电机效率变化对变频改造节能效果的影响分析

1、电机效率变化对变频改造节能效果的影响分析丁旭元1程林2刘耀年3（1.3.东北电力大学吉林省吉林市132012； 2.清华大学北京市海淀区100084）摘要：对需要变速运行的风机实施变频调速节能改造是电机系统节能的重点， 而准确的节能效果评估是节能项目投资决策的重要环节。目前的风机变频改造节 能效果评估方法没有考虑变频前后电动机效率变化的影响，论文对变频后电动机 的效率进行了理论推导，指出在变频后电动机效率变化明显，应该计及该效率变 化对节能效果的影响。通过对某水泥厂实际风机的变频改造节能效果评估，表明 电动机效率变化对节能效果影响较大，在变频改造项目的节能效果评估中有必要 计及电动机效率变化对

2、节能效果的影响。关键字：风机变频改造节能效果评估电机效率Effect of Motor Efficiency on Energy saving Estimation ofFrequency Conversion retrofitsXu-yuan Ding1, Lin-Cheng2, Yao-nian Liu31、3.： Dept. of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, China;2： Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing

3、, ChinaAbstract: Transformation of fan with frequency control is the key point of energy conservation project in motor system, and energy saving estimation is one of the most important parts of the transformation. The present estimation method did not consider the effect of motor efficiency varying

4、with frequency control, but the derivation in the paper indicated the variation of motor efficiency is obvious. Therefore, the effect should be considered. The case study showed the effect taken on the results of the estimation demonstrating it is necessary to consider the motor efficiency in energy

5、 saving estimation.Keywords: fan; frequency control; energy saving estimation; motor efficiency弓|言：全国总消费电能的40%以上1。我国风机与泵的耗电量已占到其中风机所占比例较大，且大部分为变负荷运行。当前风机大多采用 风门控制调节流量，风机效率低下, 电能浪费严重。随着合同能源管理 机制的推广和变频技术的发展，风 机的变频调速改造项目得以大力推 动，准确的节能效果评估是项目投 资决策的重要环节。然而目前我国 对风机变频改造的节能效果评估大 都处于实践阶段，很多评估结果与 实施后的实际情况存在差异，

6、还没 有形成统一的、精确的评估方法。 当前方法中，文献2中的方法为基 于比例定律的方法，文献5提出了 基于风机效率的方法。这些方法存 在的一个共同的问题是只考虑了变 频后风机本身效率的提高，而忽略 了电动机效率变化对节能效果的影 响。论文通过理论推导分析了变频 后电动机的效率的变化情况，指出 电动机效率随频率变化明显、应该 计及效率变化对节能效果的影响； 通过一个实际的评估案例分析了电 动机效率变化对节能效果的影响程 度，结果表明了电动机效率变化对 节能效果的影响较大、在节能评估 中有必要计及电动机效率变化的影 响。1.风机的变频调速节能原理风机的工作点为其本身特性曲 线n1与管路特性曲线R的

7、交点， 如图1中a点。当风机的额定流量 远大于实际需求流量时，为满足生 产工艺需求目前大多采用风门控制 增加管路阻力来调节流量，此时工 作点如图1中c点。流量减小压力 增大，但风机轴功率并未减小。图1风机调速原理Fig.1Principles of Fan with Speed Control根据风机的比例定律：当输送 流体的密度不变、仅转速变化时， 输出流量、压力和轴功率与转速存 在以下关系： TOC o 1-5 h z （1-1）-（1-2）一一（1-3）改变电动机电源频率可改变电 动机转速，风机特性随转速平移， 工作点改变，如由图1中由a点移 至b点。转速减小时，流量、压力、 轴功率都随

8、之减小，风机效率提高， 实现节能。频率变化对电机效率的影响由式（1-1）可知，若风机实际 需求流量为Q，则采用变频调速时 的控制转速可表示为：（2-1）、 分别为风机额定流量、 额定转速。风机的转矩随转速平方 成正比变化，则流量Q时风机的转 矩倍数可表示为：（2-2）设 为转速为n时的控制频率。 频率改变时，电动机等效电路中的 各电抗参数不再为恒定值，而随频 率变化，若不考虑变频器输出谐波 的影响，此时电动机等效电路可用一土|叫一-阕2. JL rm图2变频时异步电机等效电路Fig.2 Equivalent Circuit of Induction Motor forFrequency Con

9、trol图中用频率比a 表示频率变化，以恒U/f变频控制为例， 则有如下关系：（2-3）-（2-4）、 为电机的额定频率和额 定电压。若要根据等效电路求出转速为 n时的电动机效率，先要求出变频 后等效电路中的未知参数a和s。根据电机学原理，转速n与频 率、转差率s、极对数p的关系为:（2-5）对于大功率电动机，可忽略定图2表示7。计算:子绕组，此时转差率s可按下式其中；额定转差率 和电机最大转矩倍数 均为电 动机已知参数，通过式（2-2）得 出。联立式（2-6）和式错误！未找 到引用源。则可求出a和s。根据等效电路图可得出：（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）其中为电机定子侧阻抗，a为转

10、子侧阻抗，a为励磁阻抗，为电机总阻抗。电机工频下的阻抗参数均为电机基本参数。将a和s代入式（2-4）、（2-7）至（2-10）可求出电压U转子电流I】、励磁电流10、转子电流I2和电机功率因数。（2-10）（2-10）（2-10）设电机输入、输出功率分别为、，由等效电路即可得出转速为n、频率为 时的电动机效率：（2-11）其中输入功率和分 别为定、转子铜损。在不考虑谐波 引起转子电阻增大的情况时，可认 为与负载变化有关。为铁损耗，是主磁 通交变引起的磁滞损耗和涡流损 耗。此处只考虑定子铁耗，用等效 电阻的损耗来表示。为风磨损耗，包括通风损耗 和摩擦损耗，与负载无关而与转速 有关。通风损耗正比于

11、n3,摩擦损 耗正比于n8，一般近似认为，即，为额定运行时的风磨损耗，一般由空 载试验得出，作为已知参数。为杂散损耗，不易计算，一 般取估算值。本文按国家标准取为O以上五种损耗均未考虑变频器 输出谐波的影响，而实际上由于谐 波影响，电机各损耗变化将更复杂， 尤其是铁损耗的变化。总的来说， 电动机总损耗会因为谐波的影响而 增加30%左右，导致效率会下降 1%-3%8。图3变频下电动机效率Fig.3Motor Efficiency under Frequency Control图3为一台带风机负载的型号 为YRKK630-6的1000kW电动机在 恒U/f控制时效率随频率的变化曲 线。从图中可以看

12、出，电机的实际 效率是随频率的降低而降低的，频 率在30Hz时效率下降明显，在低 于25Hz时，效率下迅速下降。因 此，在低频时，必须考虑电动机效率对节能效益的影响。考虑电动机实际效率的评估方法 为分析电动机效率变化对节能 效果的影响，本文在基于比例定律 的方法上考虑电机变频后的效率。 该方法的前提条件是当前工况与额 定工况满足比例定律的相似工况条 件，否则方法不适用；另外，在确 定变频后转速时，不能忽略频率范 围的限制，一般认为转速差不超过 20%时比例定律适用，转速差过大， 则比例定律就会有一定误差1，工 程计算一般认为比例定律适用范围 为60%-100%额定转速。具体评估 方法如下：假设

13、当前工况流量需求为Q， 根据记录数据直接计算得整个系统 能耗为：(3-1)其中 为电动机 能耗，、 分别为现场测量 的电机侧电压、电流和系统功率因数，为系统其它效率。保持流量Q不变，则由式(1-1) 和(1-3)得到变频后风机轴功率为：(3-2)、 分别为风机额定流量和 额定功率。则变频改造后整个系统 能耗为：(3-3)其中、分别为变频后电动 机效率、变频器效率，为系统其它 效率。变频改造后节约的能耗为：(3-4)节能率为：(3-5)关于变频器效率，一般由供应 商提供的额定值为94%-97%，而实 际在频率下降时变频器效率也会下 降。表1为西门子公司生产的罗宾 康完美无谐波系列变频器的效率与

14、转速关系。从表中看出，变频器的 效率随转矩和转速的降低而降低。 表1不同转速下的变频器效率Tab.1变频器n !CC%-nkb.CCCC4 CC- 转矩%、+ JU7 A C CL CC 4 C C 4 CCC C C 4 CrA rc c0cc c rc2074.6-85.9C 4 L E C84.9-94.8GdGFi Pi89.2-94.2CC C CC A91.5-95.JC 4 c cc c92.8-96CL c cc c84.5 9 1.0 cc c cc r-9 1 95.5CC C CL -79J.2 96.1CL CC A94.8 96.6CL r cc cJ5.6 96.9

15、 cc c r!6088.J-92.5cc nn c9J.2-95.7E C CU -795-96.4cu -7 rw?95.9-96.8 no n no n96.J-97 no 0 no n801009J-90.J91.4-9J.294.J-95.794.8-95.795.7-96.495.9-95.796.2-96.996.4-96.596.6-96.896.5-96.64.案例分析以某水泥厂窑尾风机变频改造 的节能效果评估为例，分析电动机 效率变化对节能预算结果的影响。当前电网运行电压U为9800kV，I为51.1A，功率因数为0.84。假设改造前系统其它效率=98%，则改造前系统能耗为

16、P1= / =743 kW。风机相关计算参数：额定全压 Hn为4000Pa，额定转速nN为 980rpm，额定功率 PN为 1000kW； 当前全压H为1997Pa。由式(1-2) 和(1-3)得到变频后风机转速为 692rpm，风机轴功率P=353kW。负 载转矩倍数二0.5。电动机型号为YRKK630-6,相 关计算参数：额定功率 1000kW， 额定频率fN为50Hz，额定相电压 一kV，额定转差sn为 TOC o 1-5 h z 0.01,额定效率为94.7%,额定风磨 损耗PfwN为1.19kW,最大转矩倍数 二2.2；定子电阻；定子漏抗；转子电阻、转子漏抗、励磁电阻、励磁电抗。计算

17、得到变频后的频率为 34.7Hz，电动机效率 87.6%， 与额定效率94.7%相差7个百分点。下面根据式（3-3）分四种情况 计算改造后能耗：（1）Casel：不计电动机效率，变频器效率 和系统其它效率。即、均 取100%，风机轴功率即为系统总能 耗，则 P2=353kW。（2）Case2：认为变频后电动机和变频器都 工作在额定效率。即取电动机效率 为94.7%、变频器效率 为97%， 其它效率98%。则改造后能耗为?2=392（3）Case3:考虑电动机效率变化。电动机 效率取计算所得的变频后效率 87.6%，变频器效率取额定值 97%，则改造后能耗为P2=424kW。（4）Case4：考

18、虑电动机和变频器效率变 化。即电动机效率 取87.6%，变 频器效率根据表1取0.7转速比、 0.49转矩比时的参考值95.9%。则 改造后能耗为P2=428kW。四种情况下的节能量和节能率 计算结果见表2。表2 :，F同方法预算结果对比Case1Case2Case3Case4节能量391kW351kW319kW315 kW节能率52.6%47.3%43%42.3%由表2看出，考虑电动机效率 变化的Case3比认为电动机变频后 工作在额定效率的Case2节能率下 降4个百分点之多；若再将变频器 的实际效率考虑在内，则节能率再 降低了 0.7个百分点;Casel与Case2 的节能率相差达10个百分点。由此 表明，变频后电动机的效率变化对 节能效果的影响较大，在风机变频 改造节能评估中有必要计及电动机 效率变化对节能效果的影响。5,结论随着合同能源管理机制在我国 的推广，变频节能改造项目的节能 效果评估对项目的经济可行性分析 至关重要，粗略的节能评估可能误 导投资者决策。论文对变频后电动机效率变化 做了理论推导，结果表明随着频率 下降电动机效率降低，当频率下降 到一定程度时，效率将迅速降低。 文章提出在风机变频改造节能效果 评估中，应该考虑电动机效率变化 对节