熱力站變頻電機(jī)系統(tǒng)能耗特性分析

包頭東華熱電有限公司 邱建東華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 李寧輝

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熱力站變頻電機(jī)系統(tǒng)能耗特性分析

包頭東華熱電有限公司 邱建東
華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 李寧輝

【摘要】現(xiàn)有熱力站監(jiān)測系統(tǒng)僅對電機(jī)工作頻率、泵出口壓力及流量進(jìn)行監(jiān)測，對電機(jī)系統(tǒng)能耗特性缺乏相關(guān)研究。為了獲得熱力站變頻電動機(jī)系統(tǒng)的能耗特性，本文以我廠典型熱力站變頻電機(jī)系統(tǒng)為實(shí)例，對其能耗特性進(jìn)行了現(xiàn)場測試分析，獲得了熱力站變頻電機(jī)系統(tǒng)能耗特性，為后續(xù)節(jié)能改造提供了重要支持。

【關(guān)鍵詞】熱力站；變頻電機(jī)；能耗

1　引言

變頻調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣的有點(diǎn)，廣泛適用于風(fēng)機(jī)和水泵等流體類負(fù)載的節(jié)能應(yīng)用[1-3]。然而，目前，實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)屬于交-直-交變頻器，其在整流和逆變環(huán)節(jié)會產(chǎn)生大量諧波，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)和電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生額外的諧波損耗，對于這種情況，如果變頻器使用不當(dāng)，會引起系統(tǒng)損耗的增加低于采用變頻器后的系統(tǒng)節(jié)電量，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行能效降低[4]。因此，有必要對變頻電機(jī)系統(tǒng)的能耗特性進(jìn)行分析，這對變頻電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造具有重要意義。

2　典型變頻電機(jī)系統(tǒng)

與恒功率負(fù)載和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性不同，熱力站泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，文中選擇我廠五種常見電機(jī)共36臺進(jìn)行分析，額定功率分別為15kW（2臺）、22kW（8臺）、30kW（8臺）、37kW（13臺）、45kW（5臺）。其中15kW的電機(jī)數(shù)據(jù)較少，以這五種電機(jī)為例，對其運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測。在實(shí)際運(yùn)行中，受限于小區(qū)入住率等現(xiàn)實(shí)原因，導(dǎo)致供暖熱力站電機(jī)不需要額定出力，多數(shù)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行頻率都大大低于工頻，電機(jī)普遍處于大馬拉小車的輕載運(yùn)行工況，因此，熱力站通常采用變頻器驅(qū)動電機(jī)，用于降低系統(tǒng)能耗。但對于變頻電機(jī)系統(tǒng)的能耗情況，仍缺乏相應(yīng)研究，文中對不同電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行頻率進(jìn)行實(shí)測分析，得如下結(jié)論：

1）實(shí)測中8臺22kW電機(jī)的運(yùn)行頻率較為分散，主要在31.7Hz、37.6Hz、40.4Hz、43.8Hz以及49.9Hz等節(jié)點(diǎn)附近。

2）實(shí)測中8臺30kW電機(jī)的運(yùn)行頻率主要在34.9Hz、43.9Hz以及49.9Hz等節(jié)點(diǎn)附近，其中有5臺電機(jī)運(yùn)行頻率在49.9Hz左右，基本接近滿載，但與其相對應(yīng)的輸入功率卻從25.8kW增到30.7kW。

3）實(shí)測中13臺37kW電機(jī)的運(yùn)行頻率主要分布在35.8Hz、37.4Hz、45.8Hz、47.1Hz以及49.5Hz附近。

4）實(shí)測中5臺45電機(jī)的運(yùn)行頻率在32.4Hz、39.7Hz、47.0Hz、48.8Hz附近。

3　負(fù)載率情況

由于現(xiàn)場電機(jī)輸出功率難以直接測試，測試過程中只能采取近似方法求得，即通過測得電機(jī)的輸入功率即變頻器的輸出功率，通過歸算到電機(jī)輸入側(cè)得到負(fù)載率表達(dá)式為：負(fù)載率=實(shí)際輸入功率/(額定功率/額定效率)。根據(jù)前述所測試的數(shù)據(jù)，對其負(fù)載率分析可得如下結(jié)論：

1）負(fù)載率β≦0.5的有12臺電機(jī)；0.5≦β≦0.7的有9臺；0.7≦β≤1的有15臺。

2）變頻器效率隨電機(jī)負(fù)載率減小而減小，當(dāng)0.7≦β≤1時，效率η基本在0.92以上且相對較為平滑；當(dāng)0.5≦β≤0.7時，效率相比之前要減小，但降幅也不是很明顯；當(dāng)0.5≦β≤0.1時，效率已經(jīng)很低了，且負(fù)載率越低，降幅越大。電機(jī)負(fù)載率低于0.5時，變頻器效率可能低于0.9，負(fù)載率再低的話，效率將非常低。所以從電機(jī)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，建議電機(jī)負(fù)載率高于0.5，低于半載后，系統(tǒng)效率較低，系統(tǒng)不是最佳匹配，運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。

圖1　負(fù)載率與實(shí)際效率曲線

4　能耗特性分析

由統(tǒng)計(jì)可知，f≤40Hz的有共有12臺電機(jī)，40Hz≤f≤45Hz的有4臺，40Hz≤f≤50Hz的有20臺。當(dāng)運(yùn)行頻率大于45Hz時，電機(jī)負(fù)載率均在0.6以上，尚屬可接受的范圍內(nèi)。運(yùn)行頻率低于40Hz時，電機(jī)的負(fù)載率其實(shí)已經(jīng)低于0.5了，這種運(yùn)行狀態(tài)不經(jīng)濟(jì)。

在頻率從31Hz變化到50Hz的范圍內(nèi)，變頻器效率在0.75到1的范圍內(nèi)變化。當(dāng)變頻器輸出頻率低于40Hz左右時，其效率將低于0.9。頻率低于37Hz時，效率將低于0.85。電機(jī)每天24小時連續(xù)不間斷的工況運(yùn)行幾個月，其用電量是相當(dāng)大的，如果熱力站的電機(jī)長期處于此種輕載工況下運(yùn)行，其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步完善。

此外，有些變頻器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行在49Hz以上，這種情況下，電機(jī)基本處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，采用變頻器驅(qū)動時，變頻器自身的損耗和其產(chǎn)生的諧波對電機(jī)的能效也會產(chǎn)生影響，因此，這種情況下，也有一定節(jié)能空間。

5　結(jié)語

綜上，從電機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性考慮建議變頻供電時頻率最好不低于37Hz。低于37Hz后，電機(jī)系統(tǒng)效率較低，系統(tǒng)不是最佳匹配，不經(jīng)濟(jì)。此外，當(dāng)電機(jī)處于滿載運(yùn)行工況時，采用變頻器驅(qū)動系統(tǒng)也具有一定節(jié)能空間。

參考文獻(xiàn)

[1]楊淡,竇滿峰.VVVF變頻驅(qū)動高功率密度異步電機(jī)的電源諧波研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2006,10(1):49-52

[2]王紅艷.變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用淺析[J].礦山機(jī)械,2010,37(2):40-42.

[3]黃海,李百雅,等.基于最小開關(guān)損耗的SVPWM調(diào)制技術(shù)[J].自動化與儀表,2007,26(1):5-9.

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