn)差差率s、極對(duì)對(duì)數(shù)p的的關(guān)系為為：（2- SEQ 2- * ARABIC 55）對(duì)于大功功率電動(dòng)動(dòng)機(jī)，可可忽略定定子繞組組，此時(shí)轉(zhuǎn)差差率s可按下下式計(jì)算算：（2- SEQ 2- * ARABIC 66）其中；額額定轉(zhuǎn)差差率和電機(jī)最大大轉(zhuǎn)矩倍倍數(shù)均為為電動(dòng)機(jī)機(jī)已知參參數(shù)，通通過式 REF 公式22 h * MERGEFORM

13、AT （2-22）得出。聯(lián)立式式 REF 公式26 h * MERGEFORMAT （2-6）和式 REF 公式23 h * MERGEFORMAT （2-5）則可求求出和s。根據(jù)等效效電路圖圖可得出：（2- SEQ 2- * ARABIC 77）（2- SEQ 2- * ARABIC 88）（2- SEQ 2- * ARABIC 99）（2- SEQ 2- * ARABIC 110）其中為電電機(jī)定子子側(cè)阻抗抗，為轉(zhuǎn)子子側(cè)阻抗抗，為勵(lì)磁磁阻抗，為電機(jī)機(jī)總阻抗抗。電機(jī)工工頻下的的阻抗參參數(shù)、均為電機(jī)機(jī)基本參數(shù)數(shù)。將和s代代入式 REF 公式25 h * MERGEFORMAT （2-44）、 R

14、EF 公式27 h * MERGEFORMAT （2-77）至 REF 公式210 h * MERGEFORMAT （2-110）可求出出電壓UU1、轉(zhuǎn)子電電流I11、勵(lì)磁磁電流II0、轉(zhuǎn)子子電流II2和電機(jī)機(jī)功率因因數(shù)。REF 公式210 hREF 公式210 hREF 公式210 h設(shè)電機(jī)輸輸入、輸輸出功率率分別為為、，由等效效電路即即可得出出轉(zhuǎn)速為為n、頻率率為時(shí)的的電動(dòng)機(jī)機(jī)效率：（2- SEQ 2- * ARABIC 111）其中輸入入功率。和分別為為定、轉(zhuǎn)子子銅損。在不考考慮諧波波引起轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電阻阻增大的的情況時(shí)時(shí)，可認(rèn)認(rèn)為與負(fù)載變變化有關(guān)關(guān)。為鐵損耗耗，是主主磁通交交變引起起的磁滯滯

15、損耗和和渦流損損耗。此此處只考考慮定子子鐵耗，用等效效電阻的的損耗來來表示。為風(fēng)磨損損耗，包包括通風(fēng)風(fēng)損耗和和摩擦損損耗，與與負(fù)載無無關(guān)而與與轉(zhuǎn)速有有關(guān)。通通風(fēng)損耗耗正比于于n3，摩擦擦損耗正正比于nn REF 文獻(xiàn)八 h * MERGEFORMAT 8，一般般近似認(rèn)認(rèn)為，即即，為額定定運(yùn)行時(shí)時(shí)的風(fēng)磨損損耗，一一般由空空載試驗(yàn)驗(yàn)得出，作為已已知參數(shù)數(shù)。為雜散損損耗，不易計(jì)算算，一般取取估算值值。本文文按國家家標(biāo)準(zhǔn)取取為。以上五種種損耗均未未考慮變變頻器輸輸出諧波波的影響，而實(shí)際際上由于于諧波影影響，電電機(jī)各損損耗變化化將更復(fù)復(fù)雜，尤尤其是鐵鐵損耗的的變化?？偟膩韥碚f，電電動(dòng)機(jī)總總損耗會(huì)會(huì)因?yàn)橹C

16、諧波的影影響而增增加300%左右右，導(dǎo)致致效率會(huì)會(huì)下降11%-33% REF 文獻(xiàn)八 h * MERGEFORMAT 8。圖 SEQ 圖1- * ARABIC 3變頻頻下電動(dòng)機(jī)效率率Fig.3 Mootorr Effiicieencyy unnderr Freqquenncy Conttroll REF 圖3 h * MERGEFORMAT 圖3為一一臺(tái)帶風(fēng)風(fēng)機(jī)負(fù)載載的型號(hào)號(hào)為YRRKK6630-6的10000kWW電動(dòng)機(jī)機(jī)在恒U/ff控制時(shí)效效率隨頻頻率的變變化曲線線。從圖圖中可以以看出，電機(jī)的的實(shí)際效效率是隨隨頻率的的降低而而降低的的，頻率率在300Hz時(shí)時(shí)效率下下降明顯顯，在低低于25H

17、z時(shí)，效率下下迅速下下降。因因此，在在低頻時(shí)時(shí)，必須須考慮電電動(dòng)機(jī)效效率對(duì)節(jié)節(jié)能效益益的影響響。考慮電動(dòng)動(dòng)機(jī)實(shí)際際效率的的評(píng)估方法法為分析電電動(dòng)機(jī)效效率變化化對(duì)節(jié)能能效果的的影響，本文在在基于比比例定律律的方法法上考慮慮電機(jī)變變頻后的的效率。該方法法的前提提條件是當(dāng)當(dāng)前工況況與額定定工況滿滿足比例例定律的的相似工工況條件件，否則則方法不不適用；另外，在確定定變頻后后轉(zhuǎn)速時(shí)時(shí)，不能能忽略頻頻率范圍圍的限制制，一般認(rèn)認(rèn)為轉(zhuǎn)速速差不超超過200%時(shí)比比例定律律適用，轉(zhuǎn)速差差過大，則比例例定律就就會(huì)有一一定誤差差1，工程程計(jì)算一一般認(rèn)為為比例定定律適用用范圍為為60%-1000%額額定轉(zhuǎn)速速。具體體評(píng)

18、估方法法如下：假設(shè)當(dāng)前前工況流量量需求為為Q，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)據(jù)直接計(jì)計(jì)算得整個(gè)系系統(tǒng)能耗耗為：（3- SEQ 公公式3 * ARAABICC 1）其中為電電動(dòng)機(jī)能能耗，、分別為為現(xiàn)場測(cè)測(cè)量的電電機(jī)側(cè)電電壓、電電流和系系統(tǒng)功率率因數(shù)，為系統(tǒng)統(tǒng)其它效效率。保持流量量Q不變，則則由式 REF 公式11 h * MERGEFORMAT （1-1）和 REF 公式13 h * MERGEFORMAT （1-3）得到變變頻后風(fēng)風(fēng)機(jī)軸功功率為：（3- SEQ 公式3 * ARABIC 22）、分別為為風(fēng)機(jī)額額定流量量和額定定功率。則則變頻改改造后整個(gè)系系統(tǒng)能耗耗為：（3- SEQ 公公式3 * ARAABIC

19、C 3）其中、分分別為變變頻后電電動(dòng)機(jī)效效率、變變頻器效效率，為系統(tǒng)其它它效率。變頻改造造后節(jié)約的能耗為為：（3- SEQ 公公式3 * ARAABICC4）節(jié)能率為為：（3- SEQ 公公式3 * ARAABICC 5）關(guān)于變頻頻器效率率，一般由供應(yīng)商商提供的的額定值值為94%-977%，而實(shí)際在頻頻率下降降時(shí)變頻頻器效率率也會(huì)下下降。 REF 表1 h * MERGEFORMAT 表表1為西門門子公司司生產(chǎn)的的羅賓康康完美無無諧波系系列變頻頻器的效效率與轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速關(guān)系系。從表表中看出出，變頻頻器的效效率隨轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的降降低而降降低。表 SEQ 表1 * ARABIC1 不同轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下的的變頻

20、器器效率Tab.1Freqquenncy Convvertter Effiicieencyy變頻器效效率%轉(zhuǎn)速20406080100轉(zhuǎn)矩%2074.66-855.984.99-944.889.22-944.291.55-955.392.88-9664084.55-911.091-995.5593.22-966.194.88-966.695.66-966.96088.33-922.593.22-955.795-996.4495.99-966.896.33-9778093-990.3394.33-955.795.77-966.496.22-966.996.66-966.810091.44-933.

21、294.88-955.795.99-955.796.44-966.596.55-966.6案例分析析以某水泥泥廠窯尾尾風(fēng)機(jī)變變頻改造造的節(jié)能能效果評(píng)評(píng)估為例例，分析電動(dòng)動(dòng)機(jī)效率率變化對(duì)對(duì)節(jié)能預(yù)預(yù)算結(jié)果果的影響響。當(dāng)前電網(wǎng)網(wǎng)運(yùn)行電電壓U為為98000kVV，I為為51.1A，功率因因數(shù)為0.884。假設(shè)改改造前系系統(tǒng)其它它效率=98%，則改改造前系系統(tǒng)能耗耗為P11=/=7433 kWW。風(fēng)機(jī)相關(guān)關(guān)計(jì)算參參數(shù)：額額定全壓壓HN為40000PPa，額額定轉(zhuǎn)速速nN為9880rppm，額額定功率率PN為10000kkW；當(dāng)當(dāng)前全壓壓H為119977Pa。由式 REF 公式12 h * MERGEFO

22、RMAT （1-2）和 REF 公式13 h * MERGEFORMAT （1-3）得到變變頻后風(fēng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速速為6992rppm，風(fēng)機(jī)軸軸功率PP=3553kWW。負(fù)載載轉(zhuǎn)矩倍倍數(shù)=00.5。電動(dòng)機(jī)型型號(hào)為YYRKKK6300-6，相關(guān)計(jì)計(jì)算參數(shù)數(shù)：額定定功率110000kW，額定頻頻率fNN為500Hz，額定相相電壓kkV，額額定轉(zhuǎn)差差sN為0.01，額定效效率為994.77%，額額定風(fēng)磨磨損耗PPfwNN為1.19kkW，最最大轉(zhuǎn)矩矩倍數(shù)=2.22；定子電電阻；定子漏漏抗；轉(zhuǎn)子電電阻、轉(zhuǎn)子漏漏抗、勵(lì)磁電電阻、勵(lì)磁電電抗。計(jì)算得到到變頻后后的頻率為為34.77Hz，電動(dòng)機(jī)效率率87.66%，與

23、額定定效率994.77%相差7個(gè)百分分點(diǎn)。下面根據(jù)據(jù)式 REF 公式33 h * MERGEFORMAT （3-3）分四種種情況計(jì)計(jì)算改造后后能耗：Casee1：不計(jì)電動(dòng)動(dòng)機(jī)效率率，變頻頻器效率率和系統(tǒng)統(tǒng)其它效效率。即、均取1000%，風(fēng)機(jī)軸軸功率即即為系統(tǒng)統(tǒng)總能耗耗，則P2=3533kW。Casee2：認(rèn)為變頻頻后電動(dòng)動(dòng)機(jī)和變頻器器都工作作在額定定效率。即取電動(dòng)動(dòng)機(jī)效率率為944.7%、變頻器器效率為為97%，其它效效率988%。則則改造后后能耗為為P2=3922kW。Casee3：考慮電動(dòng)動(dòng)機(jī)效率率變化。電動(dòng)機(jī)效率率取計(jì)算算所得的的變頻后后效率87.6%，變頻器器效率取取額定值值97%，則

24、改造造后能耗耗為P2=4244kW。Casee4：考慮電動(dòng)動(dòng)機(jī)和變變頻器效效率變化化。即電動(dòng)機(jī)機(jī)效率取取87.6%，變頻器器效率根根據(jù)表11取0.7轉(zhuǎn)速比比、0.49轉(zhuǎn)矩矩比時(shí)的的參考值95.99%。則改造造后能耗耗為P2=428kWW。四種情況況下的節(jié)節(jié)能量和和節(jié)能率率計(jì)算結(jié)結(jié)果見 REF 表4 h * MERGEFORMAT 表表4。表 SEQ 表1 * ARABIC2：不同方方法預(yù)算算結(jié)果對(duì)對(duì)比Casee1Casee2Casee3Casee4節(jié)能量391kkW351kkW319kkW315 kW節(jié)能率52.66%47.33%43%42.33%由 REF 表4 h * MERGEFORMA

25、T 表4看看出，考考慮電動(dòng)動(dòng)機(jī)效率率變化的的Casse3比比認(rèn)為電電動(dòng)機(jī)變變頻后工工作在額額定效率率的Caase22節(jié)能率率下降44個(gè)百分分點(diǎn)之多多；若再將變頻器器的實(shí)際際效率考考慮在內(nèi)內(nèi)，則節(jié)節(jié)能率再再降低了0.77個(gè)百分分點(diǎn)；Casse1與與Casse2的的節(jié)能率率相差達(dá)達(dá)10個(gè)百百分點(diǎn)。由此表明明，變頻后后電動(dòng)機(jī)機(jī)的效率率變化對(duì)對(duì)節(jié)能效效果的影影響較大大，在風(fēng)風(fēng)機(jī)變頻頻改造節(jié)節(jié)能評(píng)估估中有必必要計(jì)及及電動(dòng)機(jī)機(jī)效率變變化對(duì)節(jié)節(jié)能效果果的影響響。結(jié)論隨著合同同能源管管理機(jī)制制在我國國的推廣廣，變頻頻節(jié)能改改造項(xiàng)目目的節(jié)能能效果評(píng)評(píng)估對(duì)項(xiàng)項(xiàng)目的經(jīng)經(jīng)濟(jì)可行行性分析析至關(guān)重重要，粗粗略的節(jié)節(jié)能評(píng)估估可能誤導(dǎo)導(dǎo)投資者者決策。論文對(duì)變變頻后電電動(dòng)機(jī)效效率變化化做了理理論推導(dǎo)導(dǎo)，結(jié)果果表明隨隨著頻率率下降電動(dòng)動(dòng)機(jī)效率率降低，當(dāng)頻率率下降到到一定程程度