王朋旺，　強　雄，　金惟偉，　趙　軍，　吳漢熙

(1. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海　200063；2. 上海電科系統(tǒng)能效檢測有限公司，上海　200063；3. 上海理工大學 能源與動力工程學院，上?！?00092；4. 上海格立特電力電子有限公司，上?！?00063)

空壓機負荷變化對電動機效率影響的試驗研究

王朋旺1，強雄2，金惟偉1，趙軍3，吳漢熙4

(1. 上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海200063；2. 上海電科系統(tǒng)能效檢測有限公司，上海200063；3. 上海理工大學 能源與動力工程學院，上海200092；4. 上海格立特電力電子有限公司，上海200063)

利用電機效率測試臺，按規(guī)定的低不確定度效率B法測試了不同負載情況下，普通效率三相異步電動機和永磁電動機功率因數(shù)、效率和輸入功率的變化情況對空壓機系統(tǒng)在不同負載情況下配置永磁電機替代普通電機產(chǎn)生的節(jié)能效果進行了量化分析。

空壓機； 電動機效率； 功率因數(shù)； 試驗研究

0　引　言

隨著能源短缺和氣候變化問題日益嚴重，空壓機系統(tǒng)效率偏低、能源浪費嚴重的問題逐漸引起人們的重視。歐美等發(fā)達國家已經(jīng)形成了一些空壓機系統(tǒng)的節(jié)能理論并進行了相關(guān)工程應(yīng)用，而國內(nèi)對空壓機系統(tǒng)的節(jié)能研究還處于起步階段。近年來，上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司承擔了上海市重點耗電企業(yè)的部分電能平衡設(shè)計規(guī)劃和實施工作，通過對上海市近200家年耗電500萬kWh以上重點用電企業(yè)開展電能平衡工作后的耗電數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)： 空壓機系統(tǒng)耗電量平均占到工業(yè)用電量的13.85%；容積式空壓機系統(tǒng)中起調(diào)節(jié)作用的空壓機平均加載率不到70%。這意味著空壓機的電動機有30%的時間處于低負載率狀態(tài)運行。

目前，國內(nèi)外研究人員對于空壓機系統(tǒng)的研究重點主要放在滿負荷時空壓機轉(zhuǎn)換效率的提高上面，因此基本上將電動機的效率作為固定值來處理，選取額定效率作為計算依據(jù)，國家對于空壓機的能效等級考核也只考核空壓機額定負載時的比功率。對于企業(yè)中實際運行的空壓機系統(tǒng)而言，空壓機會根據(jù)系統(tǒng)負荷的變化而進行加卸載等控制方式的調(diào)整，電動機的負載也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致電動機的效率一直處于變化之中，直接影響空壓機系統(tǒng)效率。

本文利用電機效率測試平臺，通過負載模擬配置普通效率三相異步電機和永磁電機的空壓機隨負荷變化時的效率、功率因數(shù)和輸入功率的變化情況，對空壓機配備上述類型的電動機在實際負荷變化過程中所能達到的節(jié)能效果進行測試分析。

1　試驗原理

電機效率測試試驗臺由正弦波變頻電源、電動機的負載模擬及穩(wěn)定裝置、自動控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成，能夠測試各類普通三相異步電動機、高效和超高效三相異步電動機、變頻電動機、永磁同步電動機等的效率、功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩等特性。電機系統(tǒng)的試驗臺控制室如圖1所示，工作原理如圖2所示。

圖1　試驗臺控制室

圖2　電機效率測試系統(tǒng)原理圖

空壓機用電機效率測試采用GB/T 1032—2012《三相異步電動機試驗方法》中規(guī)定的低不確定度效率B法進行，通過測出電動機的輸入和輸出功率以及定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機械耗，輸入功率減輸出功率得出電機的總損耗PT，再以總損耗PT減各項已知的損耗就得出電機的雜散損耗。通過對不同負載點下測得的雜散損耗值進行線性回歸分析得出線性回歸方程，可以求得電機額定負載點的雜散損耗。從測量的基本原理上講，B法沒有作任何理論上的假定和測定模擬，用此法測出的是電機真正的效率及各項損耗。

η=(P1- PT)/P1×100%

式中：η——表示電機效率；

P1——表示電機輸入功率；

PT——表示電機各種損耗總和。

2　試驗結(jié)果分析

本文選擇22kW和30kW兩種規(guī)格的普通效率三相異步電動機和永磁電動機進行測試。通過試驗得出電機在不同負載時的效率、功率因數(shù)和輸入功率，分析其對空壓機系統(tǒng)能耗的影響，研究空壓機系統(tǒng)需求變化過程中電動機效率變化對空壓機系統(tǒng)能耗的影響。

2.1電機效率試驗結(jié)果和分析

22kW和30kW普通效率三相異步電動機和永磁電動機的效率試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可知，異步電動機的效率最高基本在92%，這已經(jīng)是目前國內(nèi)空壓機所配電動機效率比較高的水平，但當空壓機處于卸載狀態(tài)，電機負載率約為30%時，電機效率降低到87%，降低了約5%，下降非常明顯。永磁電動機在整個負載變化過程中效率一直維持在約95%，因此，兩種電動機相比，永磁電動機在空壓機滿載時具有約3%的節(jié)能空間，在空壓機卸載時最高可以達到8%的節(jié)能效果，空壓機加卸載越頻繁，節(jié)能效果越為顯著。

圖3　22kW電動機效率隨負載率變化曲線

圖4　30kW電動機效率隨負載率變化曲線

2.2功率因數(shù)試驗結(jié)果和分析

22kW和30kW普通效率三相異步電動機和永磁電動機的功率因數(shù)試驗結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5、圖6可知，隨著空壓機電動機負載率的降低，永磁電動機的功率因數(shù)一直維持在0.96(一個比較高的水平)，而異步電動機的功率因數(shù)最高只有0.85，并且隨著負載率的降低，功率因數(shù)下降較快，在空壓機卸載點功率因數(shù)只有0.46，這會導(dǎo)致電動機無功的增加，降低了空壓機的效率。

圖5　22kW電動機功率因數(shù)隨負載率變化曲線

圖6　30kW電動機功率因數(shù)隨負載率變化曲線

2.3輸入功率試驗結(jié)果和分析

22kW和30kW普通效率三相異步電動機和永磁電動機的輸入功率試驗結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7、圖8可知，空壓機用電動機輸入功率隨著空壓機負載率的增加而增加。同等負載下，永磁電動機的輸入功率一直低于普通異步電動機的輸入功率。

圖7　22kW電動機輸入功率隨負載率變化曲線

圖8　30kW電動機輸入功率隨負載率變化曲線

3　節(jié)能效果分析

為了對比永磁電動機替代異步電動機的能耗減少效果，以配備22kW電動機的排氣量為3m3/min的空壓機為例，通過對測試數(shù)據(jù)進行擬合，分別得到普通異步電動機和永磁電動機的輸入功率隨負載率變化的函數(shù)。普通異步電動機輸入功率隨負載率變化的函數(shù)為

y=1582x2+21567x+866

式中：x——空壓機電動機負載率；

y——空壓機電動機輸入功率。

永磁電動機輸入功率隨負載率變化的函數(shù)為

y=949.2x2+21822x+355.2

與應(yīng)用普通效率三相異步電動機相比，應(yīng)用永磁電動機可以達到的減少輸入功率的函數(shù)為

y=632.8x2-255x+510.8

因此，當空壓機滿載時，可節(jié)約電功率0.89kW，節(jié)電率為3.7%。當空壓機卸載時，電動機負載率有時低至40%，此時節(jié)約電功率為0.5085kW，節(jié)電率為5.2%。如果空壓機一半時間處于卸載狀態(tài)，則空壓機節(jié)能率可達4.45%，負載率為66%時節(jié)電率可達4.21%。

4　結(jié)　語

通過電機效率測試平臺，按規(guī)定的低不確定度效率B法對22kW和30kW兩種功率等級的普通效率三相異步電動機和永磁電動機在不同負載率時的效率、功率因數(shù)和輸入功率進行了測試分析，結(jié)果表明：

(1) 與永磁電動機在很寬的負載范圍內(nèi)電動機功率因數(shù)和效率始終保持非常高的水平相比，目前企業(yè)普遍使用的普通效率三相異步電動機保持高水平功率因數(shù)和效率的負載范圍較窄，其卸載時功率因數(shù)和效率比其自身加載時分別下降了0.39和5%；

(2) 滿載運行時普通三相異步電動機效率要比永磁電動機低約3%；

(3) 選擇永磁電動機替代普通效率三相異步電動機，滿載時可產(chǎn)生3.7%的節(jié)電率，在負載率為66%時會產(chǎn)生4.21%的節(jié)電率。

[1]蔡茂林.空壓機能耗現(xiàn)狀及系統(tǒng)節(jié)能潛力[J].中國設(shè)備工程,2009(7)： 42-44.

[2]戴彥德，戴琳.中國電機系統(tǒng)能源效率與市場潛力分析[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2001.

[3]孫鐵源，蔡茂林.壓縮空氣系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀和節(jié)能改造[J].機床與液壓,2010,38(13)： 108-111.

[4]RADGEN P, BLAUSTEIN E. Compressed air systems in the european union[M]. Energy, Emissions, Savings Potential and Policy Actions. Germany： European Commission, 2001.

[5]FOSS R S. Improving air system efficiency(part 8)[J].Hydraulics & Pneumatics, 1999(10)： 61-62.

收稿日期： 2014-07-25

Experimental Study of the Compressor Load Modification Influence on the Motor Efficiency

WANGPengwang1,QIANGXiong2,JINWeiwei1,ZHAOJun3,WUHanxi4

(1. Shanghai Engineering Research Center for Energy Saving of Motor System Co., Ltd., Shanghai 200063, China; 2. Shanghai Seari Testing&Inspection of System Energy Efficiency Co., Ltd., Shanghai 200063, China; 3. Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai, 200092, China; 4. Shanghai GREAT Electronics Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

According to the test system of low uncertainty of motor efficiency, Test the power factor, efficiency and the input power of three-phase asynchronous motor and the permanent magnet motor at different load. Then quantitative analysis energy-savings when PM motors alternative normal motor at different load conditions of the air compressor system.

air compressor; motor efficiency; power factor; experimental study

2014-07-13

TM 306

A

1673-6540(2015)04-0066-04