EMC电动机节电率计算

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1、应用相控电动机节电器的节电率计算1前言近几年来，随着中国经济的高速发展，能源成为了制约中国经济 发展的一个重要问题，节约能源保护环境也被国家提到议事日程。电 机的能源消耗占整个能源消耗的60%70%。各种节能措施被广泛 应用，其中变频器在风机水泵等方面得到了广泛的应用，但由于变频 器价格高，有些场合并不适合调速或调速将会给生产带来负面影响等 原因限制了变频器的应用。相控电机节电器(实际上就是根据电机负载率通过可控硅降压) 逐渐成为各节能厂家积极介入的重点。相控电机节电器的主要特点 是：不改变受控电机的转速；(2)可以实现软启动，降低启动电流； (3)减少电磁损耗；(4)安装调试简单；(5)投资

2、成本低。目前市面上有许多这种类型的节电器，厂家介绍只要负载率在 70%以下，就可以有较好的节电率，根据负载率的大小，节电率可达 到20%50%。但在实际应用中却发现有很大的差距，而且应用的范 围也并不像介绍的那么广泛，其中主要是与节电率的计算方法和节电 的可能性有关。2节电率计算方法中国节能产品认证管理委员会发布的电力省电装置节能产品认 证技术要求中对电机轻载调压节电器节电率计算作了明确规定。2.1试验接线原理(见图1)为路开关图1试验接线示意图2.2节电率刚量计算方法1在接入节电器前后，必须保持负载电机转速不变。(1) 不接入节电器(即闭合旁路开关K)旁路运行，记录lh (时间的长短可根据负

3、载的周期来确定)电机的用电量W；(2) 接入节电器(即断开旁路开关K),电机进入节电状态，记 录lh的用电量W。节电率计算公式为节电率=W X 100%(1)从图1中可以看出，电度表是安装在节电器电源的进线端，因此节电 器木身的能耗也计算在内。但有个别厂家是将电度表安装在节电器后 进行测量，这样旁路时负载的用电量和电度表接在节电器的前端是一 样的，但计算节电率时却有区别，主要是将电度表安装在节电器后没 有将节电器本身的损耗计入，从而使计算的节电率偏高。3相控电机节电器的节能原理3.1节电必须使电机的电流和功率因数的乘积减少由于电机在轻载或空载运行时，电机电流主要是励磁电流，这时 功率因数比额定

4、负载时低。相控电机节电器就是通过测量负载的功率 因数，在电机轻载时通过降低电压、减少励磁电流，从而达到节能的 目的。根据三相电机功率公式要降低功率消耗可以通过减少电机的U、 I和cos屮来实现。从图1可以看出，实际上由于电度表安装在节电 器的前端，因此测量的电压实际上并没有变化，因此要减少功率消耗， 电机电流和功率因数的乘积一定要下降，才能节电。由于在降低电压、 减少励磁电流的同时，功率因数会上升，因此，电流降低的程度一定 要大于功率因数上升的幅度，才能实现节能。3.2电机效率、节电率和负载率之间的关系从相控电机节电器的原理来说，节电主要是降低电机在低负载时的 空载损耗，因此，空载损耗所占比例

5、的大小就直接影响节电率的高低。电机效率越低、电机的损耗就越大，贝U电机的节电空间越大电机铭牌上的额定功率PN为轴功率，效率77N为额定输出功率 时的电机效率，而额定工况小，电机从电网吸收的功率尸总等于电机 的轴功率与总损耗艺PN之和，即P = P 总Xn N(2)P =PN 十EPN(3)电机的总损耗与额定功率和效率的关系为工 Pn=P 总-PN=(J-1)PN(4)(2)电机功率与效率的关系以Y系列电机为例，电机越小、效率越低；电机越大、效率越高。同样功率的电机转速越低、效率越低，转速越高、效率越高。图2为 Y系列电机功率与效率的关系曲线(电机效率是将同功率不同极数的 效率平均得到)。O70

6、.65.0勺匸一丄i/SZi ocJze c 寸 gr-L6 c9or OO一 CNCf电机功率他w图2 Y系列电机功率与效率的关系(3) 电机节电量与效率之间的关系从图2可以看出，电机功率越小，效率越低，损耗越大。电机运 行时的损耗，主要由以下几方面的损耗组成：铁损、铜损、机械损耗、 杂散损耗(包括风损)等。由于采取轻载调压节电主要是减少电机在 轻载时的功率损耗，从而提高电机效率。由此可见，效率越低，空载 损耗越大的电机，采取调压节电的空间就越大。3.3节电率与负载率之间的关系3.3.1效率与负载率之间的关系异步电动机的运行特性用曲线表示如图3所示。o0.20.40.60.81图3异步电动机

7、的运行特性曲线电动机运行特性定义0二P2/PN,即电动机负载与额定负载的比 值，横坐标为0。由图3可以看出：(1) 转速只是随负荷的增加略有下降；(2) 电流和转矩随负荷的增加呈指数曲线上升；(3 )效率和功率因数随负荷变化呈抛物曲线变化，有一个最大值 点。由图3的效率曲线可以看出，当P0.5时效率随负载的降低急剧 下降，这是因为空载损耗在总损耗中所占比例较大造成的。空载损耗 的主要成分是铁损和机械损耗,二者几乎不随P变化，称为不变损耗。 因为铜损和杂散损耗随电流的增加按平方关系增加，故称为可变损 耗。增加电机输出功率，即P的上升，效率最初明显呈上升趋势。当 P达到一定值后，效率达到最大值，若

8、进一步增加输出功率，效率反 而从最大值开始下降，这是因为此时可变损耗的增加速度超过了输出 功率的增加速度。从理论上讲，可变损耗与不变损耗相等时效率达到 最大值。3.3.2节电率与负载率之间的关系负载率越低，空载损耗所占的比例就越大，调压节电率就越高。 但要达到最好的节电率，还取决于调压幅度。虽然降压可以降低铁耗， 而当电压降到一定程度之后，若继续下降，则电流又要增加，因而又 增加了铜耗，因此要取得最好的节能效果，必须有一个合理的调压系 数。不同负载率P下的调压系数由下式可以确定2：(5)/(YPn - 卩0)k-spn式中EPN 一电动机额定负载时的有功损耗，kW；P0 一电动机的空载损耗，k

9、W；K 一计算系数，K= (P0 PM)/工PN；PM 一电动机的机械损耗，kW；0 电动机的负载系数，0 = (P2/ PN)X100%；P2 一电动机的输出功率，kW；PN 一电动机的额定功率，kW.轻载电机在采用降压节电措施后，节省的有功功率为AP = /?2x(1-1/K?j)x(SPn-Po)+ Kx(1 (6)由式(6)可以看出，由于KU1, 02X(1 1/KU(2)0,则负载率R越小，节电量越大，节电率越高。负载率为R时，电机输入的总功率为P =P2 + 2x(SPn-Po)+ Po= jgFN + /32x(SPN-F0) + P0(7)调压系数为Ku时节电率为r = P/P

10、= 0 x (1 1/Kl) X (SPN- Po) + K x (1 K%) x 工PR/仔Pn + 朋 x (工 Pn Po)+ Po(8)由于工Pn=(丄-1)Pn7nPo KqPnP = KiPn式中K0 一空载损耗占额定功率的比例D；K1 一现场测量的电机输入功率与额定功率之比。则节电率为pUl 一 1/K%)(1/q 1) + K(1 K%)(1/t 一 1)0 + 02(1/可一 1 一 Ko)+ Ko(9)图 4 是以 Y160L4 为例：Pn = 15kW, n =88.5%, K=0.25, K0=0.038计算出的一组节电率曲线。1 3=0J02 B =0.203 B =

11、0.304 B =0.405 3 -0.506 B =0.607 B =0.70调压系数/Ku图4节电率与负载率和调压系数之间的关系由图4可以看出，对应不同的负载率，都有一个最好的调压系数, 而且如果降压太多，非但不能节能，而且还会使能耗增加，图4中节 电率为负就是很好的说明。3.4在实际应用中如何计算负载率根据定义，负载率是电机轴输出功率与电机额定输出功率之比,即0二P2/PN。由于在实际应用中，直接测量P2有一定的难度，因此P2可以通过测量空载损耗和电机电流计算得到。异步电动机在额定 电压下的空载电流约为额定电流的20%50%，空载损耗约为额定功 率的3%8%。在节能测试现场，我们一般测量

12、的为电机的输入功率, 可通过以下公式计算得出：(10)P = Pn + /?2(ZFn-Po)+ Po (XPn_Po)x02 + Pn0 + P q _ F = 0-Pn+ 朋-4X(工Pn-Po)x(Po-P)2x(Pn Po)(ID由于rN=(iniPo-KoPnjP = KiPn式中K0 一空载损耗占额定功率的比例；K1 一现场测量的电机输入功率与额定功率之比。因此节电率公式也可从式（10）推出：-+ 71 - 4 X ( - 1 - Ko) x (Ko - Kt)B=绊(12)2X(丄-1-Ko)7n此公式与电机功率的大小无关。例如：一台 Y160L 4 15kW 电机，n N=88

13、.5%, K0=3.8%, Kl=25% (K0可以通过查询国家标准得到，K1由实际测量得到)。将以上参数 代入式(12)，得 0 =20.8%。从图4可以看出，当负载率0 =20.8%时，最佳调压系数为0.6, 这时节电率可以达到5.9%。4综合节电(1)由于在实际应用中，我们所测量的都是电机实际节约的有功 功率，对于减少无功所减少的有功损耗不便于直接测量，计算方法如 下：节约的无功 Q = (QN-Q0)j32(l -(13)(l-Kb)式中PQ 一节省无功所减少的有功功率;(14)KQ 一无功经济当量，当电动机直连电机母线KQ=0.020.04，二次变压取KQ = 0.050.07，三次

14、变压取KQ=0.08 0.10。(2)其次，由于电压降低，电机负载不变，转差率增大，电动机输出功率也会有所减少，因此在实际测量过程中，节约的有功会比理论计算的要偏大。由于电动机的转距与电压平方成正比，若电动机的转矩不变，则转差率近似地与电压的平方成正比。在采取降压节电时，只要转差率 不超过电动机的临界转差率，将不会对电机运行产生影响。（由于电压下降，转差率增加，因此输出功率会有所减少。f 1 - S 丄1 - Sy丿-尸KI j1 s 沁 J(16) Ps = P P2 = Px S z ( / K 召1)/(1 S z(17)式中APs 因转差率增大所引起的输出功率的减少量。5结语从以上分析可以石出，电机轻载时采取降压节电是可行的，而节 电率的高低取决于电机的效率、负载率以及负载特性，因此我们在对 电机进行降压节电改造时，认真分析电机的运行特性有利于估算节电 率，并将有利于成本的控制和回收。