空壓機(jī)負(fù)荷變化對(duì)電動(dòng)機(jī)效率影響的試驗(yàn)研究

王朋旺，　強(qiáng)　雄，　金惟偉，　趙　軍，　吳漢熙

(1. 上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海　200063；2. 上海電科系統(tǒng)能效檢測(cè)有限公司，上?！?00063；3. 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上?！?00092；4. 上海格立特電力電子有限公司，上海　200063)

空壓機(jī)負(fù)荷變化對(duì)電動(dòng)機(jī)效率影響的試驗(yàn)研究

王朋旺1，強(qiáng)雄2，金惟偉1，趙軍3，吳漢熙4

(1. 上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海200063；2. 上海電科系統(tǒng)能效檢測(cè)有限公司，上海200063；3. 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200092；4. 上海格立特電力電子有限公司，上海200063)

利用電機(jī)效率測(cè)試臺(tái)，按規(guī)定的低不確定度效率B法測(cè)試了不同負(fù)載情況下，普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)、效率和輸入功率的變化情況對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下配置永磁電機(jī)替代普通電機(jī)產(chǎn)生的節(jié)能效果進(jìn)行了量化分析。

空壓機(jī)； 電動(dòng)機(jī)效率； 功率因數(shù)； 試驗(yàn)研究

0　引　言

隨著能源短缺和氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)重，空壓機(jī)系統(tǒng)效率偏低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題逐漸引起人們的重視。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成了一些空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能理論并進(jìn)行了相關(guān)工程應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能研究還處于起步階段。近年來(lái)，上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司承擔(dān)了上海市重點(diǎn)耗電企業(yè)的部分電能平衡設(shè)計(jì)規(guī)劃和實(shí)施工作，通過(guò)對(duì)上海市近200家年耗電500萬(wàn)kWh以上重點(diǎn)用電企業(yè)開(kāi)展電能平衡工作后的耗電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)： 空壓機(jī)系統(tǒng)耗電量平均占到工業(yè)用電量的13.85%；容積式空壓機(jī)系統(tǒng)中起調(diào)節(jié)作用的空壓機(jī)平均加載率不到70%。這意味著空壓機(jī)的電動(dòng)機(jī)有30%的時(shí)間處于低負(fù)載率狀態(tài)運(yùn)行。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于空壓機(jī)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)主要放在滿負(fù)荷時(shí)空壓機(jī)轉(zhuǎn)換效率的提高上面，因此基本上將電動(dòng)機(jī)的效率作為固定值來(lái)處理，選取額定效率作為計(jì)算依據(jù)，國(guó)家對(duì)于空壓機(jī)的能效等級(jí)考核也只考核空壓機(jī)額定負(fù)載時(shí)的比功率。對(duì)于企業(yè)中實(shí)際運(yùn)行的空壓機(jī)系統(tǒng)而言，空壓機(jī)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化而進(jìn)行加卸載等控制方式的調(diào)整，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的效率一直處于變化之中，直接影響空壓機(jī)系統(tǒng)效率。

本文利用電機(jī)效率測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)負(fù)載模擬配置普通效率三相異步電機(jī)和永磁電機(jī)的空壓機(jī)隨負(fù)荷變化時(shí)的效率、功率因數(shù)和輸入功率的變化情況，對(duì)空壓機(jī)配備上述類型的電動(dòng)機(jī)在實(shí)際負(fù)荷變化過(guò)程中所能達(dá)到的節(jié)能效果進(jìn)行測(cè)試分析。

1　試驗(yàn)原理

電機(jī)效率測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)由正弦波變頻電源、電動(dòng)機(jī)的負(fù)載模擬及穩(wěn)定裝置、自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，能夠測(cè)試各類普通三相異步電動(dòng)機(jī)、高效和超高效三相異步電動(dòng)機(jī)、變頻電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)等的效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩等特性。電機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)控制室如圖1所示，工作原理如圖2所示。

圖1　試驗(yàn)臺(tái)控制室

圖2　電機(jī)效率測(cè)試系統(tǒng)原理圖

空壓機(jī)用電機(jī)效率測(cè)試采用GB/T 1032—2012《三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》中規(guī)定的低不確定度效率B法進(jìn)行，通過(guò)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的輸入和輸出功率以及定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機(jī)械耗，輸入功率減輸出功率得出電機(jī)的總損耗PT，再以總損耗PT減各項(xiàng)已知的損耗就得出電機(jī)的雜散損耗。通過(guò)對(duì)不同負(fù)載點(diǎn)下測(cè)得的雜散損耗值進(jìn)行線性回歸分析得出線性回歸方程，可以求得電機(jī)額定負(fù)載點(diǎn)的雜散損耗。從測(cè)量的基本原理上講，B法沒(méi)有作任何理論上的假定和測(cè)定模擬，用此法測(cè)出的是電機(jī)真正的效率及各項(xiàng)損耗。

η=(P1- PT)/P1×100%

式中：η——表示電機(jī)效率；

P1——表示電機(jī)輸入功率；

PT——表示電機(jī)各種損耗總和。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

本文選擇22kW和30kW兩種規(guī)格的普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)試驗(yàn)得出電機(jī)在不同負(fù)載時(shí)的效率、功率因數(shù)和輸入功率，分析其對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)能耗的影響，研究空壓機(jī)系統(tǒng)需求變化過(guò)程中電動(dòng)機(jī)效率變化對(duì)空壓機(jī)系統(tǒng)能耗的影響。

2.1電機(jī)效率試驗(yàn)結(jié)果和分析

22kW和30kW普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)的效率試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可知，異步電動(dòng)機(jī)的效率最高基本在92%，這已經(jīng)是目前國(guó)內(nèi)空壓機(jī)所配電動(dòng)機(jī)效率比較高的水平，但當(dāng)空壓機(jī)處于卸載狀態(tài)，電機(jī)負(fù)載率約為30%時(shí)，電機(jī)效率降低到87%，降低了約5%，下降非常明顯。永磁電動(dòng)機(jī)在整個(gè)負(fù)載變化過(guò)程中效率一直維持在約95%，因此，兩種電動(dòng)機(jī)相比，永磁電動(dòng)機(jī)在空壓機(jī)滿載時(shí)具有約3%的節(jié)能空間，在空壓機(jī)卸載時(shí)最高可以達(dá)到8%的節(jié)能效果，空壓機(jī)加卸載越頻繁，節(jié)能效果越為顯著。

圖3　22kW電動(dòng)機(jī)效率隨負(fù)載率變化曲線

圖4　30kW電動(dòng)機(jī)效率隨負(fù)載率變化曲線

2.2功率因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果和分析

22kW和30kW普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5、圖6可知，隨著空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的降低，永磁電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)一直維持在0.96(一個(gè)比較高的水平)，而異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)最高只有0.85，并且隨著負(fù)載率的降低，功率因數(shù)下降較快，在空壓機(jī)卸載點(diǎn)功率因數(shù)只有0.46，這會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無(wú)功的增加，降低了空壓機(jī)的效率。

圖5　22kW電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)隨負(fù)載率變化曲線

圖6　30kW電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)隨負(fù)載率變化曲線

2.3輸入功率試驗(yàn)結(jié)果和分析

22kW和30kW普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)的輸入功率試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7、圖8可知，空壓機(jī)用電動(dòng)機(jī)輸入功率隨著空壓機(jī)負(fù)載率的增加而增加。同等負(fù)載下，永磁電動(dòng)機(jī)的輸入功率一直低于普通異步電動(dòng)機(jī)的輸入功率。

圖7　22kW電動(dòng)機(jī)輸入功率隨負(fù)載率變化曲線

圖8　30kW電動(dòng)機(jī)輸入功率隨負(fù)載率變化曲線

3　節(jié)能效果分析

為了對(duì)比永磁電動(dòng)機(jī)替代異步電動(dòng)機(jī)的能耗減少效果，以配備22kW電動(dòng)機(jī)的排氣量為3m3/min的空壓機(jī)為例，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別得到普通異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)的輸入功率隨負(fù)載率變化的函數(shù)。普通異步電動(dòng)機(jī)輸入功率隨負(fù)載率變化的函數(shù)為

y=1582x2+21567x+866

式中：x——空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)載率；

y——空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)輸入功率。

永磁電動(dòng)機(jī)輸入功率隨負(fù)載率變化的函數(shù)為

y=949.2x2+21822x+355.2

與應(yīng)用普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)相比，應(yīng)用永磁電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到的減少輸入功率的函數(shù)為

y=632.8x2-255x+510.8

因此，當(dāng)空壓機(jī)滿載時(shí)，可節(jié)約電功率0.89kW，節(jié)電率為3.7%。當(dāng)空壓機(jī)卸載時(shí)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率有時(shí)低至40%，此時(shí)節(jié)約電功率為0.5085kW，節(jié)電率為5.2%。如果空壓機(jī)一半時(shí)間處于卸載狀態(tài)，則空壓機(jī)節(jié)能率可達(dá)4.45%，負(fù)載率為66%時(shí)節(jié)電率可達(dá)4.21%。

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)電機(jī)效率測(cè)試平臺(tái)，按規(guī)定的低不確定度效率B法對(duì)22kW和30kW兩種功率等級(jí)的普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載率時(shí)的效率、功率因數(shù)和輸入功率進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明：

(1) 與永磁電動(dòng)機(jī)在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)和效率始終保持非常高的水平相比，目前企業(yè)普遍使用的普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)保持高水平功率因數(shù)和效率的負(fù)載范圍較窄，其卸載時(shí)功率因數(shù)和效率比其自身加載時(shí)分別下降了0.39和5%；

(2) 滿載運(yùn)行時(shí)普通三相異步電動(dòng)機(jī)效率要比永磁電動(dòng)機(jī)低約3%；

(3) 選擇永磁電動(dòng)機(jī)替代普通效率三相異步電動(dòng)機(jī)，滿載時(shí)可產(chǎn)生3.7%的節(jié)電率，在負(fù)載率為66%時(shí)會(huì)產(chǎn)生4.21%的節(jié)電率。

[1]蔡茂林.空壓機(jī)能耗現(xiàn)狀及系統(tǒng)節(jié)能潛力[J].中國(guó)設(shè)備工程,2009(7)： 42-44.

[2]戴彥德，戴琳.中國(guó)電機(jī)系統(tǒng)能源效率與市場(chǎng)潛力分析[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]孫鐵源，蔡茂林.壓縮空氣系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀和節(jié)能改造[J].機(jī)床與液壓,2010,38(13)： 108-111.

[4]RADGEN P, BLAUSTEIN E. Compressed air systems in the european union[M]. Energy, Emissions, Savings Potential and Policy Actions. Germany： European Commission, 2001.

[5]FOSS R S. Improving air system efficiency(part 8)[J].Hydraulics & Pneumatics, 1999(10)： 61-62.

收稿日期： 2014-07-25

Experimental Study of the Compressor Load Modification Influence on the Motor Efficiency

WANGPengwang1,QIANGXiong2,JINWeiwei1,ZHAOJun3,WUHanxi4

(1. Shanghai Engineering Research Center for Energy Saving of Motor System Co., Ltd., Shanghai 200063, China; 2. Shanghai Seari Testing&Inspection of System Energy Efficiency Co., Ltd., Shanghai 200063, China; 3. Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai, 200092, China; 4. Shanghai GREAT Electronics Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

According to the test system of low uncertainty of motor efficiency, Test the power factor, efficiency and the input power of three-phase asynchronous motor and the permanent magnet motor at different load. Then quantitative analysis energy-savings when PM motors alternative normal motor at different load conditions of the air compressor system.

air compressor; motor efficiency; power factor; experimental study

2014-07-13

TM 306

A

1673-6540(2015)04-0066-04