电机效率变化对变频改造节能效果的影响分析

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EffectofMotorEfficiencyonEnergysavingEstimationofFrequencyConversionretrofitsXu-yuanDing1,Lin-Cheng2,Yao-nianLiu31、3.：Dept.ofElectricalEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin,China;2：Dept.ofElectricalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,ChinaAbstract:Transformationoffanwithfrequencycontrolisthekeypointofenergyconservationprojectinmotorsystem,andenergysavingestimationisoneofthemostimportantpartsofthetransformation.Thepresentestimationmethoddidnotconsidertheeffectofmotorefficiencyvaryingwithfrequencycontrol,butthederivationinthepaperindicatedthevariationofmotorefficiencyisobvious.Therefore,theeffectshouldbeconsidered.Thecasestudyshowedtheeffecttakenontheresultsoftheestimationdemonstratingitisnecessarytoconsiderthemotorefficiencyinenergysavingestimation.Keywords:fan;frequencycontrol;energysavingestimation;motorefficiency引言：我国风机与泵的耗电量已占到全国总消费电能的40%以上[1]。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，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。aR流流Qn1n2流流HQaQbHaHbR’Cb图1风机调速原理Fig.1PrinciplesofFanwithSpeedControl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：（1-1）（1-2）（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、轴功率都随之减小，风机效率提高，实现节能。2.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图2表示[7]。r1αx1αx2'rmαxmr2'/sU1
·I1I2'···I0图2变频时异步电机等效电路Fig.2EquivalentCircuitofInductionMotorforFrequencyControl图中用频率比表示频率变化，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，可忽略定子绕组，此时转差率s可按下式计算：（2-6）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（2-5）则可求出和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，为转子侧阻抗，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。将和s代入式（2-4）、（2-7）至（2-10）可求出电压U1、转子电流I1、励磁电流I0、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n3，摩擦损耗正比于n[8]，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。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.3MotorEfficiencyunderFrequencyControl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。3.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.1FrequencyConverterEfficiency变频器效率%%转速20406080100转矩%2074.6-85.984.9-94.889.2-94.291.5-95.392.8-964084.5-91.091-95.593.2-96.194.8-96.695.6-96.96088.3-92.593.2-95.795-96.495.9-96.896.3-978093-90.394.3-95.795.7-96.496.2-96.996.6-96.810091.4-93.294.8-95.795.9-95.796.4-96.596.5-96.64.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P1=/=743kW。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=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kV，额定转差sN为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=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）Case1：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P2=392kW。（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：不同方法预算结果对比Case1Case2Case3Case4节能量391kW351kW319kW315kW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；Case1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