電動機變工況節能評價技術初步研究

趙立華， 潘文文， 李榮軍， 段彥敏

（1.中國電子技術標準化研究院， 北京 100007； 2.上海電器科學研究所（集團）有限公司， 上海 200063；3.機械工業技術發展基金會， 北京 100045）

0 引言

電機系統是用電量最大的終端用能設備， 電機的總耗電量占全社會總用電量的64%左右， 工業領域的電機用電量占工業用電的75%左右[1-2]，工業領域電機能效每提升1 個百分點，可年節約用電400 億kWh 左右，推動電機系統能效提升意義重大。

電機系統節能主要有三個方面， 一是提高電動機本身的效率， 這方面隨著我國發布最新的GB 18613-2020標準中3 級等同于IEC 60034-30-1 中的IE3，2 級等同于IE4，1 級等同于IE5，我國電動機本身的能效達到世界先進水平；二是電動機的運行管理，針對運行中電動機系統的工況變化、設備老化、非正常操作等方面狀況，及時淘汰更換老舊設備，強化系統經濟運行管理；三是改善電動機與負載的配合，如功率配合、轉速配合和機械特性配合等[3]。 提高電動機本身的額定效率是基礎，做好實際運行的匹配和經濟運行是電機系統能效提升的重要保障。因此，有效衡量電動機效率，尤其是實際運行的電動機能效水平， 開展電機及電機系統節能評價與認證是推動電機系統能效提升的重要基礎工作。

1 電動機節能評價與認證

GB 755-2008/IEC60034-1：2004《旋轉電機 定額和性能》、GB/T 1032-2012 《三相異步電動機試驗方法》、GB/T 12497-2006《三相異步電動機經濟運行》、GB 18613-2012《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》等標準規定了三相異步電動機產品的各種性能指標和產品檢驗方法。GB 18613 中規定三相異步電動機采用GB/T 1032 B法損耗分析法規定進行效率測試[4]。

世界各國都在積極推進節能認證方面的工作， 并取得了一定實踐成果，如歐盟的白色認證體系、美國的“能源之星”節能認證制度、韓國的“能效標識”節能產品認證制度等。而對于電機的節能認證，各國采用的認證標準亦不相同，美國采用IEC 60034-30，歐盟對通風機采用ErP認證，其采用標準為ISO 12759。在電機能效測試方面，各國大多采用基于測量各損耗分量進而求取效率的損耗分析法， 比如美國采用IEEE 112B 標準， 歐洲采用IEC 60034-2，日本采用JEC 37，澳大利亞采用IEC 61972[5]。

上述節能評價或認證僅在額定設計工況下對電機系統進行檢測，但電機系統運行工況復雜，往往根據負荷需求變化處于變工況運行， 以上評價或認證方式不能真實評估電機系統的實際能效水平。據統計，我國電機系統運行效率比國外先進水平低10～20 個百分點， 這與電機的實際運行負荷狀況變化大[6]和開始選型時的節能評估具有重要關聯。因此，建立電機變工況條件下的綜合節能評價體系意義重大。

2 電動機效率與負荷及頻率的影響分析

圖1 電動機效率與負載率的關系示意圖

電動機的效率和功率因數跟負載密切相關[7-9]，如圖1 所示。圖中A、B 分別為兩種不同的設計效率曲線，兩者額定功率時的總損耗相同，但A 曲線空載損耗小，可變損耗（定、轉子繞組電流損耗和負載雜耗）較大，B 曲線空載損耗較大，可變損耗較小。 兩者額定工況時的效率相同，但A 曲線在負載40%～100%均有較高的效率，B 曲線則低于90%負載后效率快速下降。 考慮電機實際是在非固定工況下運行，應采用A 設計，或者在選取電機時采用A設計曲線的產品。 但依照目前測試標準，兩者額定效率相同，無法有效區分。 從圖中同樣發現，不論何種設計曲線，當負載低于50%時，電動機的效率都會大幅度下降，因此在選用電機時負載率不能過低。 同時，在設計運行中為了改變電機轉速，需要通過調頻的方式改變電機的輸入頻率，從而有必要開展頻率變化對電機運行效率的研究。

3 電動機變工況節能評價研究

3.1 電動機定頻變負荷節能評價研究

基于以上分析，采用多個負載點效率測評的綜合評價方法，能夠全面評估電機的實際運行能效水平。 李榮軍[10]研究了變工況條件下電動機效率與功率因數的關系，提出采用不同工況點下的電機效率和功率因數作為電動機的節能評價指標；潘文文[11]采用中小型電機設計值與實驗室測試的方法分別研究了190 余臺典型三相異步電動機分別在不同運行負荷下的效率， 通過測試22kW 四級電動機25%～150%工況下的效率和功率因數等參數，分析確定了以50%、75%和100%為變工況測試點， 并與效率設計值和效率容差值進行了對比，發現100%工況的測試效率值均符合標準效率容差要求，75%工況下的效率值最高，50%工況下效率變化較大，但仍有近70%的數據在設計值容差范圍內， 并得出采用三相異步電動機系統設計值作為50%和75%工況點的節能評價值。

在此基礎上， 研究形成了11kW、22kW、55kW、90kW四種常用電機在50Hz 運行下的變工況節能評價值，其同時要求電機在50%、75%和100%工況點下的效率和功率因數均滿足節能評價值要求才能評價為節能電機。 具體參數如表1 所示。 表中，效率容差：-0.15（1-η）；功率因數容差：-（1-cosφ）/6，最少-0.02，最多-0.07。

表1 典型電動機變負荷節能評價參考值

3.2 55kW 四極電機變頻變負荷節能評價研究

選定常用的55kW 四極電機， 按照GB/T 1032-2012測試方法， 分別測試電動機在30Hz、40Hz、50Hz 運行下，不同負載（50%、75%、100%、125%和150%）時的效率和功率因數， 參照3.1 節中利用設計值作為對應負荷節能評價值，并通過加權平均的方式，確定了55kW 四極電機變頻變負荷節能評價指標值，如表2 所示。 表中，η、cosΦ 分別代表電機在額定功率運行下的效率、功率因數。

表2 55kW 四極電機變頻變負荷節能評價指標值

計算公式：

式中：a150—電機在50Hz 運行下，50%負載下的運行值；a140—電機在40Hz 運行下，50%負載下的運行值；a130—電機在30Hz 運行下，50%負載下的運行值；a250—電機在50Hz 運行下，75%負載下的運行值；a240—電機在40Hz 運行下，75%負載下運行值；a230—電機在30Hz 運行下，75%負載下的運行值；a350—電機在50Hz 運行下，100%負載下的運行值；a340—電機在40Hz 運行下，100%負載下的運行值；a330—電機在30Hz 運行下，100%負載下的運行值；a450—電機在50Hz 運行下，125%負載下的運行值；a440—電機在40Hz 運行下，125%負載下的運行值；a430—電機在30Hz 運行下，125%負載下的運行值；a550—電機在50Hz 運行下，150%負載下的運行值；a540—電機在40Hz 運行下，150%負載下的運行值；a530—電機在30Hz運行下，150%負載下的運行值；A1—電機在30、40、50Hz運行下，50%負載下的綜合數值；A2—電機在30、40、50Hz 運行下，75%負載下的綜合數值；A3—電機在30、40、50Hz 運行下，100%負載下的綜合數值；A4—電機在30、40、50Hz 運行下，125%負載下的綜合數值；A5—電機在30、40、50Hz 運行下，150%負載下的綜合數值；A—電機在變工況條件運行下的綜合指標。

4 結論

電機系統是耗電量最大的終端設備， 提高電機系統特別是實際運行的電機系統能效水平對工業綠色高質量

發展和實現碳達峰碳中和的目標意義重大。 電機實際運

行的工況持續變化， 以額定工況單點能效來作為電機的節能評價值不能完整評價電機的實際運行能效。 本文以常用的電機為例， 開展定頻變負荷和變頻變負荷的初步研究，提出了電動機變工況節能評價方法和評價值，并設定了對應的容差值， 對豐富和完善電動機節能評價技術

體系具有重要意義。