空压机负荷变化对电动机效率影响的试验研究

王朋旺，　强　雄，　金惟伟，　赵　军，　吴汉熙

(1. 上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海　200063；2. 上海电科系统能效检测有限公司，上海　200063；3. 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海　200092；4. 上海格立特电力电子有限公司，上海　200063)

空压机负荷变化对电动机效率影响的试验研究

王朋旺1，强雄2，金惟伟1，赵军3，吴汉熙4

(1. 上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海200063；2. 上海电科系统能效检测有限公司，上海200063；3. 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海200092；4. 上海格立特电力电子有限公司，上海200063)

利用电机效率测试台，按规定的低不确定度效率B法测试了不同负载情况下，普通效率三相异步电动机和永磁电动机功率因数、效率和输入功率的变化情况对空压机系统在不同负载情况下配置永磁电机替代普通电机产生的节能效果进行了量化分析。

空压机； 电动机效率； 功率因数； 试验研究

0　引　言

随着能源短缺和气候变化问题日益严重，空压机系统效率偏低、能源浪费严重的问题逐渐引起人们的重视。欧美等发达国家已经形成了一些空压机系统的节能理论并进行了相关工程应用，而国内对空压机系统的节能研究还处于起步阶段。近年来，上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司承担了上海市重点耗电企业的部分电能平衡设计规划和实施工作，通过对上海市近200家年耗电500万kWh以上重点用电企业开展电能平衡工作后的耗电数据统计分析发现： 空压机系统耗电量平均占到工业用电量的13.85%；容积式空压机系统中起调节作用的空压机平均加载率不到70%。这意味着空压机的电动机有30%的时间处于低负载率状态运行。

目前，国内外研究人员对于空压机系统的研究重点主要放在满负荷时空压机转换效率的提高上面，因此基本上将电动机的效率作为固定值来处理，选取额定效率作为计算依据，国家对于空压机的能效等级考核也只考核空压机额定负载时的比功率。对于企业中实际运行的空压机系统而言，空压机会根据系统负荷的变化而进行加卸载等控制方式的调整，电动机的负载也随之发生变化，导致电动机的效率一直处于变化之中，直接影响空压机系统效率。

本文利用电机效率测试平台，通过负载模拟配置普通效率三相异步电机和永磁电机的空压机随负荷变化时的效率、功率因数和输入功率的变化情况，对空压机配备上述类型的电动机在实际负荷变化过程中所能达到的节能效果进行测试分析。

1　试验原理

电机效率测试试验台由正弦波变频电源、电动机的负载模拟及稳定装置、自动控制和数据采集系统等部分组成，能够测试各类普通三相异步电动机、高效和超高效三相异步电动机、变频电动机、永磁同步电动机等的效率、功率因数、转矩等特性。电机系统的试验台控制室如图1所示，工作原理如图2所示。

图1　试验台控制室

图2　电机效率测试系统原理图

空压机用电机效率测试采用GB/T 1032—2012《三相异步电动机试验方法》中规定的低不确定度效率B法进行，通过测出电动机的输入和输出功率以及定子铜耗、转子铜耗、铁耗、机械耗，输入功率减输出功率得出电机的总损耗PT，再以总损耗PT减各项已知的损耗就得出电机的杂散损耗。通过对不同负载点下测得的杂散损耗值进行线性回归分析得出线性回归方程，可以求得电机额定负载点的杂散损耗。从测量的基本原理上讲，B法没有作任何理论上的假定和测定模拟，用此法测出的是电机真正的效率及各项损耗。

η=(P1- PT)/P1×100%

式中：η——表示电机效率；

P1——表示电机输入功率；

PT——表示电机各种损耗总和。

2　试验结果分析

本文选择22kW和30kW两种规格的普通效率三相异步电动机和永磁电动机进行测试。通过试验得出电机在不同负载时的效率、功率因数和输入功率，分析其对空压机系统能耗的影响，研究空压机系统需求变化过程中电动机效率变化对空压机系统能耗的影响。

2.1电机效率试验结果和分析

22kW和30kW普通效率三相异步电动机和永磁电动机的效率试验结果如图3和图4所示。由图3、图4可知，异步电动机的效率最高基本在92%，这已经是目前国内空压机所配电动机效率比较高的水平，但当空压机处于卸载状态，电机负载率约为30%时，电机效率降低到87%，降低了约5%，下降非常明显。永磁电动机在整个负载变化过程中效率一直维持在约95%，因此，两种电动机相比，永磁电动机在空压机满载时具有约3%的节能空间，在空压机卸载时最高可以达到8%的节能效果，空压机加卸载越频繁，节能效果越为显著。

图3　22kW电动机效率随负载率变化曲线

图4　30kW电动机效率随负载率变化曲线

2.2功率因数试验结果和分析

22kW和30kW普通效率三相异步电动机和永磁电动机的功率因数试验结果如图5和图6所示。由图5、图6可知，随着空压机电动机负载率的降低，永磁电动机的功率因数一直维持在0.96(一个比较高的水平)，而异步电动机的功率因数最高只有0.85，并且随着负载率的降低，功率因数下降较快，在空压机卸载点功率因数只有0.46，这会导致电动机无功的增加，降低了空压机的效率。

图5　22kW电动机功率因数随负载率变化曲线

图6　30kW电动机功率因数随负载率变化曲线

2.3输入功率试验结果和分析

22kW和30kW普通效率三相异步电动机和永磁电动机的输入功率试验结果如图7和图8所示。由图7、图8可知，空压机用电动机输入功率随着空压机负载率的增加而增加。同等负载下，永磁电动机的输入功率一直低于普通异步电动机的输入功率。

图7　22kW电动机输入功率随负载率变化曲线

图8　30kW电动机输入功率随负载率变化曲线

3　节能效果分析

为了对比永磁电动机替代异步电动机的能耗减少效果，以配备22kW电动机的排气量为3m3/min的空压机为例，通过对测试数据进行拟合，分别得到普通异步电动机和永磁电动机的输入功率随负载率变化的函数。普通异步电动机输入功率随负载率变化的函数为

y=1582x2+21567x+866

式中：x——空压机电动机负载率；

y——空压机电动机输入功率。

永磁电动机输入功率随负载率变化的函数为

y=949.2x2+21822x+355.2

与应用普通效率三相异步电动机相比，应用永磁电动机可以达到的减少输入功率的函数为

y=632.8x2-255x+510.8

因此，当空压机满载时，可节约电功率0.89kW，节电率为3.7%。当空压机卸载时，电动机负载率有时低至40%，此时节约电功率为0.5085kW，节电率为5.2%。如果空压机一半时间处于卸载状态，则空压机节能率可达4.45%，负载率为66%时节电率可达4.21%。

4　结　语

通过电机效率测试平台，按规定的低不确定度效率B法对22kW和30kW两种功率等级的普通效率三相异步电动机和永磁电动机在不同负载率时的效率、功率因数和输入功率进行了测试分析，结果表明：

(1) 与永磁电动机在很宽的负载范围内电动机功率因数和效率始终保持非常高的水平相比，目前企业普遍使用的普通效率三相异步电动机保持高水平功率因数和效率的负载范围较窄，其卸载时功率因数和效率比其自身加载时分别下降了0.39和5%；

(2) 满载运行时普通三相异步电动机效率要比永磁电动机低约3%；

(3) 选择永磁电动机替代普通效率三相异步电动机，满载时可产生3.7%的节电率，在负载率为66%时会产生4.21%的节电率。

[1]蔡茂林.空压机能耗现状及系统节能潜力[J].中国设备工程,2009(7)： 42-44.

[2]戴彦德，戴琳.中国电机系统能源效率与市场潜力分析[M].北京： 机械工业出版社，2001.

[3]孙铁源，蔡茂林.压缩空气系统的运行现状和节能改造[J].机床与液压,2010,38(13)： 108-111.

[4]RADGEN P, BLAUSTEIN E. Compressed air systems in the european union[M]. Energy, Emissions, Savings Potential and Policy Actions. Germany： European Commission, 2001.

[5]FOSS R S. Improving air system efficiency(part 8)[J].Hydraulics & Pneumatics, 1999(10)： 61-62.

收稿日期： 2014-07-25

Experimental Study of the Compressor Load Modification Influence on the Motor Efficiency

WANGPengwang1,QIANGXiong2,JINWeiwei1,ZHAOJun3,WUHanxi4

(1. Shanghai Engineering Research Center for Energy Saving of Motor System Co., Ltd., Shanghai 200063, China; 2. Shanghai Seari Testing&Inspection of System Energy Efficiency Co., Ltd., Shanghai 200063, China; 3. Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai, 200092, China; 4. Shanghai GREAT Electronics Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

According to the test system of low uncertainty of motor efficiency, Test the power factor, efficiency and the input power of three-phase asynchronous motor and the permanent magnet motor at different load. Then quantitative analysis energy-savings when PM motors alternative normal motor at different load conditions of the air compressor system.

air compressor; motor efficiency; power factor; experimental study

2014-07-13

TM 306

A

1673-6540(2015)04-0066-04