建筑電氣設(shè)計(jì)中電動機(jī)能效分析

1、引言

電動機(jī)作為風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等各種設(shè)備的動力，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、商業(yè)、公共設(shè)施等各個(gè)領(lǐng)域。電動機(jī)的用電量在世界各國的總用電量中都占有相當(dāng)大的比重。在建筑領(lǐng)域的電氣設(shè)計(jì)中，大量的中小型電動機(jī)被廣泛應(yīng)用。但客觀地說，電動機(jī)(用于空調(diào)裝置，各類冷、熱水水泵，排水泵，供熱設(shè)備，通風(fēng)機(jī)，電動卷簾等)均不是由電氣設(shè)計(jì)人員進(jìn)行選型的，其參數(shù)均由相關(guān)工藝專業(yè)所選取，包括電動機(jī)系統(tǒng)(調(diào)速方式、電機(jī)間的聯(lián)鎖動作關(guān)系等)也由工藝專業(yè)確定[1，2]。我們在這里將更多考慮影響電動機(jī)效率的因素，包括與負(fù)荷無關(guān)的損耗(常量)，隨負(fù)荷增加的損耗(變量)及設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所增加的損耗高效電動機(jī)的節(jié)能效果：以及不同的電動機(jī)系統(tǒng)對能耗的影響情況。

2、影響電動機(jī)能效的因素

電動機(jī)的效率決定于鐵芯、線圈繞組材料的選取、結(jié)構(gòu)安排以及運(yùn)行和裝配上的細(xì)心和精度。損耗可以分為兩類：與負(fù)荷無關(guān)的損耗(常量)和隨負(fù)荷增加的損耗(變量)。影響電動機(jī)能效的因素除上述電動機(jī)自身結(jié)構(gòu)因素之外，在工程設(shè)計(jì)中，也會在不當(dāng)設(shè)置電機(jī)傳動系統(tǒng)是引發(fā)電能損耗，例如，設(shè)計(jì)選取中過大的余量，在應(yīng)當(dāng)采取調(diào)速方式的場合而未采用調(diào)速方式等。

2.1線圈繞組

繞組中電阻損耗隨電流的平方增加(電流則隨負(fù)荷增加)且通常占總損耗的35％。這種損耗可以用繞組的用銅量來降低，使用粗大規(guī)格的線，同時(shí)改進(jìn)制造技術(shù)來縮短繞組的端接部分(因共對輸出功率毋庸但會產(chǎn)生損耗)。因?yàn)樵诶@組的端接部分及在定子槽內(nèi)的銅越多就需要更多的空間，所以磁路上的材料體積就要減少。這就導(dǎo)致容易飽和及使鐵損增加。結(jié)果必須增加鐵損的長度，有時(shí)還要增加鐵芯的直徑。通常增加的長度以加長電動機(jī)的不出軸的一側(cè)來提供。因?yàn)殂~耗是與負(fù)荷有關(guān)的，增加銅的成分帶來的好處對大負(fù)載是非常明顯的。

2.2鐵芯

鐵芯是電動機(jī)中成本最高的部件，故任何所用總量的增加在造價(jià)上都是不希望的。改進(jìn)其性能的關(guān)鍵是使用高性能磁鐵。需要滿足兩個(gè)性能：低的能耗和高導(dǎo)磁率，也即磁鐵材料必須是易磁化而且在磁通密度達(dá)到1.8泰斯拉是不飽和。這是當(dāng)前正進(jìn)行而有進(jìn)展的研究課題。渦流和磁滯在磁鐵中的損耗也是很重要的，可以分別用減小鐵芯片的厚度和保持磁通量來控制。改進(jìn)型磁鐵的應(yīng)用在于減小其在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)的損耗，而這在低負(fù)載時(shí)特別明顯。

2.3熱力學(xué)設(shè)計(jì)

采用熱力學(xué)設(shè)計(jì)來消除局部發(fā)熱點(diǎn)是困難的。因?yàn)闊嵩吹男纬蓮?fù)雜且組裝的各元件的熱傳導(dǎo)性能備不相同。現(xiàn)在有一種新的建模技術(shù)是人們能更好地了解這些問題。使設(shè)計(jì)者能精確地預(yù)知運(yùn)行時(shí)的溫度。從而是產(chǎn)生的電動機(jī)具有最佳冷卻，減少了氣隙偏心(增加了磁路的效率)和降低了銅耗。而低的能耗和良好的熱力學(xué)設(shè)計(jì)降低了運(yùn)行溫度從而延長了壽命。

2.4空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)

大部分電動機(jī)都是采用風(fēng)扇冷卻繞組并使得熱量散發(fā)在罩在其井表面的散熱片上。由于氣流復(fù)雜，必需使用計(jì)算機(jī)模型對風(fēng)扇和外罩進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)，以保證盡可能低的噪聲求平和盡可能高的冷卻效率。風(fēng)阻損耗可通過精心設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子來降低。

2.5最大化原則

在電動機(jī)選取原則上，很多工藝設(shè)計(jì)工程師遵循最大化原則，既考慮工藝要求中最惡劣的可能條件來選擇電動機(jī)及傳動設(shè)備。但是在實(shí)際運(yùn)行中，具體生產(chǎn)工藝狀況隨時(shí)間、產(chǎn)量，工藝改變等諸多因泰而改變，并非是選定的最大化工況。

2.6運(yùn)行負(fù)荷率

水裝、風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率都較低，一般只有40％－60％，這是由于各種原因造成的。設(shè)計(jì)原因：在工藝設(shè)計(jì)中，過分考慮了發(fā)展遠(yuǎn)景和各種因素的影響，使得在確定水泵、風(fēng)機(jī)流量和壓力時(shí)有過大的裕量，這樣在未達(dá)到設(shè)計(jì)能力前，勢必使設(shè)備運(yùn)行在“小馬拉大車”狀態(tài)而白白浪費(fèi)電能。運(yùn)行原因：由于工藝流程或條件改變，或者運(yùn)行方式發(fā)生變化，使得實(shí)際需要遠(yuǎn)低于設(shè)備的額定能力，從而使泵機(jī)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率很低。設(shè)備原因：泵機(jī)選型時(shí)，一般都要留有一定的裕度。選配電機(jī)時(shí)，叉要將所選的電機(jī)功率比實(shí)際所需的軸功率大的很多。

2.7電機(jī)等級選擇

水泵、風(fēng)機(jī)的等級很多，而配套電機(jī)的可供選擇的功率等級器少得多，往往某一型號的水泵風(fēng)機(jī)有6-8個(gè)軸功率值，而配套電機(jī)只能按最大軸功率來選取，有時(shí)還要根據(jù)最大軸功率的1.15倍來選取電機(jī)功率，這樣就造成了在選取配套電機(jī)時(shí)所達(dá)到的名義負(fù)載率也只有60％－80％左右。

3、提高電動機(jī)能效的措施

對于電動機(jī)自身結(jié)構(gòu)因素影響電動機(jī)能效的因素，電動機(jī)生產(chǎn)廠商及有關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)作了很多的工作來提高電機(jī)效率，。并已取得了很好的成績。我們在這里更多的討論設(shè)計(jì)因素造成的電機(jī)損耗。

3.1選用高效電動機(jī)

所謂電機(jī)效率，系指該電機(jī)輸出的機(jī)械能與其輸入的電能之間的比例關(guān)系，這種比例關(guān)系，通常以百分比表示。就性能而言，標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與高效電機(jī)之間存在著相當(dāng)大的差別。由于在設(shè)計(jì)，材料和制造方面擁有優(yōu)勢，高效電機(jī)在單位電力消耗上所做的工作大大超過標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)。高效電機(jī)的性能必須達(dá)到或超過美國電器制造商協(xié)會(NEMA)MGI文件規(guī)定的壘負(fù)荷效率標(biāo)準(zhǔn)。

在特定情況下高效電機(jī)的成本效益取決于若干因素，包括電機(jī)價(jià)格、效率等級、每年使用的小時(shí)數(shù)、能源使用效率、安裝成本以及安裝期間誤工時(shí)間長短、公司的投資回收標(biāo)準(zhǔn)，以及購置設(shè)備的價(jià)格是否打折等等。通過選用高效電機(jī)，節(jié)能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益能很快抵償設(shè)備更換的投資。

3.2提高電機(jī)實(shí)際負(fù)荷運(yùn)行負(fù)荷率

要提高水泵風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率，必須從設(shè)計(jì)、運(yùn)行和電機(jī)選用等幾方面同時(shí)采取措施。對電機(jī)行業(yè)來說，應(yīng)根據(jù)水泵風(fēng)機(jī)類設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)水泵風(fēng)機(jī)專用三相異步電動機(jī)的系列型譜。采用水泵風(fēng)機(jī)專用三相異步電動機(jī)后，預(yù)期水泵風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率可從目前的40％一60％提高到50％，75％，再加上該系列電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率可比Y系列提高1.64％-2.9％。如與水泵風(fēng)機(jī)配套的電機(jī)每年按1000：BKw技算，則每年可節(jié)電6億KWh。

3.3電機(jī)調(diào)速節(jié)能

通常風(fēng)機(jī)采用單速電機(jī)驅(qū)動，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速近似不變，所以風(fēng)機(jī)所提供的風(fēng)量Q也近似不變，即風(fēng)機(jī)的外特性不變。當(dāng)Q減少時(shí)，只能通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或節(jié)流閥來達(dá)到要求，也就是改變管路的風(fēng)阻Z。這是由于風(fēng)機(jī)效率n下降，對應(yīng)風(fēng)機(jī)的輸入功率基本沒有多大變化。

若電機(jī)采用多速電機(jī)驅(qū)動，可通過降低電機(jī)轉(zhuǎn)速來達(dá)到減少風(fēng)量的要求，這時(shí)電機(jī)的效率變化不大，而風(fēng)機(jī)的輸入功率僅為原來1／3左右。通過電動機(jī)調(diào)速技術(shù)的實(shí)例調(diào)查表明，采用低效調(diào)速技術(shù)的節(jié)電率為10％—25％，采用高效調(diào)速技術(shù)的節(jié)電率為20％-50％。應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的需要，采用適當(dāng)?shù)姆绞綄﹄妱訖C(jī)及其系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行

調(diào)速節(jié)能具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國約有60％是電動機(jī)所消耗的，其中風(fēng)機(jī)、水泵類裝機(jī)在其中風(fēng)機(jī)、水泵類裝機(jī)在3000萬臺以上，耗電量約占發(fā)電量的35％，如該類設(shè)備的70％需要變負(fù)荷運(yùn)行，若改造其中的50％，則可改造率為35％。即2450萬kw，年節(jié)電98億kWh，-折合396萬噸標(biāo)煤，投資回收期僅為1-2年，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益是十分可觀的。

4、結(jié)語

通過對典型建筑電氣系統(tǒng)進(jìn)行的分析，我們對于產(chǎn)生在建筑物電氣系統(tǒng)中的設(shè)備能源損耗主要存在的電動機(jī)方面的能耗進(jìn)行分析，需要根據(jù)設(shè)備具體情況來采取相應(yīng)的分析方法對其能效進(jìn)行分析。