电动机变工况节能评价技术初步研究

2021-04-17赵立华潘文文李荣军段彦敏

机电产品开发与创新 2021年2期

赵立华，潘文文，李荣军，段彦敏

（1.中国电子技术标准化研究院，北京 100007； 2.上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海 200063；3.机械工业技术发展基金会，北京 100045）

0 引言

电机系统是用电量最大的终端用能设备，电机的总耗电量占全社会总用电量的64%左右，工业领域的电机用电量占工业用电的75%左右[1-2]，工业领域电机能效每提升1 个百分点，可年节约用电400 亿kWh 左右，推动电机系统能效提升意义重大。

电机系统节能主要有三个方面，一是提高电动机本身的效率，这方面随着我国发布最新的GB 18613-2020标准中3 级等同于IEC 60034-30-1 中的IE3，2 级等同于IE4，1 级等同于IE5，我国电动机本身的能效达到世界先进水平；二是电动机的运行管理，针对运行中电动机系统的工况变化、设备老化、非正常操作等方面状况，及时淘汰更换老旧设备，强化系统经济运行管理；三是改善电动机与负载的配合，如功率配合、转速配合和机械特性配合等[3]。提高电动机本身的额定效率是基础，做好实际运行的匹配和经济运行是电机系统能效提升的重要保障。因此，有效衡量电动机效率，尤其是实际运行的电动机能效水平，开展电机及电机系统节能评价与认证是推动电机系统能效提升的重要基础工作。

1 电动机节能评价与认证

GB 755-2008/IEC60034-1：2004《旋转电机定额和性能》、GB/T 1032-2012 《三相异步电动机试验方法》、GB/T 12497-2006《三相异步电动机经济运行》、GB 18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》等标准规定了三相异步电动机产品的各种性能指标和产品检验方法。GB 18613 中规定三相异步电动机采用GB/T 1032 B法损耗分析法规定进行效率测试[4]。

世界各国都在积极推进节能认证方面的工作，并取得了一定实践成果，如欧盟的白色认证体系、美国的“能源之星”节能认证制度、韩国的“能效标识”节能产品认证制度等。而对于电机的节能认证，各国采用的认证标准亦不相同，美国采用IEC 60034-30，欧盟对通风机采用ErP认证，其采用标准为ISO 12759。在电机能效测试方面，各国大多采用基于测量各损耗分量进而求取效率的损耗分析法，比如美国采用IEEE 112B 标准，欧洲采用IEC 60034-2，日本采用JEC 37，澳大利亚采用IEC 61972[5]。

上述节能评价或认证仅在额定设计工况下对电机系统进行检测，但电机系统运行工况复杂，往往根据负荷需求变化处于变工况运行，以上评价或认证方式不能真实评估电机系统的实际能效水平。据统计，我国电机系统运行效率比国外先进水平低10～20 个百分点，这与电机的实际运行负荷状况变化大[6]和开始选型时的节能评估具有重要关联。因此，建立电机变工况条件下的综合节能评价体系意义重大。

2 电动机效率与负荷及频率的影响分析

图1 电动机效率与负载率的关系示意图

电动机的效率和功率因数跟负载密切相关[7-9]，如图1 所示。图中A、B 分别为两种不同的设计效率曲线，两者额定功率时的总损耗相同，但A 曲线空载损耗小，可变损耗（定、转子绕组电流损耗和负载杂耗）较大，B 曲线空载损耗较大，可变损耗较小。两者额定工况时的效率相同，但A 曲线在负载40%～100%均有较高的效率，B 曲线则低于90%负载后效率快速下降。考虑电机实际是在非固定工况下运行，应采用A 设计，或者在选取电机时采用A设计曲线的产品。但依照目前测试标准，两者额定效率相同，无法有效区分。从图中同样发现，不论何种设计曲线，当负载低于50%时，电动机的效率都会大幅度下降，因此在选用电机时负载率不能过低。同时，在设计运行中为了改变电机转速，需要通过调频的方式改变电机的输入频率，从而有必要开展频率变化对电机运行效率的研究。

3 电动机变工况节能评价研究

3.1 电动机定频变负荷节能评价研究

基于以上分析，采用多个负载点效率测评的综合评价方法，能够全面评估电机的实际运行能效水平。李荣军[10]研究了变工况条件下电动机效率与功率因数的关系，提出采用不同工况点下的电机效率和功率因数作为电动机的节能评价指标；潘文文[11]采用中小型电机设计值与实验室测试的方法分别研究了190 余台典型三相异步电动机分别在不同运行负荷下的效率，通过测试22kW 四级电动机25%～150%工况下的效率和功率因数等参数，分析确定了以50%、75%和100%为变工况测试点，并与效率设计值和效率容差值进行了对比，发现100%工况的测试效率值均符合标准效率容差要求，75%工况下的效率值最高，50%工况下效率变化较大，但仍有近70%的数据在设计值容差范围内，并得出采用三相异步电动机系统设计值作为50%和75%工况点的节能评价值。

在此基础上，研究形成了11kW、22kW、55kW、90kW四种常用电机在50Hz 运行下的变工况节能评价值，其同时要求电机在50%、75%和100%工况点下的效率和功率因数均满足节能评价值要求才能评价为节能电机。具体参数如表1 所示。表中，效率容差：-0.15（1-η）；功率因数容差：-（1-cosφ）/6，最少-0.02，最多-0.07。

表1 典型电动机变负荷节能评价参考值

3.2 55kW 四极电机变频变负荷节能评价研究

选定常用的55kW 四极电机，按照GB/T 1032-2012测试方法，分别测试电动机在30Hz、40Hz、50Hz 运行下，不同负载（50%、75%、100%、125%和150%）时的效率和功率因数，参照3.1 节中利用设计值作为对应负荷节能评价值，并通过加权平均的方式，确定了55kW 四极电机变频变负荷节能评价指标值，如表2 所示。表中，η、cosΦ 分别代表电机在额定功率运行下的效率、功率因数。

表2 55kW 四极电机变频变负荷节能评价指标值

计算公式：

式中：a150—电机在50Hz 运行下，50%负载下的运行值；a140—电机在40Hz 运行下，50%负载下的运行值；a130—电机在30Hz 运行下，50%负载下的运行值；a250—电机在50Hz 运行下，75%负载下的运行值；a240—电机在40Hz 运行下，75%负载下运行值；a230—电机在30Hz 运行下，75%负载下的运行值；a350—电机在50Hz 运行下，100%负载下的运行值；a340—电机在40Hz 运行下，100%负载下的运行值；a330—电机在30Hz 运行下，100%负载下的运行值；a450—电机在50Hz 运行下，125%负载下的运行值；a440—电机在40Hz 运行下，125%负载下的运行值；a430—电机在30Hz 运行下，125%负载下的运行值；a550—电机在50Hz 运行下，150%负载下的运行值；a540—电机在40Hz 运行下，150%负载下的运行值；a530—电机在30Hz运行下，150%负载下的运行值；A1—电机在30、40、50Hz运行下，50%负载下的综合数值；A2—电机在30、40、50Hz 运行下，75%负载下的综合数值；A3—电机在30、40、50Hz 运行下，100%负载下的综合数值；A4—电机在30、40、50Hz 运行下，125%负载下的综合数值；A5—电机在30、40、50Hz 运行下，150%负载下的综合数值；A—电机在变工况条件运行下的综合指标。