电机系统节能评价指标体系研究

李 崇

(机械工业技术发展基金会，北京 100823)



电机系统节能评价指标体系研究

李 崇

(机械工业技术发展基金会，北京 100823)

电机系统运行效率的提高，对于工业领域的节能具有十分重要的意义。在对电机系统组成进行定义的基础上，分析了各组成部分对系统运行效率的影响，并建立了电机系统节能评价指标体系，为科学、客观地评价电机系统的运行效率提供了理论依据。

电机系统； 节能评价； 指标体系

0 引 言

近年来，在国家政策的支持下，我国电机能效水平逐步提高，但总体能效水平仍然较低。从电机自身看，我国电机效率平均水平比国外低3%～5%，目前在用的电机中，三级能效的电机占97%，而二级以上能效的电机仅占17%；从电机系统看，因匹配不合理、调节方式落后等原因，电机系统运行效率比国外先进水平低10%～20%。据统计，工业领域电机能效每提高一个百分点，每年可节约用电260亿kW左右。因此，研究电机系统运行效率的影响因素，建立电机系统节能评价指标体系对于工业领域的节能具有十分重要的意义。

本文在对电机系统组成进行定义的基础上，分析了各组成部分对系统运行效率的影响，并建立了电机系统节能评价指标体系，为科学、客观地评价电机系统的运行效率提供了理论依据。

1 电机系统的组成

电机系统是由电源装置、控制单元、电机、传递机构、工作机械等组成的机电系统。电机的输入端经过控制单元由电网供电，输出端通过传递机构以一定的传递比与工作机械相连接[1]。电机系统所带动的工作机械包括风机、泵、空气压缩机等。图1给出了电机系统的基本组成，有的电机系统的控制单元和电机是一体的，而有的则将二者分开，如图1中虚线所示。

图1 电机系统的基本组成

2 电机系统运行效率影响因素分析

由于能量在从电机的输入端传递到输出端的过程中均会产生损耗，因此，根据图1所示的电机系统的组成，影响电机系统运行效率的因素主要包括电源质量、控制单元特性、电机本身特性和负载特性等。

2.1 电源质量

电源质量是影响电机系统运行效率的因素之一。根据国家标准GB 755—2008《旋转电机定额和性能》(以下简称“GB 755—2008”)的规定，电源电压最大可允许±10%的偏差[2]。

电机的铁耗约与电压的平方成正比，定子和转子绕组电流损耗约与电压的平方成反比，因此电机效率与电压变化的关系，将在不同负载率时，与以铁耗为主的不变损耗和定、转子绕组电流损耗为主的可变损耗的比例有关。图2表示了功率为7.5kW、极数为4极的电机在不同电压下的效率曲线。图2中，η为最大效率，PN为额定功率，P为实际功率。图2中的电源电压偏差为±10%，并考虑了5%的电缆压降[3]。

图2 电源电压变化对电机效率的影响

从图2可见，当电机端电压为0.85UN时，额定负载时的效率下降很多；在3/4负载时效率也有一定下降；但在1/2负载以下时其效率则高于额定电压时的效率。因此，对于一般运行负载率为0.6～1的电机，应注意尽量避免在过低的电源电压下运行。

为了使电源质量符合系统优化设计的要求，根据GB/T 26921—2011《电机系统(风机、泵、空气压缩机)优化设计指南》(以下简称“GB/T 26921—2011”)[4]，需要检测如下参数：

(1) 电源电压与额定电压的偏差。GB/T 26921—2011第4.1.1条要求电源电压与额定电压的偏差范围为-5%～5%。

(2) 电源频率与额定频率的偏差。GB/T 26921—2011第4.1.3条要求电源频率偏差不宜超过额定频率的±1%。

(3) 谐波电压因数。GB/T 26921—2011第4.1.4条要求供电电压谐波电压因数，对单相和三相电动机，包括同步电动机但不包括N设计电动机，不宜超过0.02；对N设计电动机不宜超过0.03。

2.2 控制单元特性

控制单元主要包括电机系统所使用的专用变压器、变频器等配套设备。在正常供电状况下，电网输出的电能为频率50Hz的正弦波。不同的负载在不同的工况下，需要不同频率、不同峰值的电能。根据不同时间负载对电能的不同需求，变频器可以改变电源输出，包括改变输出的频率、改变波形(如将正弦波变为方波)、改变波峰的数值等，从而有效地满足负载对电能的需求。

控制单元的性能对电机系统的效率有着一定的影响。为了满足系统优化设计的要求，需要对控制单元的如下性能进行检测：

(1) 变频器的效率。GB/T 26921—2011第4.2.2 条要求变频器在额定输出电压、额定输出电流的条件下，低压变频器效率不宜低于95%，高压变频器效率不宜低于96%；第6.2.1.5.1条要求变频器的效率宜连续可调。

(2) 变频器的输出电压。GB/T 26921—2011第6.2.1.4.1条要求变频器额定输出电压应与电机额定电压相符；第6.2.1.5.1条要求变频器的输出电压宜连续可调。

(3) 变频器的输出电流。GB/T 26921—2011第6.2.1.4.2条要求变频器额定输出电流应大于电机实际运行最大电流。拖动离心风机、离心泵的普通电机，变频器输出额定电流应与电机额定电流相符。对于其他负载，如深水泵，则宜根据负载特性确定其最大电流和过载能力。

(4) 变频器产生的谐波。GB/T 26921—2011第4.4条以表格的形式，给出了电机系统接入不同电网时，对谐波电压和谐波电流的要求，由于篇幅所限，这里不做详述。

(5) 专用变压器的空载损耗和负载损耗。专用变压器的空载损耗和负载损耗应不高于GB 20052—2013《三相配电变压器能效限定值及能效等级》规定的能效限定值[5]。

(6) 交流接触器的吸持功率。对于系统配套用的交流接触器，其吸持功率应不大于GB 21518—2008《交流接触器能效限定值及能效等级》规定的能效限定值[6]。

2.3 电机本身特性

电机本身的性能对于电机系统的效率起着至关重要的作用。为了提高系统的效率，应检测电机的相关性能，具体如下：

(1) 电机的效率。电机的额定效率应不低于GB 18613—2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》规定的能效限定值[7]。

(2) 电机的堵转转矩、最大转矩、最小转矩、转速及调节范围。GB/T 26921—2011第5.1.7条要求： 电机的堵转转矩、最大转矩、最小转矩、转速及调节范围等，应满足电机所拖动的负载在各种运行方式下的要求。

(3) 电机的工作制和定额。电机的工作制和定额应符合GB 755—2008的相关规定。

2.4 负载特性

为了提高系统的运行效率，应注意负载与电机的匹配问题，根据不同的负载特性，选择与之匹配的电机。

对于一般的恒定负载连续运行的场合，应选用在恒定负载时损耗低、效率高的电机，即高效电机；对于负载特性为周期工作制、短时工作制或包含起动、制动等过程的工作制，应考虑整个工作周期的损耗最低。例如，当起动损耗较大时，应选用高起动转矩的电机。由于高起动转矩的转子电阻较大，因此，这种电机在恒定负载时的效率就相对较低，但是由于起动损耗较大幅度的下降，电机总损耗得到了下降。

(1) 传递机构特性。传递机构的特性对电机系统的效率有一定的影响。不同的传动方式，导致传动部分的效率不同。表1给出了不同传动方式下，传动部分效率的取值。

(2) 负载率。负载率是影响电机系统的重要指标之一。负载率对电机效率影响可通过图3来描述。图3给出了一台电机的两种设计所对应的效率与负载率的关系曲线。

以P表示电机的实际功率，PN表示电机额定功率，P0表示电机不随负载变化的损耗(即空载损耗，包括铁耗和风摩耗)，PLN表示电机额定功率时的可变损耗(包括定、转子绕组电流损耗和负载杂耗)。图3中，横坐标P/PN表示电机的实际功率与额定功率的比(即负载率)，纵坐标η表示电机的效率，曲线A所示为P0=0.03PN、PLN=0.08PN的电机效率与负载率关系曲线；曲线B为P0=0.06PN、PLN=0.05PN的电机效率与负载率关系曲线。两者额定功率时的总损耗相同，但是前者的空载损耗较小，可变损耗较大；后者的空载损耗较大，可变损耗较小。

表1 不同传动方式下，传动部分的效率值

图3 电动机效率与负载率的关系

从图3可见，两种设计的效率曲线相差很大，高空载损耗的效率最高点发生在负载率为1.095处，即接近额定功率处；而低空载损耗的效率最高点，则发生在负载率为0.612处，并且负载率在0.5～1.0范围内，效率均较高。由于电机多运行在负载率为0.6～1.0范围内，为了提高效率，均采用低空载损耗的设计，即具有曲线A所示的效率曲线。

从图3还可以看出，无论何种设计，当负载率低于0.5时，电机的效率急剧下降，因此，在选用电机时，负载率不能过低。

3 电机系统节能评价指标体系

基于前文对电机系统运行效率影响因素的分析，本文以电源质量、控制单元特性、电机本身特性、负载特性四个方面作为一级指标，并按照各指标的具体内容逐层展开，分层进行评价，构建一套电机系统节能评价指标体系，如图4所示。

图4 电机系统节能评价指标体系

4 结 语

本文通过对电机系统各组成部分的分析，建立了一套宏观的、定性的电机系统节能评价指标体系。在未来的研究中，应结合特定的电机系统，利用已建立的指标体系进行分析，逐步量化各指标，并对评价指标进行修正，使评价体系更加科学、客观。

[1] 国家电网公司营销部．能效管理与节能技术[M]．北京： 中国电力出版社,2011.

[2] 旋转电机定额和性能: GB 755—2008[S].

[3] 周胜，赵凯.电机系统节能实用指南[M].北京： 机械工业出版社，2009.

[4] 电机系统(风机、泵、空气压缩机)优化设计指南： GB/T 26921—2011[S].

[5] 三相配电变压器能效限定值及能效等级： GB 20052—2013[S].

[6] 交流接触器能效限定值及能效等级： GB 21518—2008[S].

[7] 中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级： 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，硕士研究生，工程师，研究方向为工业装备节能减排、系统节能管理。

TM 301.4

A

1673-6540(2016)10- 0074- 04

2016-06-25