風機、水泵類負載電動機的高效節(jié)能運行模式探討

張?zhí)煊?/p>

（濟寧市兗州區(qū)節(jié)能監(jiān)察大隊，山東 濟寧 272100）

在各類風機調(diào)速方式中，變頻調(diào)速應(yīng)用廣泛，但是其本身效率較低，如何確保異步電動機調(diào)速范圍的優(yōu)化及運行效率的提升是本文研究的重點，風機功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，本文正是利用這種關(guān)系對異步電動機變頻調(diào)速的運行效率進行深入剖析，并基于此提出一種有效的異步電動機高效運行的方式。

1 電動機高效節(jié)能運行的可行性

電壓適當降低有助于提高輕載運行模式電動機的經(jīng)濟性與適應(yīng)性，輕載運行狀態(tài)的轉(zhuǎn)子電流較小，電壓降低運行并不會導(dǎo)致電動機能耗超出合理范圍，同時，降壓運行后，空載電流和鐵耗都會隨之降低，定子電流將低于正常電壓，從而使電動機總損耗降低、工作效率提升，定子溫升和功率因數(shù)大大優(yōu)化。

2 風機、水泵類負載電動機節(jié)能運行模式

銅損、鐵損、機械損耗和雜散損耗等均屬于異步電動機穩(wěn)態(tài)運行的損耗，由于其中機械損耗和雜散損耗數(shù)量較小且計算較難，可忽略不計，電動機總損耗只包括銅損和鐵損。異步電動機具有較勵磁阻抗小的漏阻抗，漏阻抗可以忽略不計，則電動機轉(zhuǎn)子電流與定子電流相等，且銅耗與電流平方成正比，計算公式為：

式（1）中：IrN為額定頻率下電動機電流；PCuN為額定頻率下電動機銅耗；Ir為負載相同而頻率不同時電動機電流；PCu為負載相同而頻率不同時電動機銅耗。

額定狀態(tài)電動機轉(zhuǎn)矩為：

實際狀態(tài)電動機轉(zhuǎn)矩為：

式（2）（3）中：m為電機相數(shù)；p為電機級數(shù)；Rτ為轉(zhuǎn)子電阻折算值；U1為任一狀態(tài)電動機定子側(cè)電壓；U1N為額定狀態(tài)電機定子側(cè)電壓；f1為任一狀態(tài)電動機定子側(cè)電源頻率；f1N為額定狀態(tài)電動機定子側(cè)電源頻率；S為任一狀態(tài)電動機轉(zhuǎn)差率；SN為額定狀態(tài)電動機轉(zhuǎn)差率。

風機類負載電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，則：

通過式（2）（3）（4）（5）可以概括出電動機調(diào)速系統(tǒng)中電壓調(diào)節(jié)系數(shù)αu與頻率調(diào)節(jié)系數(shù)αf的函數(shù)關(guān)系，公式為：

電動機設(shè)計理論表明，電動機鐵耗與磁冪平方與頻率的1.5次方之間均成正比，公式為：

式（7）中：PFe為任意頻率所對應(yīng)的鐵耗；PFeN為額定頻率所對應(yīng)的鐵耗。

電動機端電壓與磁通和頻率之乘積成正比，公式如下：

結(jié)合式（7）（8），可以將電動機額定電壓、額定頻率及額定負載所對應(yīng)的銅耗、鐵耗與任意電壓、任意頻率及任意負載所對應(yīng)的銅耗、鐵耗的數(shù)量關(guān)系表示為：

影響電動機鐵耗的主要因素是磁冪和電源頻率，當電動機運行于額定電壓和額定頻率下時，鐵耗將保持不變，由于電機轉(zhuǎn)矩T=kIrФm，轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子電流Ir成正比，結(jié)合式（1）便可得到下列函數(shù)關(guān)系：

式（10）中：βN為額定電壓、額定頻率與額定負載所對應(yīng)的電動機銅耗與鐵耗之比；β為實際電壓、實際頻率與實際負載所對應(yīng)的電機銅耗與鐵耗之比。

轉(zhuǎn)矩之比可以具體化為功率之比，所以，式（10）可以變形為：

式（11）中：Km為負載系數(shù)，表示實際負載對應(yīng)功率與額定負載對應(yīng)功率之比，即Km=P/Pm.

隨電壓變動時受頻率協(xié)調(diào)調(diào)控的電機總能耗為：

對式（12）中調(diào)節(jié)系數(shù)αu求異，且令可將定頻降壓模式下電壓與頻率的數(shù)量關(guān)系表示如下：

式（13）中的電壓調(diào)節(jié)系數(shù)所對應(yīng)的是電機損耗最低的調(diào)控模式，在該控制模式下實際銅耗與鐵耗相等，且損耗最低。當電機設(shè)計值βm∈（1.2，2.0）及電機負載系數(shù)Km已知的情況下，便可將定頻降壓控制下的電壓與頻率的函數(shù)關(guān)系表示出來，在定頻降壓調(diào)控模式下，則：

為了防止磁路飽和的發(fā)生，式（13）所給出的調(diào)控模式必須滿足αu≤αf，也即，所以可得：

由式（15）可以看出，在額定電壓和滿載負荷情況下，電動機按照額定降壓調(diào)控模式運行的過程中，電機在既定轉(zhuǎn)速的磁路上可能已達飽和狀態(tài)。所以，在定頻降壓控制模式運用時，為了提高電機運轉(zhuǎn)效率，應(yīng)降低其負載系數(shù)，即Km≤1/，雖然電機容量并未充分利用，但運行過程中損耗已降至最低，對于長期運行的電機具有較大的經(jīng)濟價值。如果當配套性機械設(shè)備的負載過大而導(dǎo)致電機負載系數(shù)Km在已知條件下難以變動，則應(yīng)根據(jù)式（15）計算既定頻率以下電機的損耗量，并采取相應(yīng)措施在確保αu=αf條件下加以控制。如果Km=1和βN=2同時滿足，則認為電機處于最惡劣運行環(huán)境，在此種環(huán)境下αf所能達到的最小值αfmin=0.76，該值完全符合《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評價值》（GB 18613—2002）所給出的交-交變頻技術(shù)調(diào)速相關(guān)規(guī)定。

3 結(jié)論

變頻調(diào)速在風機、水泵類負載電機節(jié)能運行模式中效率最高，但在實際運行過程中，變頻調(diào)速運行模式并未使異步電動機產(chǎn)生同樣的高效率。

本文在研究電機電壓和頻率協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，對風機、水泵類負載電動機定頻降壓及高效節(jié)能運行模式進行了定性評價與定量分析探討。研究結(jié)果表明，電動機定頻降壓和節(jié)能降耗運行是完全可能實現(xiàn)的，即頻率不變，通過降低電動機輸入電壓而不斷提升其運行效率，實現(xiàn)高效節(jié)能運行。本文的推導(dǎo)過程與結(jié)論如果能應(yīng)用于實際變頻器控制，將產(chǎn)生可觀的節(jié)能降耗效果。

［1］宋攀，劉緣豐.永磁同步電機在低速大轉(zhuǎn)矩設(shè)備上的直驅(qū)應(yīng)用及節(jié)能分析［J］.玻璃，2017，44（06）：27-30.

［2］林佑祥.高效節(jié)能電動機的分析與研究［J］.電氣制造，2014（11）：93-94.