风机、水泵类负载电动机的高效节能运行模式探讨

张天佑

（济宁市兖州区节能监察大队，山东 济宁 272100）

在各类风机调速方式中，变频调速应用广泛，但是其本身效率较低，如何确保异步电动机调速范围的优化及运行效率的提升是本文研究的重点，风机功率与转速的三次方成正比，本文正是利用这种关系对异步电动机变频调速的运行效率进行深入剖析，并基于此提出一种有效的异步电动机高效运行的方式。

1 电动机高效节能运行的可行性

电压适当降低有助于提高轻载运行模式电动机的经济性与适应性，轻载运行状态的转子电流较小，电压降低运行并不会导致电动机能耗超出合理范围，同时，降压运行后，空载电流和铁耗都会随之降低，定子电流将低于正常电压，从而使电动机总损耗降低、工作效率提升，定子温升和功率因数大大优化。

2 风机、水泵类负载电动机节能运行模式

铜损、铁损、机械损耗和杂散损耗等均属于异步电动机稳态运行的损耗，由于其中机械损耗和杂散损耗数量较小且计算较难，可忽略不计，电动机总损耗只包括铜损和铁损。异步电动机具有较励磁阻抗小的漏阻抗，漏阻抗可以忽略不计，则电动机转子电流与定子电流相等，且铜耗与电流平方成正比，计算公式为：

式（1）中：IrN为额定频率下电动机电流；PCuN为额定频率下电动机铜耗；Ir为负载相同而频率不同时电动机电流；PCu为负载相同而频率不同时电动机铜耗。

额定状态电动机转矩为：

实际状态电动机转矩为：

式（2）（3）中：m为电机相数；p为电机级数；Rτ为转子电阻折算值；U1为任一状态电动机定子侧电压；U1N为额定状态电机定子侧电压；f1为任一状态电动机定子侧电源频率；f1N为额定状态电动机定子侧电源频率；S为任一状态电动机转差率；SN为额定状态电动机转差率。

风机类负载电动机转矩与转速平方成正比，则：

通过式（2）（3）（4）（5）可以概括出电动机调速系统中电压调节系数αu与频率调节系数αf的函数关系，公式为：

电动机设计理论表明，电动机铁耗与磁幂平方与频率的1.5次方之间均成正比，公式为：

式（7）中：PFe为任意频率所对应的铁耗；PFeN为额定频率所对应的铁耗。

电动机端电压与磁通和频率之乘积成正比，公式如下：

结合式（7）（8），可以将电动机额定电压、额定频率及额定负载所对应的铜耗、铁耗与任意电压、任意频率及任意负载所对应的铜耗、铁耗的数量关系表示为：

影响电动机铁耗的主要因素是磁幂和电源频率，当电动机运行于额定电压和额定频率下时，铁耗将保持不变，由于电机转矩T=kIrФm，转矩T与转子电流Ir成正比，结合式（1）便可得到下列函数关系：

式（10）中：βN为额定电压、额定频率与额定负载所对应的电动机铜耗与铁耗之比；β为实际电压、实际频率与实际负载所对应的电机铜耗与铁耗之比。

转矩之比可以具体化为功率之比，所以，式（10）可以变形为：

式（11）中：Km为负载系数，表示实际负载对应功率与额定负载对应功率之比，即Km=P/Pm.

随电压变动时受频率协调调控的电机总能耗为：

对式（12）中调节系数αu求异，且令可将定频降压模式下电压与频率的数量关系表示如下：

式（13）中的电压调节系数所对应的是电机损耗最低的调控模式，在该控制模式下实际铜耗与铁耗相等，且损耗最低。当电机设计值βm∈（1.2，2.0）及电机负载系数Km已知的情况下，便可将定频降压控制下的电压与频率的函数关系表示出来，在定频降压调控模式下，则：

为了防止磁路饱和的发生，式（13）所给出的调控模式必须满足αu≤αf，也即，所以可得：

由式（15）可以看出，在额定电压和满载负荷情况下，电动机按照额定降压调控模式运行的过程中，电机在既定转速的磁路上可能已达饱和状态。所以，在定频降压控制模式运用时，为了提高电机运转效率，应降低其负载系数，即Km≤1/，虽然电机容量并未充分利用，但运行过程中损耗已降至最低，对于长期运行的电机具有较大的经济价值。如果当配套性机械设备的负载过大而导致电机负载系数Km在已知条件下难以变动，则应根据式（15）计算既定频率以下电机的损耗量，并采取相应措施在确保αu=αf条件下加以控制。如果Km=1和βN=2同时满足，则认为电机处于最恶劣运行环境，在此种环境下αf所能达到的最小值αfmin=0.76，该值完全符合《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》（GB 18613—2002）所给出的交-交变频技术调速相关规定。

3 结论

变频调速在风机、水泵类负载电机节能运行模式中效率最高，但在实际运行过程中，变频调速运行模式并未使异步电动机产生同样的高效率。

本文在研究电机电压和频率协调控制的基础上，对风机、水泵类负载电动机定频降压及高效节能运行模式进行了定性评价与定量分析探讨。研究结果表明，电动机定频降压和节能降耗运行是完全可能实现的，即频率不变，通过降低电动机输入电压而不断提升其运行效率，实现高效节能运行。本文的推导过程与结论如果能应用于实际变频器控制，将产生可观的节能降耗效果。

［1］宋攀，刘缘丰.永磁同步电机在低速大转矩设备上的直驱应用及节能分析［J］.玻璃，2017，44（06）：27-30.

［2］林佑祥.高效节能电动机的分析与研究［J］.电气制造，2014（11）：93-94.