風(fēng)機(jī)及水泵機(jī)組的能效評(píng)測(cè)對(duì)節(jié)能電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵的研究，節(jié)能改造實(shí)施及節(jié)能改造評(píng)價(jià)極其重要，而電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效率測(cè)量，是風(fēng)機(jī)及水泵機(jī)組能效評(píng)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)，本文重點(diǎn)介紹風(fēng)機(jī)和水泵機(jī)組中電動(dòng)機(jī)的效率測(cè)量方法。

一目前風(fēng)機(jī)水泵行業(yè)的耗能分析

　　風(fēng)機(jī)、水泵是量大面廣的通用機(jī)械耗電設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前擁有的風(fēng)機(jī)、水泵每年耗電占全國(guó)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(yùn)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(jī)、水泵額定效率一般可達(dá)80%左右，配套電動(dòng)機(jī)的額定效率可達(dá)95%左右，不考慮管網(wǎng)損耗，額定效率可達(dá)76%左右，可是，相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)風(fēng)機(jī)的平均運(yùn)行效率只有30%~40%。機(jī)組效率低下，大致有選型不當(dāng)、功率配置不當(dāng)、管網(wǎng)布置不合理、調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)戎T多應(yīng)用層面的問(wèn)題，對(duì)于選型、功率配置不當(dāng)、管網(wǎng)配置不合理等問(wèn)題，經(jīng)專(zhuān) 業(yè)指導(dǎo)，可最大限度的優(yōu)化。調(diào)節(jié)不當(dāng)問(wèn)題，采用變頻器驅(qū)動(dòng)，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(wèn)題，在負(fù)荷變化較大的場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等會(huì)經(jīng)常遠(yuǎn)離高效率點(diǎn)運(yùn)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(yùn)行，是真正需要電機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵廠解決的核心問(wèn)題。

一風(fēng)機(jī)和水泵機(jī)組傳統(tǒng)的能效評(píng)測(cè)方法

　　風(fēng)機(jī)和水泵機(jī)組效率參數(shù)包括電動(dòng)機(jī)效率、 風(fēng)機(jī)效率及系統(tǒng)效率。

　　傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)水泵機(jī)組效率測(cè)試的原理圖

　　圖中，機(jī)組由電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)組成，電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)同軸連接，軸上裝有扭矩儀，通過(guò)測(cè)量扭矩和轉(zhuǎn)速，可以計(jì)算出軸功率。由于聯(lián)軸器的損耗可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的輸出功率就是風(fēng)機(jī)的輸入功率，都用P2表示。P1和P3的測(cè)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(jì)算電動(dòng)機(jī)效率，風(fēng)機(jī)效率和機(jī)組效率。但是，有些風(fēng)機(jī)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(zhǔn)確測(cè)量P2。

　　相關(guān)廠家研制了一種無(wú)需安裝扭矩儀的簡(jiǎn)易測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備事先錄人各種型號(hào)電機(jī)的效率特性曲線，實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的輸入功率，對(duì)比效率特性曲線獲取電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行效率。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需扭矩儀，投資小，試驗(yàn)方便。

　　但由于以下原因，準(zhǔn)確度較低，目前未被風(fēng)機(jī)和水泵廣泛采用：

　　1、同型號(hào)或同類(lèi)型的電機(jī)效率曲線與實(shí)際電機(jī)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(zhǔn)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(jī)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(shí)不適用。

一損耗分析法實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)機(jī)和水泵的軸功率

　　既然不能直接測(cè)量電動(dòng)機(jī)的輸出功率。設(shè)想在已知輸入功率時(shí)，若能知道電動(dòng)機(jī)的損耗， 那么，輸入功率減去損耗就是電動(dòng)機(jī)的輸出功率，由此，還可以計(jì)算電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。理論和實(shí)踐都已經(jīng)證明該設(shè)想是可行的，并且可以達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。在電機(jī)試驗(yàn)方法中，這種方法稱(chēng)為損耗分析法，損耗分析法是計(jì)算高效電機(jī)效率的主要方法。

　　《GB/T1032-2012 三相異步電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》(以下簡(jiǎn)稱(chēng) GB/T1032)指出:效率高于80%以上的電機(jī)不宜采用直接測(cè)量輸出功率計(jì)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(jī)能效限定值及能效等級(jí)》明確了電機(jī)效率運(yùn)算采用測(cè)量輸入輸出功率的損耗分析法( B法)。

　　本文探討的電動(dòng)機(jī)軸功率測(cè)量方法主要依據(jù)GB/T1032 中的測(cè)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(cè)試設(shè)備、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，利用少量的電機(jī)出廠試驗(yàn)/型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)，連接必要的測(cè)量裝置，將風(fēng)機(jī)機(jī)組作為電機(jī)能效評(píng)測(cè)的試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)時(shí)測(cè)量、分析、計(jì)算出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的各種損耗，進(jìn)而計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的軸功率，并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)和水泵的運(yùn)行效率。

　　損耗分析法風(fēng)機(jī)水泵機(jī)組效率測(cè)試裝置的原理圖

　　電動(dòng)機(jī)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(fù)載無(wú)關(guān)。定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗 和雜散損耗為可變損耗，隨負(fù)載的變化而變化。 電動(dòng)機(jī)的輸出功率及效率的計(jì)算公式如下:

　　式中：η為電機(jī)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(jī)出廠時(shí)提供的空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取。

　　在額定電壓下進(jìn)行空載試驗(yàn)，測(cè)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(yàn)，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(fù)載試驗(yàn)獲取，負(fù)載試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)均需折算到由熱試驗(yàn)獲取溫升后計(jì)算的規(guī)定溫度。本文目的是實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前效率，以風(fēng)機(jī)作為電機(jī)負(fù)載，只需在當(dāng)前負(fù)載下計(jì)算Pcu1和Pcu2，需要根據(jù)當(dāng)前溫度和測(cè)量直流電阻時(shí)定子繞組的實(shí)際溫度換算得出當(dāng)前定子直流電阻。

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

　　額定功率時(shí)的負(fù)載雜散耗按下式計(jì)算:

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

　　I1為實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素

　　以某 10kV/500KW 異步電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)為例：

　　電機(jī)效率為95.03% ，輸入功率為526.12KW ，總損耗為26.12KW ，各項(xiàng)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(xiàng)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(shí)際運(yùn)行時(shí)，電機(jī)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(duì)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(yùn)行中實(shí)時(shí)測(cè)量，另外，從式( 5) 可知，鐵耗還影響轉(zhuǎn)子銅耗的計(jì)算，因此，空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性及準(zhǔn)確度是影響效率計(jì)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(zhǔn)確測(cè)量，是提高可變損耗準(zhǔn)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(jì)算的重要因數(shù)，若電機(jī)埋置了檢溫計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，可利用檢溫計(jì)測(cè)量的溫度替代繞組溫度。廠家試驗(yàn)時(shí)，宜采用停機(jī)測(cè)量直流電阻的方法。

　　轉(zhuǎn)差率測(cè)量方法可以采用測(cè)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(cè)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(pán)、磁鋼、反光片等輔助元件，有時(shí)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(jī)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(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)往往不能準(zhǔn)確測(cè)量甚至失效。

　　電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率隨負(fù)荷變化及供電電壓的變化而變化，上述參數(shù)以及風(fēng)機(jī)輸出功率相關(guān)參數(shù)的同步測(cè)量及積分運(yùn)算等方法是提高效率準(zhǔn)確度的有效方法。同步測(cè)量要求測(cè)量上述參數(shù)的儀表能夠?qū)崟r(shí)輸出數(shù)據(jù)并輸出數(shù)據(jù)相關(guān)的時(shí)間信息。由于系統(tǒng)需要測(cè)量的參量種類(lèi)較多，通常是采用幾個(gè)廠家的儀表進(jìn)行集成的方法，難于滿足同步要求?？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(cè)量的基礎(chǔ)上，采用輸入輸出功率在一段時(shí)間內(nèi)的積分值的比例計(jì)算平均效率，可以有效的減小偶然誤差，提高效率計(jì)算的準(zhǔn)確度。

　　湖南銀河電氣有限公司專(zhuān)業(yè)從事電機(jī)能效測(cè)評(píng)裝置的研究，其AnyWay系列電機(jī)能效評(píng)測(cè)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于全國(guó)各大電機(jī)企業(yè)及第三方檢定機(jī)構(gòu)。在多年從事電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，積累了豐富的電機(jī)能效評(píng)測(cè)的測(cè)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(cè)量設(shè)備及計(jì)算機(jī)測(cè)量技術(shù)保證實(shí)時(shí)測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確度，另一方面，根據(jù)大量的各類(lèi)型電機(jī)試驗(yàn)報(bào)表數(shù)據(jù)，建立了完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于部分缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)或修正，成功解決了風(fēng)機(jī)及機(jī)組系統(tǒng)中電機(jī)效率實(shí)時(shí)測(cè)量問(wèn)題，效率誤差限值可達(dá)0.5%～2%。該裝置既可用于風(fēng)機(jī)企業(yè)對(duì)風(fēng)機(jī)及機(jī)組進(jìn)行效率測(cè)試，也可方便的對(duì)運(yùn)行中的風(fēng)機(jī)機(jī)組進(jìn)行了節(jié)能評(píng)估，為風(fēng)機(jī)用戶更新淘汰低效電機(jī)及高耗能用電設(shè)備、采用高效節(jié)能電機(jī)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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