電動機(jī)變工況節(jié)能評價技術(shù)初步研究

趙立華， 潘文文， 李榮軍， 段彥敏

（1.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院， 北京 100007； 2.上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司， 上海 200063；3.機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金會， 北京 100045）

0 引言

電機(jī)系統(tǒng)是用電量最大的終端用能設(shè)備， 電機(jī)的總耗電量占全社會總用電量的64%左右， 工業(yè)領(lǐng)域的電機(jī)用電量占工業(yè)用電的75%左右[1-2]，工業(yè)領(lǐng)域電機(jī)能效每提升1 個百分點(diǎn)，可年節(jié)約用電400 億kWh 左右，推動電機(jī)系統(tǒng)能效提升意義重大。

電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能主要有三個方面， 一是提高電動機(jī)本身的效率， 這方面隨著我國發(fā)布最新的GB 18613-2020標(biāo)準(zhǔn)中3 級等同于IEC 60034-30-1 中的IE3，2 級等同于IE4，1 級等同于IE5，我國電動機(jī)本身的能效達(dá)到世界先進(jìn)水平；二是電動機(jī)的運(yùn)行管理，針對運(yùn)行中電動機(jī)系統(tǒng)的工況變化、設(shè)備老化、非正常操作等方面狀況，及時淘汰更換老舊設(shè)備，強(qiáng)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理；三是改善電動機(jī)與負(fù)載的配合，如功率配合、轉(zhuǎn)速配合和機(jī)械特性配合等[3]。 提高電動機(jī)本身的額定效率是基礎(chǔ)，做好實(shí)際運(yùn)行的匹配和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是電機(jī)系統(tǒng)能效提升的重要保障。因此，有效衡量電動機(jī)效率，尤其是實(shí)際運(yùn)行的電動機(jī)能效水平， 開展電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能評價與認(rèn)證是推動電機(jī)系統(tǒng)能效提升的重要基礎(chǔ)工作。

1 電動機(jī)節(jié)能評價與認(rèn)證

GB 755-2008/IEC60034-1：2004《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》、GB/T 1032-2012 《三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法》、GB/T 12497-2006《三相異步電動機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》、GB 18613-2012《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及能效等級》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三相異步電動機(jī)產(chǎn)品的各種性能指標(biāo)和產(chǎn)品檢驗(yàn)方法。GB 18613 中規(guī)定三相異步電動機(jī)采用GB/T 1032 B法損耗分析法規(guī)定進(jìn)行效率測試[4]。

世界各國都在積極推進(jìn)節(jié)能認(rèn)證方面的工作， 并取得了一定實(shí)踐成果，如歐盟的白色認(rèn)證體系、美國的“能源之星”節(jié)能認(rèn)證制度、韓國的“能效標(biāo)識”節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證制度等。而對于電機(jī)的節(jié)能認(rèn)證，各國采用的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)亦不相同，美國采用IEC 60034-30，歐盟對通風(fēng)機(jī)采用ErP認(rèn)證，其采用標(biāo)準(zhǔn)為ISO 12759。在電機(jī)能效測試方面，各國大多采用基于測量各損耗分量進(jìn)而求取效率的損耗分析法， 比如美國采用IEEE 112B 標(biāo)準(zhǔn)， 歐洲采用IEC 60034-2，日本采用JEC 37，澳大利亞采用IEC 61972[5]。

上述節(jié)能評價或認(rèn)證僅在額定設(shè)計工況下對電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行檢測，但電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜，往往根據(jù)負(fù)荷需求變化處于變工況運(yùn)行， 以上評價或認(rèn)證方式不能真實(shí)評估電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際能效水平。據(jù)統(tǒng)計，我國電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率比國外先進(jìn)水平低10～20 個百分點(diǎn)， 這與電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷狀況變化大[6]和開始選型時的節(jié)能評估具有重要關(guān)聯(lián)。因此，建立電機(jī)變工況條件下的綜合節(jié)能評價體系意義重大。

2 電動機(jī)效率與負(fù)荷及頻率的影響分析

圖1 電動機(jī)效率與負(fù)載率的關(guān)系示意圖

電動機(jī)的效率和功率因數(shù)跟負(fù)載密切相關(guān)[7-9]，如圖1 所示。圖中A、B 分別為兩種不同的設(shè)計效率曲線，兩者額定功率時的總損耗相同，但A 曲線空載損耗小，可變損耗（定、轉(zhuǎn)子繞組電流損耗和負(fù)載雜耗）較大，B 曲線空載損耗較大，可變損耗較小。 兩者額定工況時的效率相同，但A 曲線在負(fù)載40%～100%均有較高的效率，B 曲線則低于90%負(fù)載后效率快速下降。 考慮電機(jī)實(shí)際是在非固定工況下運(yùn)行，應(yīng)采用A 設(shè)計，或者在選取電機(jī)時采用A設(shè)計曲線的產(chǎn)品。 但依照目前測試標(biāo)準(zhǔn)，兩者額定效率相同，無法有效區(qū)分。 從圖中同樣發(fā)現(xiàn)，不論何種設(shè)計曲線，當(dāng)負(fù)載低于50%時，電動機(jī)的效率都會大幅度下降，因此在選用電機(jī)時負(fù)載率不能過低。 同時，在設(shè)計運(yùn)行中為了改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，需要通過調(diào)頻的方式改變電機(jī)的輸入頻率，從而有必要開展頻率變化對電機(jī)運(yùn)行效率的研究。

3 電動機(jī)變工況節(jié)能評價研究

3.1 電動機(jī)定頻變負(fù)荷節(jié)能評價研究

基于以上分析，采用多個負(fù)載點(diǎn)效率測評的綜合評價方法，能夠全面評估電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行能效水平。 李榮軍[10]研究了變工況條件下電動機(jī)效率與功率因數(shù)的關(guān)系，提出采用不同工況點(diǎn)下的電機(jī)效率和功率因數(shù)作為電動機(jī)的節(jié)能評價指標(biāo)；潘文文[11]采用中小型電機(jī)設(shè)計值與實(shí)驗(yàn)室測試的方法分別研究了190 余臺典型三相異步電動機(jī)分別在不同運(yùn)行負(fù)荷下的效率， 通過測試22kW 四級電動機(jī)25%～150%工況下的效率和功率因數(shù)等參數(shù)，分析確定了以50%、75%和100%為變工況測試點(diǎn)， 并與效率設(shè)計值和效率容差值進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)100%工況的測試效率值均符合標(biāo)準(zhǔn)效率容差要求，75%工況下的效率值最高，50%工況下效率變化較大，但仍有近70%的數(shù)據(jù)在設(shè)計值容差范圍內(nèi)， 并得出采用三相異步電動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計值作為50%和75%工況點(diǎn)的節(jié)能評價值。

在此基礎(chǔ)上， 研究形成了11kW、22kW、55kW、90kW四種常用電機(jī)在50Hz 運(yùn)行下的變工況節(jié)能評價值，其同時要求電機(jī)在50%、75%和100%工況點(diǎn)下的效率和功率因數(shù)均滿足節(jié)能評價值要求才能評價為節(jié)能電機(jī)。 具體參數(shù)如表1 所示。 表中，效率容差：-0.15（1-η）；功率因數(shù)容差：-（1-cosφ）/6，最少-0.02，最多-0.07。

表1 典型電動機(jī)變負(fù)荷節(jié)能評價參考值

3.2 55kW 四極電機(jī)變頻變負(fù)荷節(jié)能評價研究

選定常用的55kW 四極電機(jī)， 按照GB/T 1032-2012測試方法， 分別測試電動機(jī)在30Hz、40Hz、50Hz 運(yùn)行下，不同負(fù)載（50%、75%、100%、125%和150%）時的效率和功率因數(shù)， 參照3.1 節(jié)中利用設(shè)計值作為對應(yīng)負(fù)荷節(jié)能評價值，并通過加權(quán)平均的方式，確定了55kW 四極電機(jī)變頻變負(fù)荷節(jié)能評價指標(biāo)值，如表2 所示。 表中，η、cosΦ 分別代表電機(jī)在額定功率運(yùn)行下的效率、功率因數(shù)。

表2 55kW 四極電機(jī)變頻變負(fù)荷節(jié)能評價指標(biāo)值

計算公式：

式中：a150—電機(jī)在50Hz 運(yùn)行下，50%負(fù)載下的運(yùn)行值；a140—電機(jī)在40Hz 運(yùn)行下，50%負(fù)載下的運(yùn)行值；a130—電機(jī)在30Hz 運(yùn)行下，50%負(fù)載下的運(yùn)行值；a250—電機(jī)在50Hz 運(yùn)行下，75%負(fù)載下的運(yùn)行值；a240—電機(jī)在40Hz 運(yùn)行下，75%負(fù)載下運(yùn)行值；a230—電機(jī)在30Hz 運(yùn)行下，75%負(fù)載下的運(yùn)行值；a350—電機(jī)在50Hz 運(yùn)行下，100%負(fù)載下的運(yùn)行值；a340—電機(jī)在40Hz 運(yùn)行下，100%負(fù)載下的運(yùn)行值；a330—電機(jī)在30Hz 運(yùn)行下，100%負(fù)載下的運(yùn)行值；a450—電機(jī)在50Hz 運(yùn)行下，125%負(fù)載下的運(yùn)行值；a440—電機(jī)在40Hz 運(yùn)行下，125%負(fù)載下的運(yùn)行值；a430—電機(jī)在30Hz 運(yùn)行下，125%負(fù)載下的運(yùn)行值；a550—電機(jī)在50Hz 運(yùn)行下，150%負(fù)載下的運(yùn)行值；a540—電機(jī)在40Hz 運(yùn)行下，150%負(fù)載下的運(yùn)行值；a530—電機(jī)在30Hz運(yùn)行下，150%負(fù)載下的運(yùn)行值；A1—電機(jī)在30、40、50Hz運(yùn)行下，50%負(fù)載下的綜合數(shù)值；A2—電機(jī)在30、40、50Hz 運(yùn)行下，75%負(fù)載下的綜合數(shù)值；A3—電機(jī)在30、40、50Hz 運(yùn)行下，100%負(fù)載下的綜合數(shù)值；A4—電機(jī)在30、40、50Hz 運(yùn)行下，125%負(fù)載下的綜合數(shù)值；A5—電機(jī)在30、40、50Hz 運(yùn)行下，150%負(fù)載下的綜合數(shù)值；A—電機(jī)在變工況條件運(yùn)行下的綜合指標(biāo)。

4 結(jié)論

電機(jī)系統(tǒng)是耗電量最大的終端設(shè)備， 提高電機(jī)系統(tǒng)特別是實(shí)際運(yùn)行的電機(jī)系統(tǒng)能效水平對工業(yè)綠色高質(zhì)量

發(fā)展和實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)意義重大。 電機(jī)實(shí)際運(yùn)

行的工況持續(xù)變化， 以額定工況單點(diǎn)能效來作為電機(jī)的節(jié)能評價值不能完整評價電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行能效。 本文以常用的電機(jī)為例， 開展定頻變負(fù)荷和變頻變負(fù)荷的初步研究，提出了電動機(jī)變工況節(jié)能評價方法和評價值，并設(shè)定了對應(yīng)的容差值， 對豐富和完善電動機(jī)節(jié)能評價技術(shù)

體系具有重要意義。