礦用變頻電動機節能效率分析

郭正陽

(潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

隨著煤礦生產機械化程度的提高，對電能的需求越來越大，煤礦在使用機電設備的同時對能源的浪費也日趨嚴重。礦山生產過程中，異步電動機是提供生產動力的主要機械，但其電能損耗十分巨大，且在實際使用過程中并沒有完全使用電動機應有的輸出功率，使用時大部分時間電動機處于輕載或空載狀態[1]，即使負載發生改變，其變化對于電動機恒定速度幾乎不產生影響[2-3]，這導致了電動機的能源使用效率十分低下。如礦用風機使用過程中，電動機的平均輸出功率與最高輸出功率的比值通常在0.3～0.4之間，且風機的風量也會影響設備整體的使用效率[4]。為了減少電能的損失，提高電動機與風機的使用效率，相關學者做了研究：李晶[5]使用電容補償的方法把外部供電線路的損耗在一定范圍內降低，該方法可以降低外部線路的損耗，但不能涉及內部線路的用電情況；徐春華等[6]改進電動機的結構與設計，包括使用節能材料構建電動機框架等，從一些特殊的結構出發，在一定程度上可以實現電動機的節能效果，但也存在一些缺點，不能滿足一些特殊工作環境的要求。

本文主要對調速節能的方法進行研究，該方法能滿足礦山生產過程中的實際需求。從交流變頻調速的工作原理出發對電機和風機的變頻調速原理進行分析，得出頻率變化對于電機效率的影響。

1 交流變頻調速的工作原理

根據機電理論分析，電動機的轉速為式(5)所示：

(1)

式中：p表為電機的極對數；s為電機的轉差率；f1為定子供電頻率。

由式(1)可以得出：對于電源頻率的改變可以實現對電動機的轉速調節，電動機的工作狀態和負載能力不僅是其使用效率提高的最終影響因素，還需要保證每極磁通保持一個恒定的值。

當生產使用的電動機型號選定時，其使用參數便被固定，如果想在此基礎上實現磁通的合理控制，需要通過控制定子供電頻率與定子各相電動勢的有效值來實現。其中定子各相電動勢的有效值由下式表示：

E1=4.44f1W1K1Φm

(2)

式中：W1為定子每相串聯的匝數；K1為基波繞組系數；Φm為磁通量。

由式(2)可以看出：要實現對電機的變頻調控需要對電機的電壓與供電頻率進行統一考慮，只有綜合考慮兩種情況才能達到期望的控制效果。

2 變頻對電機效率的影響

對于需要變速運轉的風機，要在考慮其風機變頻原理的基礎上，分析電動機在變頻前后效率的改變，得出電動機變頻對其效率變化的影響程度。

2.1 風機變頻原理

風機變頻后根據其比例定律[3]：

(3)

式中：Q1、Q2為風機變頻前后的輸出流量；H1、H2為風機的壓力；P1、P2為風機軸功率；n1、n2為風機轉速。

由式(3)可知：當風機的轉速發生改變，風機的壓力H、軸功率P、以及風量Q都會發生改變，當降低其轉速時，可以達到提升效率的效果。

2.2 變頻對電機效率影響

當所需的風量一定時，通過變頻調控時的分級額定風量QN和額定轉速nN的值確定得出實際轉速n的大小，且額定風量與實際轉速成反比關系，額定轉速與實際轉速成正比關系。

由于轉速可以調節控制頻率，當發生頻率變化時，忽略其變頻器的諧波干擾，可以得出電動機的等效電路圖1。

圖1 變頻電機等效電路

假設電機的輸出與輸入功率為P1,P2電動機效率為：

(4)

式(4)中存在四種損耗的表達，但上述四種損耗都是以假設變頻器的諧波對頻率無影響的前提下考慮的，在實際生產使用中，諧波的存在會對電動機各個部件的能量損耗產生復雜的影響。為了對上述公式有一個較為合理的計算，將諧波對公式的影響折算成影響系數，其影響對于電動機計算總能耗時增加約30%，對于使用效率的降低約為1%～3%，此外，對于變頻之后的轉速判定時，需要重視頻率范圍對于轉速的限制，如果轉速差值太大，會導致比例定律的誤差較大，所以比例定律一般在60%～80%的額定轉速之內取值[7]。根據假定的風量取值Q，可以計算整個系統的能量消耗值，則變頻后整個系統的能量消耗可以如式(5)所示：

(5)

式中：ηm,ηv,η分別表示變頻電機的效率、變頻器效率和系統中其他組成部件的使用效率。

3 計算分析

在礦山生產過程中常使用電機的型號為YRKK630-6，其額定功率為1 000 kW，在電動機中常用的變頻器的額定功率可以達到94%～97%。由式(5)系統的能量消耗公式得出不同轉速和轉矩下的變頻器變頻效率的變化情況，如表1所示。

表1 不同轉速下的變頻效率

由表1可以看出，在相同的轉矩下，隨著轉速的提高變頻器的變頻效率也隨之提高；而在轉速相同的情況下，隨著轉矩的提高，由變頻而改變的效率也隨之提高。其中變頻效率達到最高值的時候在96%～97%之間，其轉速與轉矩為轉矩60%，轉速100%；最低值時在74%～85%之間，轉速為20%，轉矩也為20%。可以看出轉矩與轉速取較大的數值，變頻器使用效率的提高越明顯。

根據式(4)的電動機效率的計算公式可以得出電機的實際使用效率與變頻頻率之間的關系，其關系如圖2所示。

圖2 隨頻率變化的電動機效率變化

由圖2分析可得：電動機的效率隨著頻率的上升而上升，且15～40 Hz之間效率上升的幅度較大；在15 Hz之前效率隨頻率的變化幅度較小。且在30 Hz時隨著頻率上升效率的變化量減少?？梢钥闯鲭妱訖C低頻工作時，電機效率的變化對能源利用率有著較大的影響。

4 結 語

1) 當轉速與轉矩較小時，變頻效率也會隨之降低，為保證變頻器處于較高的變頻效率應提高轉速和轉矩的值。

2) 電動機低頻工作時，能源的利用率較低，隨著頻率的升高，電機的實際使用效率明顯上升，達到了提高能源利用率的目的。