風(fēng)機及水泵機組的能效評測對節(jié)能電機、風(fēng)機、水泵的研究，節(jié)能改造實施及節(jié)能改造評價極其重要，而電動機的實際運行效率測量，是風(fēng)機及水泵機組能效評測中的關(guān)鍵技術(shù)，本文重點介紹風(fēng)機和水泵機組中電動機的效率測量方法。

一目前風(fēng)機水泵行業(yè)的耗能分析

　　風(fēng)機、水泵是量大面廣的通用機械耗電設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計，我國目前擁有的風(fēng)機、水泵每年耗電占全國耗電總量的30%以上，占工業(yè)總用電量的50%左右，且很多設(shè)備運行效率低、設(shè)備陳舊，具有較大的節(jié)能潛力。

　　500kW以上的風(fēng)機、水泵額定效率一般可達80%左右，配套電動機的額定效率可達95%左右，不考慮管網(wǎng)損耗，額定效率可達76%左右，可是，相關(guān)統(tǒng)計表明，我國風(fēng)機的平均運行效率只有30%~40%。機組效率低下，大致有選型不當、功率配置不當、管網(wǎng)布置不合理、調(diào)節(jié)不當?shù)戎T多應(yīng)用層面的問題，對于選型、功率配置不當、管網(wǎng)配置不合理等問題，經(jīng)專 業(yè)指導(dǎo)，可最大限度的優(yōu)化。調(diào)節(jié)不當問題，采用變頻器驅(qū)動，并且采用合理的調(diào)節(jié)方式，可以很大程度上予以改善。除了應(yīng)用層面的問題，在負荷變化較大的場合，驅(qū)動電機、風(fēng)機、水泵等會經(jīng)常遠離高效率點運行，導(dǎo)致效率降低，也是效率降低的重要因數(shù)。研究高效設(shè)備并在寬范圍之內(nèi)保證高效率運行，是真正需要電機、風(fēng)機和水泵廠解決的核心問題。

一風(fēng)機和水泵機組傳統(tǒng)的能效評測方法

　　風(fēng)機和水泵機組效率參數(shù)包括電動機效率、 風(fēng)機效率及系統(tǒng)效率。

　　傳統(tǒng)風(fēng)機水泵機組效率測試的原理圖

　　圖中，機組由電動機和風(fēng)機組成，電動機和風(fēng)機同軸連接，軸上裝有扭矩儀，通過測量扭矩和轉(zhuǎn)速，可以計算出軸功率。由于聯(lián)軸器的損耗可以忽略不計，可以認為電動機的輸出功率就是風(fēng)機的輸入功率，都用P2表示。P1和P3的測量技術(shù)較成熟，在此不作介紹。顯然，獲取了P1、P2和 P3 ，就可以計算電動機效率，風(fēng)機效率和機組效率。但是，有些風(fēng)機是成套安裝的，軸上不能安裝扭矩儀，本文要考慮的就是如何在這種情況下準確測量P2。

　　相關(guān)廠家研制了一種無需安裝扭矩儀的簡易測量設(shè)備，該設(shè)備事先錄人各種型號電機的效率特性曲線，實時測量電機的輸入功率，對比效率特性曲線獲取電機當前運行效率。其優(yōu)點是無需扭矩儀，投資小，試驗方便。

　　但由于以下原因，準確度較低，目前未被風(fēng)機和水泵廣泛采用：

　　1、同型號或同類型的電機效率曲線與實際電機效率曲線存在差距;

　　2、效率特性曲線反映的是額定電壓和基準工作溫度下的效率，實際效率受溫度及電網(wǎng)電壓波動的影響較大;

　　3、電機廠家提供的效率曲線是額定頻率下的效率曲線，采用變頻調(diào)速時不適用。

一損耗分析法實時測量風(fēng)機和水泵的軸功率

　　既然不能直接測量電動機的輸出功率。設(shè)想在已知輸入功率時，若能知道電動機的損耗， 那么，輸入功率減去損耗就是電動機的輸出功率，由此，還可以計算電動機的運行效率。理論和實踐都已經(jīng)證明該設(shè)想是可行的，并且可以達到較高的準確度。在電機試驗方法中，這種方法稱為損耗分析法，損耗分析法是計算高效電機效率的主要方法。

　　《GB/T1032-2012 三相異步電動機試驗方法》(以下簡稱 GB/T1032)指出:效率高于80%以上的電機不宜采用直接測量輸出功率計算效率的方法(輸入-輸出法，簡稱A法) 。

　　《GB18613-2012 中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》明確了電機效率運算采用測量輸入輸出功率的損耗分析法( B法)。

　　本文探討的電動機軸功率測量方法主要依據(jù)GB/T1032 中的測量輸入功率的損耗分析法 (E1 法)。其基本思想是利用先進的測試設(shè)備、計算機實時測量技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，利用少量的電機出廠試驗/型式試驗數(shù)據(jù)，連接必要的測量裝置，將風(fēng)機機組作為電機能效評測的試驗平臺，實時測量、分析、計算出電動機運行的各種損耗，進而計算出電動機的軸功率，并在此基礎(chǔ)上，計算出電動機、風(fēng)機和水泵的運行效率。

　　損耗分析法風(fēng)機水泵機組效率測試裝置的原理圖

　　電動機的損耗主要包括鐵耗、風(fēng)摩耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)手銅耗和雜散損耗。其中鐵耗和風(fēng)摩耗 為恒定損耗，與負載無關(guān)。定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗 和雜散損耗為可變損耗，隨負載的變化而變化。 電動機的輸出功率及效率的計算公式如下:

　　式中：η為電機效率，PFe為鐵耗，Pfw為風(fēng)摩耗，Pcu1為定子銅耗，Pcu2為轉(zhuǎn)子銅耗，，Ps為雜散損耗。

　　PFe和Pfw由電機出廠時提供的空載試驗數(shù)據(jù)獲取。

　　在額定電壓下進行空載試驗，測量輸入功率P0、輸入電流I0、直流電阻R0，可得恒定損耗Pcon;

　　在不同輸入電壓下進行空載試驗，采用曲線擬合技術(shù)可將PFe和Pfw分離，獲取PFe和Pfw。

　　GB/T 1032中，Pcu1和Pcu2由負載試驗獲取，負載試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)均需折算到由熱試驗獲取溫升后計算的規(guī)定溫度。本文目的是實時獲取當前效率，以風(fēng)機作為電機負載，只需在當前負載下計算Pcu1和Pcu2，需要根據(jù)當前溫度和測量直流電阻時定子繞組的實際溫度換算得出當前定子直流電阻。

　　I1為當前輸入電流，Rt為定子繞組當前直流電阻，Rc為測量到的定子繞組直流電阻，θc為測量直流電阻時的定子繞組溫度。θt為當前定子繞組溫度，K1為定子繞組導(dǎo)體材料在 0°C時電阻溫度系數(shù)的倒數(shù) ，S為實時測量的轉(zhuǎn)差率。

　　額定功率時的負載雜散耗按下式計算:

　　注：P1N 為額定輸出功率時的輸人功率，不同功率電機的比例不同，詳細參見GB/T1032。
　　不同輸入功率下的負載雜散起按下述公式

　　I1為實時測量的輸入電流，In為額定輸入電流，Io為額定電壓時的空載電流。

一影晌軸功率測量準確度的關(guān)鍵因素

　　以某 10kV/500KW 異步電動機的額定參數(shù)為例：

　　電機效率為95.03% ，輸入功率為526.12KW ，總損耗為26.12KW ，各項損耗及其占總損耗中的比例分別為：

　　● PFe=6.886kW(26.36%)
　　● Pfw=3.949kW(15.12%)
　　● Pcu1=8.533kW(32.67%)
　　● Pcu2=4.12kW(4.12%)
　　● Ps=2.63kW(10.07%)

　　額定功率時，各項損耗中，定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗及雜散損耗之和約占總損耗的60%，鐵耗和風(fēng)摩耗之和約占總損耗的40%。前者為可變損耗，后者為恒定損耗。 實際運行時，電機往往工作在額定功率以下，恒定損耗不變，可變損耗變小，相對而言，恒定損耗所占比例增大，并且恒定損耗不能在實際運行中實時測量，另外，從式( 5) 可知，鐵耗還影響轉(zhuǎn)子銅耗的計算，因此，空載試驗數(shù)據(jù)的完整性及準確度是影響效率計算的最主要因數(shù)。

　　由式(3)-( 6)可知，輸入功率、定子電流、定子繞組冷態(tài)電阻、定子繞組溫度、轉(zhuǎn)子繞組溫度、 轉(zhuǎn)差率等參數(shù)的準確測量，是提高可變損耗準確度的關(guān)鍵。

　　定子繞組溫度或定子繞組實時直流電阻是定子銅超計算的重要因數(shù)，若電機埋置了檢溫計，現(xiàn)場測試時，可利用檢溫計測量的溫度替代繞組溫度。廠家試驗時，宜采用停機測量直流電阻的方法。

　　轉(zhuǎn)差率測量方法可以采用測量轉(zhuǎn)速及供電電源頻率的方法，也可以采用感應(yīng)線圈法直接測量轉(zhuǎn)差率。前者一般采用編碼器、霍爾傳感器、光電傳感器等，技術(shù)較為成熟，前提是需要在旋轉(zhuǎn)體上安裝編碼器、齒輪盤、磁鋼、反光片等輔助元件，有時受設(shè)備形式或安裝方式局限，不能使用。后者完全免安裝，只要將感應(yīng)線圈放置在電機附近即可，但是，容易受到環(huán)境磁場的影響，在電磁環(huán)境較復(fù)雜的現(xiàn)場往往不能準確測量甚至失效。

　　電動機運行效率隨負荷變化及供電電壓的變化而變化，上述參數(shù)以及風(fēng)機輸出功率相關(guān)參數(shù)的同步測量及積分運算等方法是提高效率準確度的有效方法。同步測量要求測量上述參數(shù)的儀表能夠?qū)崟r輸出數(shù)據(jù)并輸出數(shù)據(jù)相關(guān)的時間信息。由于系統(tǒng)需要測量的參量種類較多，通常是采用幾個廠家的儀表進行集成的方法，難于滿足同步要求。考慮到效率是功率的比例，平均效率可以是能量的比例，在同步測量的基礎(chǔ)上，采用輸入輸出功率在一段時間內(nèi)的積分值的比例計算平均效率，可以有效的減小偶然誤差，提高效率計算的準確度。

　　湖南銀河電氣有限公司專業(yè)從事電機能效測評裝置的研究，其AnyWay系列電機能效評測產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于全國各大電機企業(yè)及第三方檢定機構(gòu)。在多年從事電機試驗臺建設(shè)過程中，積累了豐富的電機能效評測的測量方法和技術(shù)。其研制的TN4000電子式扭矩儀采用各種先進測量設(shè)備及計算機測量技術(shù)保證實時測量參數(shù)的準確度，另一方面，根據(jù)大量的各類型電機試驗報表數(shù)據(jù)，建立了完整的數(shù)據(jù)庫，對于部分缺失數(shù)據(jù)進行預(yù)測或修正，成功解決了風(fēng)機及機組系統(tǒng)中電機效率實時測量問題，效率誤差限值可達0.5%～2%。該裝置既可用于風(fēng)機企業(yè)對風(fēng)機及機組進行效率測試，也可方便的對運行中的風(fēng)機機組進行了節(jié)能評估，為風(fēng)機用戶更新淘汰低效電機及高耗能用電設(shè)備、采用高效節(jié)能電機及系統(tǒng)相關(guān)節(jié)電設(shè)備提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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