電機(jī)系統(tǒng)能耗影響因素模型評價與分析*

駱　超，　馬偉斌，　趙　軍

(1. 中國科學(xué)院 廣州能源研究所，廣東 廣州　510640；2. 中國科學(xué)院 可再生能源重點實驗室，廣東 廣州　510640;3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州　510640;4. 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室(天津大學(xué))，天津　300072)

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電機(jī)系統(tǒng)能耗影響因素模型評價與分析*

駱超1,2,3,4，馬偉斌1,2,3，趙軍4

(1. 中國科學(xué)院 廣州能源研究所，廣東 廣州510640；2. 中國科學(xué)院 可再生能源重點實驗室，廣東 廣州510640;3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州510640;4. 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c實驗室(天津大學(xué))，天津300072)

以電機(jī)系統(tǒng)為研究對象，建立電機(jī)系統(tǒng)模型，基于MATLAB軟件，理論模擬了電流特性、電源質(zhì)量和負(fù)載率等對電機(jī)系統(tǒng)效率等指標(biāo)的影響；并基于層次分析法給出了不同影響因素的權(quán)重比例。結(jié)果表明： 電源質(zhì)量對電機(jī)系統(tǒng)效率影響較大，對于一般運(yùn)行負(fù)載率為0.6～1.0的電機(jī)，應(yīng)盡量注意避免在過低的電源電壓下運(yùn)行；對于短時工作制或包含起動、制動等過程工作制的電機(jī)系統(tǒng)就應(yīng)選用高起動轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。該結(jié)果為電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能診斷與潛力分析提供了一種新思路，具有指導(dǎo)意義。

電機(jī)； 電流特性； 電源質(zhì)量； 負(fù)載率； 層次分析法

0　引　言

目前，電機(jī)消耗電量正在快速增長，提高電機(jī)系統(tǒng)(包括電動機(jī)和調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng))的效率是節(jié)能工程關(guān)注的重點。通過系統(tǒng)優(yōu)化,其節(jié)能潛力可達(dá)30%～60%；我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，由此消耗的電能比例比發(fā)達(dá)國家和地區(qū)更高[1]。國內(nèi)外對電機(jī)系統(tǒng)能耗影響和技術(shù)手段都做了較多的研究。在故障診斷和效率監(jiān)測方面，沈陽航空航天大學(xué)和上海海事大學(xué)[2-3]，開發(fā)了電機(jī)系統(tǒng)故障診斷和效率監(jiān)測軟件，實現(xiàn)電機(jī)在線實時監(jiān)測，確定電機(jī)系統(tǒng)主要故障，并深入分析了故障原因，找出解決方案；鐘衍等[4]詳細(xì)分析了建筑電氣節(jié)能診斷方法的步驟和內(nèi)容，并提出建立電氣專家診斷系統(tǒng)；在節(jié)能技術(shù)實施方面，舒服華等[5]介紹了包括電機(jī)選型、提高功率因數(shù)和結(jié)構(gòu)改造方面的實用技術(shù)，電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大，為提高電機(jī)效率，達(dá)到節(jié)能目的，基于全生命周期法，提出了一套完整的電機(jī)選擇與節(jié)能分析模型[6];在電機(jī)節(jié)能控制技術(shù)方面，開發(fā)了軟起動控制系統(tǒng)，提出了最小電流點跟蹤技術(shù)的節(jié)能技術(shù)[7]；在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能服務(wù)方面，從合同能源管理的角度，提出了電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方案[8-9]。

影響電機(jī)系統(tǒng)的因素較多，并有相應(yīng)的技術(shù)措施提高電機(jī)系統(tǒng)效率，但是還缺乏基于相關(guān)理論的評估模型和權(quán)重分析，因此，有必要對電機(jī)系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行權(quán)重分析。

1　電機(jī)系統(tǒng)模型建立

電機(jī)系統(tǒng)物理模型主要包括電機(jī)和水泵，物理模型如圖1所示。電機(jī)和水泵通過傳動軸連接，電機(jī)通過電源輸入三相交流電提供動力。

圖1　電機(jī)系統(tǒng)物理模型

電機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的性能參數(shù)指標(biāo)主要包括負(fù)載系數(shù)、運(yùn)行效率和功率因數(shù)。

(1) 負(fù)載系數(shù)為電動機(jī)輸出功率與其額定功率之比(GB/T 12497—2006)：

(1)

如果無法確定Pe，則按照式(2)計算：

(2)

式中：PN——額定功率；

Pe——空載功率；

ηN——額定效率；

PEM-in——電機(jī)輸入功率，測量獲得；

β——電機(jī)的損耗因數(shù)，根據(jù)電機(jī)系列、額定功率、極數(shù)查表1即可獲取。

表1　電機(jī)的損耗因數(shù)β表

(2) 運(yùn)行效率為電機(jī)輸出功率與其輸入功率之比(GB/T 12497—2006)：

PEM-out=KPN

(3)

(4)

當(dāng)ηN=ηEM時，負(fù)載系數(shù)K達(dá)到最小值Kmin，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時，K值要大于Kmin。

ηEM>ηN時，才符合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 功率因數(shù)(GB/T 12497—2006)：

(5)

式中：PEM-in——電機(jī)輸入功率，kW，測量獲得；

UEM-in——輸入電壓，取定值380V，×10-3表示單位換算成kV；

IEM-in——輸入電流，通過測量獲得，A。

2　電機(jī)系統(tǒng)能耗影響因素分析

評價電機(jī)系統(tǒng)能耗的主要指標(biāo)包括電機(jī)及其拖動系統(tǒng)的效率。電機(jī)系統(tǒng)效率是電機(jī)輸出功率與輸入功率的比值，影響電機(jī)效率的因素有電流變化、功率因數(shù)變化、電源質(zhì)量、負(fù)載特性和負(fù)載率等。

(1) 電流對電機(jī)效率的影響。電機(jī)的電流-效率特性曲線反映了電機(jī)效率隨電流變化的特征。不同型號的電機(jī)額定狀態(tài)下效率η值不同，η的最大值也不同。用η/η額定作為電機(jī)特性曲線的一個變量，得到如圖2所示的曲線。

空載時輸出功率為0，當(dāng)負(fù)載從0增加時，電機(jī)的總損耗增加較慢，效率曲線上升很快，直到隨負(fù)載變化的可變損耗等于不變損耗時，效率達(dá)到最大值，如圖2所示。由圖2可知： 電流標(biāo)幺值I*為0.8～0.9時，效率η達(dá)到最大值為1；I*>0.6時，η較高；I*<0.6時，η開始迅速下降，直到空載狀態(tài)為0。

圖2　電機(jī)電流-效率特性曲線

(2) 電源質(zhì)量對電機(jī)效率的影響。根據(jù)GB755《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》的規(guī)定，電源電壓最大可允許±10%的偏差。由于鐵耗約與電壓的平方成正比，定子和轉(zhuǎn)子繞組電流損耗約與電壓平方成反比，因此電機(jī)效率與電壓變化的關(guān)系，將與不同負(fù)載率時，以鐵耗為主的不變損耗和定、轉(zhuǎn)子繞組電流損耗為主的可變損耗的比例有關(guān)。取一臺額定功率為40kW、4極的電機(jī)，相關(guān)參數(shù)如下：PN=40kW,IN=77.4A,ηN=90%,cosφN=0.87,實測PEM=29.4kW，IEM=55.8A。

從圖3可見，當(dāng)電機(jī)端電壓為0.85額定電壓時，額定負(fù)載時的效率下降較多，在3/4負(fù)載時效率也有一定的下降，但在1/2負(fù)載以下時，其效率則高于額定電壓時的效率。因此，對于一般運(yùn)行負(fù)載率為0.6～1.0的電機(jī)，應(yīng)盡量注意避免在過低的電源電壓下運(yùn)行。

圖3　電源電壓變化對電機(jī)效率的影響

(3) 負(fù)載特性對電機(jī)效率的影響。選用電機(jī)時，應(yīng)注意負(fù)載特性對電機(jī)能耗的影響。對于一般恒定負(fù)載連續(xù)運(yùn)行的場合，如圖4所示。從圖4可知： 電氣損耗PV不隨時間而變，因此可選用在恒定負(fù)載時損耗低、效率高的電機(jī)。對于負(fù)載特性為周期性工作制，如圖5所示。從圖5可知： 短時工作制或包含起動、制動等過程的工作制，其損耗PV由起動加速的損耗和恒定負(fù)載的損耗組成，選用電機(jī)時，就應(yīng)選用高起動轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。

圖4　連續(xù)工作

圖5　斷續(xù)周期工作

(4)負(fù)載率對電機(jī)效率的影響。圖6所示為一臺電機(jī)的兩種設(shè)計所對應(yīng)的效率與負(fù)載率的關(guān)系曲線。曲線A為空載損耗P0=0.03PN，電機(jī)可變損耗PLN=0.08PN；曲線B為空載損耗P0=0.06PN，電機(jī)可變損耗PLN=0.05PN。由圖6可見，兩種設(shè)計的效率曲線相差較大，高空載損耗的效率最高點發(fā)生在負(fù)載率為1.095接近額定功率處；低空載損耗的效率最高點發(fā)生在負(fù)載率為0.612處，并且負(fù)載率在0.5～1.0的范圍內(nèi)，效率較高。由于電機(jī)大多運(yùn)行在負(fù)載率為0.6～1.0的范圍內(nèi)，因此，高效率電機(jī)均采用低空載損耗設(shè)計，具有曲線A的效率曲線。另外，從圖6可見，不論何種設(shè)計，當(dāng)負(fù)載率低于0.5以后，電機(jī)效率急劇下降，因此選用電機(jī)效率的負(fù)載率不能過低。

圖6　電機(jī)效率和負(fù)載率的關(guān)系

3　評價方法及模型分析

3.1層次分析法

影響電機(jī)系統(tǒng)效率的因素較多，采用傳統(tǒng)的評價指標(biāo)和方法，由于指標(biāo)分散，結(jié)果影響各有不同，很難從總體上得出全面、客觀、綜合的結(jié)論，要作進(jìn)一步評價必須構(gòu)建綜合評價模型，分析各影響因素的權(quán)重。層次分析法分為以下四個步驟：

(1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型。明確所要解決的問題，搞清楚問題所涉及的因素以及各因素之間的相互關(guān)系。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)有m個目標(biāo)(方案或元素)，根據(jù)某一準(zhǔn)則，將這m個目標(biāo)兩兩進(jìn)行比較。層次分析法在對指標(biāo)的相對重要性進(jìn)行評判時，引入了九分位的比例標(biāo)度，如表2所示。

表2　相對重要性的比例標(biāo)度

注： 取8、6、4、2、1/2、1/4、1/6、1/8為上述評價值的中間值。

(3) 判斷矩陣的一致性檢驗。對于每一層次作單準(zhǔn)則排序時，均需要作一致性的檢驗。對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗，首先計算一致性指標(biāo)C.I，計算公式：

(6)

式中：λmax——矩陣最大特征向量值；

n——矩陣階數(shù)。

計算一致性比率C.R，計算公式：

(7)

查找相應(yīng)的隨機(jī)一致性指標(biāo)(R.I)，給出判斷結(jié)果，如表3所示。當(dāng)C.R<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修改。

表3　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

(4) 層次排序，給出決策排名。

3.2影響因素評價模型及分析

建立評價模型的目標(biāo)是分析影響電機(jī)系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素，并對其排序。通過上述分析，電機(jī)系統(tǒng)供選擇的影響因素主要有： 電流特性、電源質(zhì)量、負(fù)載特性、負(fù)載率、泵/風(fēng)機(jī)阻力；考慮的主要因素包括： 鐵損耗、銅損耗、機(jī)械損耗。電機(jī)能耗影響因素構(gòu)建評價模型如圖7所示。

圖7　電機(jī)系統(tǒng)能耗因素評價模型

根據(jù)上述影響因素分析結(jié)果，以及層次分析法中相對重要性比例標(biāo)度原則，構(gòu)造準(zhǔn)則層對目標(biāo)的成對比較矩陣A。對目標(biāo)矩陣A的各列進(jìn)行歸一化處理后，得到矩陣A的特征值λA和權(quán)重系數(shù)分別ωA為

目標(biāo)矩陣A的最大特征向量λmax和一致性指標(biāo)C.I分別為

λmax=3.07,C.I=0.033

一致性比率C.R=C.I/R.I=0.063<0.1，矩陣A通過一致性驗證。

構(gòu)造方案層： 電流特性、電源質(zhì)量、負(fù)載特性、負(fù)載率、泵/風(fēng)機(jī)阻力；對準(zhǔn)則層： 鐵損耗、銅損耗、機(jī)械損耗的目標(biāo)矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)為

對第二層次目標(biāo)矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)，歸一化處理后，得到特征向量和權(quán)重分別記為λB1、λB2、λB3和ωB1、ωB2、ωB3：

第二層次目標(biāo)矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)的一致性指標(biāo)C.IB1、C.IB2、C.IB3和一致性比率C.RB1、C.RB2、C.RB3分別為C.IB1=0.008，C.RB1=0.07；C.IB2=0.097，C.RB2=0.087；CIB3=0.079，C.RB3=0.071；第二層次目標(biāo)矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)均通過一致性驗證。

第二層次目標(biāo)矩陣B1(5)、B2(5)、B3(5)的權(quán)重組成新的矩陣ωB，層次總目標(biāo)排序為ωB和ωA的乘積：

通過層次分析評價模型和計算，影響電機(jī)及其拖動系統(tǒng)能耗的5個主要影響因素： 電流特性、電源質(zhì)量、負(fù)載特性、負(fù)載率、泵/風(fēng)機(jī)阻力，所占的權(quán)重分別為28.48%、44.00%、6.00%、14.23%、7.29%。即對電機(jī)能耗影響因素從大到小依次為電源質(zhì)量、電流特性、負(fù)載率、泵/風(fēng)機(jī)阻力、負(fù)載特性。上述影響因素為電機(jī)能耗節(jié)能診斷奠定了基礎(chǔ)，在電機(jī)能耗診斷過程中，可以依次按照上述排序?qū)﹄姍C(jī)能耗進(jìn)行診斷，根據(jù)診斷測試數(shù)據(jù)進(jìn)行性能指標(biāo)計算和對標(biāo)。

4　結(jié)　語

本文分析了影響電機(jī)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素，并基于層次分析法，給出了各關(guān)鍵因素的權(quán)重比例，為電機(jī)能耗診斷提供了一種新思路。

電源質(zhì)量對電機(jī)系統(tǒng)效率影響較大，對于一般運(yùn)行負(fù)載率為0.6～1.0的電機(jī)，應(yīng)盡量注意避免在過低的電源電壓下運(yùn)行；對于短時工作制或包含起動、制動等過程的工作制的電機(jī)系統(tǒng)就應(yīng)選用高起動轉(zhuǎn)矩的電機(jī)。

影響電機(jī)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素及其權(quán)重依次為電源質(zhì)量(44.00%)、電流特性(28.48%)、負(fù)載率(14.23%)、泵/風(fēng)機(jī)阻力(7.29%)、負(fù)載特性(6.00%)，為電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能診斷提供量化依據(jù)。

[1]陳偉華，李秀英，姚鵬.電機(jī)及其系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)發(fā)展綜述[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35(4)： 1-5.

[2]劉翀.電機(jī)系統(tǒng)故障診斷和效率監(jiān)測的設(shè)計開發(fā)與實現(xiàn)[D].沈陽： 沈陽航空航天大學(xué)，2011.

[3]朱建山.異步電機(jī)故障診斷方法研究與應(yīng)用[D].上海： 上海海事大學(xué)，2007.

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Evaluation Model Study of Energy Consumption Factor for Motor*

LUOChao1,2,3,4，MAWeibin1,2,3，ZHAOJun4

(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Science, Guangzhou 510640, China; 3. Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 4. Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy (Tianjin University), Ministry of Education, Tianjin 300072, China)

Based on the model of motor system, the effect of current characteristics, power quality and load ration on motor energy consumption were studied. The results showed that the motor systems of different optimized parameters were of different weighting factor based on analytic hierarchy process method. Power quality had an crucial effect on the motor efficiency. Pump frequency conversion technologies were the main energy efficiency measurements for motor system. The results provided an evaluation method for the motor system construction.

motor; current characteristics; power quality; load ration; analytic hierarchy process

廣東省科技計劃項目(2013B091500087)： 典型用能系統(tǒng)節(jié)能診斷技術(shù)研究與應(yīng)用

駱超(1982—)，男，在職博士研究生，助理研究員，研究方向為電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能診斷技術(shù)及節(jié)能效益評估。

TM 312

A

1673-6540(2016)08- 0098- 06

2016-03-25