風(fēng)機及水泵機組的能效評測對節能電機、風(fēng)機、水泵的研究，節能改造實(shí)施及節能改造評價(jià)極其重要，而電動(dòng)機的實(shí)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(diǎn)介紹風(fēng)機和水泵機組中電動(dòng)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備，據統計，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，且很多設備運行效率低、設備陳舊，具有較大的節能潛力。

　　500kW以上的風(fēng)機、水泵額定效率一般可達80%左右，配套電動(dòng)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、調節不當等諸多應用層面的問(wèn)題，對于選型、功率配置不當、管網(wǎng)配置不合理等問(wèn)題，經(jīng)專(zhuān) 業(yè)指導，可最大限度的優(yōu)化。調節不當問(wèn)題，采用變頻器驅動(dòng)，并且采用合理的調節方式，可以很大程度上予以改善。除了應用層面的問(wèn)題，在負荷變化較大的場(chǎng)合，驅動(dòng)電機、風(fēng)機、水泵等會(huì )經(jīng)常遠離高效率點(diǎn)運行，導致效率降低，也是效率降低的重要因數。研究高效設備并在寬范圍之內保證高效率運行，是真正需要電機、風(fēng)機和水泵廠(chǎng)解決的核心問(wèn)題。

一風(fēng)機和水泵機組傳統的能效評測方法

　　風(fēng)機和水泵機組效率參數包括電動(dòng)機效率、 風(fēng)機效率及系統效率。

　　傳統風(fēng)機水泵機組效率測試的原理圖

　　圖中，機組由電動(dòng)機和風(fēng)機組成，電動(dòng)機和風(fēng)機同軸連接，軸上裝有扭矩儀，通過(guò)測量扭矩和轉速，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(dòng)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(dòng)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(chǎng)家研制了一種無(wú)需安裝扭矩儀的簡(jiǎn)易測量設備，該設備事先錄人各種型號電機的效率特性曲線(xiàn)，實(shí)時(shí)測量電機的輸入功率，對比效率特性曲線(xiàn)獲取電機當前運行效率。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)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(lèi)型的電機效率曲線(xiàn)與實(shí)際電機效率曲線(xiàn)存在差距;

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

　　3、電機廠(chǎng)家提供的效率曲線(xiàn)是額定頻率下的效率曲線(xiàn)，采用變頻調速時(shí)不適用。

一損耗分析法實(shí)時(shí)測量風(fēng)機和水泵的軸功率

　　既然不能直接測量電動(dòng)機的輸出功率。設想在已知輸入功率時(shí)，若能知道電動(dòng)機的損耗， 那么，輸入功率減去損耗就是電動(dòng)機的輸出功率，由此，還可以計算電動(dòng)機的運行效率。理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明該設想是可行的，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(chēng)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(dòng)機試驗方法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng) 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(jiǎn)稱(chēng)A法) 。

　　《GB18613-2012 中小型三相異步電動(dòng)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(dòng)機軸功率測量方法主要依據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(jìn)的測試設備、計算機實(shí)時(shí)測量技術(shù)、數據庫技術(shù)，利用少量的電機出廠(chǎng)試驗/型式試驗數據，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(shí)時(shí)測量、分析、計算出電動(dòng)機運行的各種損耗，進(jìn)而計算出電動(dòng)機的軸功率，并在此基礎上，計算出電動(dòng)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(dòng)機的損耗主要包括鐵耗、風(fēng)摩耗、定子銅耗、轉手銅耗和雜散損耗。其中鐵耗和風(fēng)摩耗 為恒定損耗，與負載無(wú)關(guān)。定子銅耗、轉子銅耗 和雜散損耗為可變損耗，隨負載的變化而變化。 電動(dòng)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為轉子銅耗，，Ps為雜散損耗。

　　PFe和Pfw由電機出廠(chǎng)時(shí)提供的空載試驗數據獲取。

　　在額定電壓下進(jìn)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(jìn)行空載試驗，采用曲線(xiàn)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)數據均需折算到由熱試驗獲取溫升后計算的規定溫度。本文目的是實(shí)時(shí)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，需要根據當前溫度和測量直流電阻時(shí)定子繞組的實(shí)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(shí)的定子繞組溫度。θt為當前定子繞組溫度，K1為定子繞組導體材料在 0°C時(shí)電阻溫度系數的倒數 ，S為實(shí)時(shí)測量的轉差率。

　　額定功率時(shí)的負載雜散耗按下式計算:

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

　　I1為實(shí)時(shí)測量的輸入電流，In為額定輸入電流，Io為額定電壓時(shí)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(dòng)機的額定參數為例：

　　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(shí)，各項損耗中，定子銅耗、轉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(shí)際運行時(shí)，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(shí)際運行中實(shí)時(shí)測量，另外，從式( 5) 可知，鐵耗還影響轉子銅耗的計算，因此，空載試驗數據的完整性及準確度是影響效率計算的最主要因數。

　　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、轉子繞組溫度、 轉差率等參數的準確測量，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(shí)時(shí)直流電阻是定子銅超計算的重要因數，若電機埋置了檢溫計，現場(chǎng)測試時(shí)，可利用檢溫計測量的溫度替代繞組溫度。廠(chǎng)家試驗時(shí)，宜采用停機測量直流電阻的方法。

　　轉差率測量方法可以采用測量轉速及供電電源頻率的方法，也可以采用感應線(xiàn)圈法直接測量轉差率。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，前提是需要在旋轉體上安裝編碼器、齒輪盤(pán)、磁鋼、反光片等輔助元件，有時(shí)受設備形式或安裝方式局限，不能使用。后者完全免安裝，只要將感應線(xiàn)圈放置在電機附近即可，但是，容易受到環(huán)境磁場(chǎng)的影響，在電磁環(huán)境較復雜的現場(chǎng)往往不能準確測量甚至失效。

　　電動(dòng)機運行效率隨負荷變化及供電電壓的變化而變化，上述參數以及風(fēng)機輸出功率相關(guān)參數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的儀表能夠實(shí)時(shí)輸出數據并輸出數據相關(guān)的時(shí)間信息。由于系統需要測量的參量種類(lèi)較多，通常是采用幾個(gè)廠(chǎng)家的儀表進(jìn)行集成的方法，難于滿(mǎn)足同步要求?？紤]到效率是功率的比例，平均效率可以是能量的比例，在同步測量的基礎上，采用輸入輸出功率在一段時(shí)間內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(zhuān)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)品廣泛應用于全國各大電機企業(yè)及第三方檢定機構。在多年從事電機試驗臺建設過(guò)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(jìn)測量設備及計算機測量技術(shù)保證實(shí)時(shí)測量參數的準確度，另一方面，根據大量的各類(lèi)型電機試驗報表數據，建立了完整的數據庫，對于部分缺失數據進(jìn)行預測或修正，成功解決了風(fēng)機及機組系統中電機效率實(shí)時(shí)測量問(wèn)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(jìn)行效率測試，也可方便的對運行中的風(fēng)機機組進(jìn)行了節能評估，為風(fēng)機用戶(hù)更新淘汰低效電機及高耗能用電設備、采用高效節能電機及系統相關(guān)節電設備提供有力的數據支持。

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