1前言
近幾年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源成為了制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要問題，節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境也被國家提到議事日程。電機(jī)的能源消耗占整個能源消耗的60％～70％。各種節(jié)能措施被廣泛應(yīng)用，其中變頻器在風(fēng)機(jī)水泵等方面得到了廣泛的應(yīng)用，但由于變頻器價格高，有些場合并不適合調(diào)速或調(diào)速將會給生產(chǎn)帶來負(fù)面影響等原因限制了變頻器的應(yīng)用。
相控電機(jī)節(jié)電器（實(shí)際上就是根據(jù)電機(jī)負(fù)載率通過可控硅降壓）逐漸成為各節(jié)能廠家積極介入的重點(diǎn)。相控電機(jī)節(jié)電器的主要特點(diǎn)是：(1)不改變受控電機(jī)的轉(zhuǎn)速；(2)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動，降低啟動電流；(3)減少電磁損耗；(4)安裝調(diào)試簡單；(5)投資成本低。
目前市面上有許多這種類型的節(jié)電器，廠家介紹只要負(fù)載率在70％以下，就可以有較好的節(jié)電率，根據(jù)負(fù)載率的大小，節(jié)電率可達(dá)到20%～50%。但在實(shí)際應(yīng)用中卻發(fā)現(xiàn)有很大的差距，而且應(yīng)用的范圍也并不像介紹的那么廣泛，其中主要是與節(jié)電率的計算方法和節(jié)電的可能性有關(guān)。
2節(jié)電率計算方法
中國節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證管理委員會發(fā)布的《電力省電裝置節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)要求》中對電機(jī)輕載調(diào)壓節(jié)電器節(jié)電率計算作了明確規(guī)定。
2.1試驗(yàn)接線原理（見圖1）
2.2節(jié)電率剛量計算方法[1]
在接入節(jié)電器前后，必須保持負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。
(1)不接入節(jié)電器（即閉合旁路開關(guān)K）旁路運(yùn)行，記錄lh（時間的長短可根據(jù)負(fù)載的周期來確定）電機(jī)的用電量W；
(2)接入節(jié)電器（即斷開旁路開關(guān)K），電機(jī)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，記錄lh的用電量W′。
節(jié)電率計算公式為
從圖1中可以看出，電度表是安裝在節(jié)電器電源的進(jìn)線端，因此節(jié)電器木身的能耗也計算在內(nèi)。但有個別廠家是將電度表安裝在節(jié)電器后進(jìn)行測量，這樣旁路時負(fù)載的用電量和電度表接在節(jié)電器的前端是一樣的，但計算節(jié)電率時卻有區(qū)別，主要是將電度表安裝在節(jié)電器后沒有將節(jié)電器本身的損耗計入，從而使計算的節(jié)電率偏高。
3相控電機(jī)節(jié)電器的節(jié)能原理
3.1節(jié)電必須使電機(jī)的電流和功率因數(shù)的乘積減少
由于電機(jī)在輕載或空載運(yùn)行時，電機(jī)電流主要是勵磁電流，這時功率因數(shù)比額定負(fù)載時低。相控電機(jī)節(jié)電器就是通過測量負(fù)載的功率因數(shù)，在電機(jī)輕載時通過降低電壓、減少勵磁電流，從而達(dá)到節(jié)能的目的。
根據(jù)三相電機(jī)功率公式 要降低功率消耗可以通過減少電機(jī)的U、I和cosφ來實(shí)現(xiàn)。從圖1可以看出，實(shí)際上由于電度表安裝在節(jié)電器的前端，因此測量的電壓實(shí)際上并沒有變化，因此要減少功率消耗，電機(jī)電流和功率因數(shù)的乘積一定要下降，才能節(jié)電。由于在降低電壓、減少勵磁電流的同時，功率因數(shù)會上升，因此，電流降低的程度一定要大于功率因數(shù)上升的幅度，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
3.2電機(jī)效率、節(jié)電率和負(fù)載率之間的關(guān)系
從相控電機(jī)節(jié)電器的原理來說，節(jié)電主要是降低電機(jī)在低負(fù)載時的空載損耗，因此，空載損耗所占比例的大小就直接影響節(jié)電率的高低。
(1)電機(jī)效率越低、電機(jī)的損耗就越大，則電機(jī)的節(jié)電空間越大
電機(jī)銘牌上的額定功率PN為軸功率，效率77N為額定輸出功率時的電機(jī)效率，而額定工況小，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的功率尸總等于電機(jī)的軸功率與總損耗藝PN之和，即
P＝P總×ηN (2)
P總＝PN十∑PN (3)
電機(jī)的總損耗與額定功率和效率的關(guān)系為
(2)電機(jī)功率與效率的關(guān)系
以Y系列電機(jī)為例，電機(jī)越小、效率越低；電機(jī)越大、效率越高。同樣功率的電機(jī)轉(zhuǎn)速越低、效率越低，轉(zhuǎn)速越高、效率越高。圖2為Y系列電機(jī)功率與效率的關(guān)系曲線（電機(jī)效率是將同功率不同極數(shù)的效率平均得到）。
(3)電機(jī)節(jié)電量與效率之間的關(guān)系
從圖2可以看出，電機(jī)功率越小，效率越低，損耗越大。電機(jī)運(yùn)行時的損耗，主要由以下幾方面的損耗組成：鐵損、銅損、機(jī)械損耗、雜散損耗（包括風(fēng)損）等。由于采取輕載調(diào)壓節(jié)電主要是減少電機(jī)在輕載時的功率損耗，從而提高電機(jī)效率。由此可見，效率越低，空載損耗越大的電機(jī)，采取調(diào)壓節(jié)電的空間就越大。
3.3節(jié)電率與負(fù)載率之間的關(guān)系
3.3.1效率與負(fù)載率之間的關(guān)系
異步電動機(jī)的運(yùn)行特性用曲線表示如圖3所示。
電動機(jī)運(yùn)行特性定義β=P2/PN，即電動機(jī)負(fù)載與額定負(fù)載的比值，橫坐標(biāo)為β。
由圖3可以看出：
(1)轉(zhuǎn)速只是隨負(fù)荷的增加略有下降；
(2)電流和轉(zhuǎn)矩隨負(fù)荷的增加呈指數(shù)曲線上升；
(3)效率和功率因數(shù)隨負(fù)荷變化呈拋物曲線變化，有一個最大值點(diǎn)。
由圖3的效率曲線可以看出，當(dāng)P<0.5時效率隨負(fù)載的降低急劇下降，這是因?yàn)榭蛰d損耗在總損耗中所占比例較大造成的。空載損耗的主要成分是鐵損和機(jī)械損耗，二者幾乎不隨P變化，稱為不變損耗。因?yàn)殂~損和雜散損耗隨電流的增加按平方關(guān)系增加，故稱為可變損耗。增加電機(jī)輸出功率，即P的上升，效率最初明顯呈上升趨勢。當(dāng)P達(dá)到一定值后，效率達(dá)到最大值，若進(jìn)一步增加輸出功率，效率反而從最大值開始下降，這是因?yàn)榇藭r可變損耗的增加速度超過了輸出功率的增加速度。從理論上講，可變損耗與不變損耗相等時效率達(dá)到最大值。
3.3.2節(jié)電率與負(fù)載率之間的關(guān)系
負(fù)載率越低，空載損耗所占的比例就越大，調(diào)壓節(jié)電率就越高。但要達(dá)到最好的節(jié)電率，還取決于調(diào)壓幅度。雖然降壓可以降低鐵耗，而當(dāng)電壓降到一定程度之后，若繼續(xù)下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗，因此要取得最好的節(jié)能效果，必須有一個合理的調(diào)壓系數(shù)。不同負(fù)載率P下的調(diào)壓系數(shù)由下式可以確定[2]：
式中 ∑PN一電動機(jī)額定負(fù)載時的有功損耗，kW；
P0一電動機(jī)的空載損耗，kW；
K一計算系數(shù)，K= (P0－PM)/∑PN；
PM一電動機(jī)的機(jī)械損耗，kW；
β一電動機(jī)的負(fù)載系數(shù)，β=（P2/ PN）×100%；
P2一電動機(jī)的輸出功率，kW；
PN一電動機(jī)的額定功率，kW.
輕載電機(jī)在采用降壓節(jié)電措施后，節(jié)省的有功功率為
由式（6）可以看出，由于KU<1，β2×(1－1/KU(2)<0，則負(fù)載率R越小，節(jié)電量越大，節(jié)電率越高。負(fù)載率為R時，電機(jī)輸入的總功率為
式中K0一空載損耗占額定功率的比例D；
K1一現(xiàn)場測量的電機(jī)輸入功率與額定功率之比。
則節(jié)電率為
圖4是以Y160L－4為例：Pn = 15kW，η=88.5%，K=0.25，K0=0.038計算出的一組節(jié)電率曲線。
由圖4可以看出，對應(yīng)不同的負(fù)載率，都有一個最好的調(diào)壓系數(shù)，而且如果降壓太多，非但不能節(jié)能，而且還會使能耗增加，圖4中節(jié)電率為負(fù)就是很好的說明。
3.4在實(shí)際應(yīng)用中如何計算負(fù)載率
根據(jù)定義，負(fù)載率是電機(jī)軸輸出功率與電機(jī)額、定輸出功率之比，即β=P2/PN。由于在實(shí)際應(yīng)用中，直接測量P2有一定的難度，因此P2可以通過測量空載損耗和電機(jī)電流計算得到。異步電動機(jī)在額定電壓下的空載電流約為額定電流的20%～50%，空載損耗約為額定功率的3％～8%。在節(jié)能測試現(xiàn)場，我們一般測量的為電機(jī)的輸入功率，可通過以下公式計算得出：
式中K0一空載損耗占額定功率的比例；
K1一現(xiàn)場測量的電機(jī)輸入功率與額定功率之比。
因此節(jié)電率公式也可從式（10）推出：
此公式與電機(jī)功率的大小無關(guān)。
例如：一臺Y160L一415kW電機(jī)，ηN=88.5%，K0=3.8%，K1=25% (K0可以通過查詢國家標(biāo)準(zhǔn)得到，K1由實(shí)際測量得到)。將以上參數(shù)代入式(12)，得β＝20.8％。
從圖4可以看出，當(dāng)負(fù)載率β=20.8％時，最佳調(diào)壓系數(shù)為0.6，這時節(jié)電率可以達(dá)到5.9%。
4綜合節(jié)電
(1)由于在實(shí)際應(yīng)用中，我們所測量的都是電機(jī)實(shí)際節(jié)約的有功功率，對于減少無功所減少的有功損耗不便于直接測量，計算方法如下：
式中 △PQ一節(jié)省無功所減少的有功功率；
KQ一無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，當(dāng)電動機(jī)直連電機(jī)母線
KQ=0.02～0.04，二次變壓取KQ = 0.05～0.07，三次變壓取KQ=0.08～0.10。
(2)其次，由于電壓降低，電機(jī)負(fù)載不變，轉(zhuǎn)差率增大，電動機(jī)輸出功率也會有所減少，因此在實(shí)際測量過程中，節(jié)約的有功會比理論計算的要偏大。
由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)距與電壓平方成正比，若電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩不變，則轉(zhuǎn)差率近似地與電壓的平方成正比。在采取降壓節(jié)電時，只要轉(zhuǎn)差率不超過電動機(jī)的臨界轉(zhuǎn)差率，將不會對電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生影響。
由于電壓下降，轉(zhuǎn)差率增加，因此輸出功率會有所減少。
式中△Ps一因轉(zhuǎn)差率增大所引起的輸出功率的減少量。
5結(jié)語
從以上分析可以石出，電機(jī)輕載時采取降壓節(jié)電是可行的，而節(jié)電率的高低取決于電機(jī)的效率、負(fù)載率以及負(fù)載特性，因此我們在對電機(jī)進(jìn)行降壓節(jié)電改造時，認(rèn)真分析電機(jī)的運(yùn)行特性有利于估算節(jié)電率，并將有利于成本的控制和回收。
|
