超高效电机节能效果测量与分析
时间：2023-03-01 14:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
吕 黎 胡卓超 劳文杰 熊金乐 任智宇 胡 轶 邹 颖
(1.宝钢股份中央研究院武汉分院 湖北 武汉：430083；
2.宝钢股份中央研究院 上海：201900；
3.宝钢股份武钢有限责任公司 湖北 武汉：430080)
电机是将电能转换成机械能的主要设备，在所有的耗电机械中用电量最大的就是电机系统。据统计，目前我国工业电机的用电量约占工业用电的75%左右。但目前工业电机普遍存在设备陈旧、匹配不合理、调节方式落后等问题，我国工业电机系统运行效率较国外先进水平低10%-20%，因而使用高效电机并使电机高效运行，具有很大的节能潜力、环保意义及经济效益[1]。如表1所示，我国2002年首次出台电机能效标准，并参考国际标准先后进行了3次修订，大大提升了电机产品能效等级。最新版的GB 18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》集中于功率范围在0.12 kW至1000 kW的电机，而这一功率范围内的电机，基本涵盖了工业驱动的中小型交流低压、交流高压异步电动机[2]。目前工业电机最高能效等级已经与IEC 60034-30-1：2014一致。与美国等发达国家相比，也已初具优势。
表1 电动机能效标准发展与对比
结合电机最新能效标准的颁布，2020年10月29日，工业和信息化部办公厅和市场监督总局办公厅联合发布《电机能效提升计划(2021-2023年)》(工信厅联节〔2021〕45号)，计划到2023年IE3能效等级以上电机在役运行比例要达到20%以上，这也为超高能效电机的生产、使用、评价提供了政策层面的引导。
在工业企业运行体系中，终端用户对电机的运行管理普遍比较粗放，企业把节能工作的重点放在煤、天然气、油等一次能源上，普遍不了解、不掌握电机是工业企业运行中最大的电能消耗者这一基本事实，导致普遍欠缺电机系统节能意识，同时也缺乏相关的知识与技术[2]。特别是针对节能电机的节能与否上有疑虑，节能效果的多少更是未知。
不同的资料显示，通过专门工艺优化和高等级材料等综合节能技术，可降低电机内的铜(铝) 耗、铁耗、机械风摩与杂散耗损，一般使电机总损耗降低20%～30%[3]。对于额定功率55 kW的电机而言，高效(IE1)的电机比普通的电机消耗的电能少15%左右[4]。但在节能电机选型时，也仅仅依靠标准效能数据和预估工作时间测算，从而得到高等级节能电机更加节能的结论，而没有考虑到电机实际运行过程中的状况；
实验室模拟也只能在既定的电机运行模式下获得相应数据，提出节能3%～9%的结果，与真实工况的契合程度也不可知。这些节能数据的差异也就导致大家对电机节能效果提出异议，因此对单纯进行电机改造后的耗能测量显得尤为必要。
对于单纯进行电机节能改造后的节能量检测，目前没有合适的国际、国内或行业标准，也没有通用的测量方法。上海电机系统节能工程技术研究中心曾推荐一种方法，即对于每台运行中的电机测量输入功率和输出功率(如为泵类需测量泵压力和流量)。在电机更换前后各测一次，分别据此求出效率，然后再进行计算。此方法虽然在理论上正确，但是压力和流量的测量误差较大，精度难以保证，考虑到不同能效等级电机的效率变化在1%～5%之间，稍有误差即可能得到节能量很小甚至不节能的结论。
综上，随着“双碳”目标的提出与推进，我国对电机能效问题愈加重视，政策法规已比较完善，但目前我国电机系统总体能效水平仍然较低，超高能效电机占比不高，节能电机节能效果不够明确。因此本文在监控、对比同等工况条件下的不同能效等级电机耗能情况的基础上，分析高等级高效电机节能效果，为高效节能电机节能效果验证和其推广运用提供参考。
2.1 实验准备
根据《电机能效提升计划(2021-2023年)》要求，某公司计划使用IE3能效电机替换在役IE2电机，电机的使用工况、安装位置不变，各电机均为同型号替换，额定功率也不变。在淘汰更换过程中，针对性地选择同一作业区域相同工况的两台以上同类型电机的点位，如同一槽列刷辊驱动电机、同一区域油泵电机，在不影响生产顺行的前提下观测同一时间段内IE3/IE2能效电机能耗情况。选点位置及型号见表2。
鉴于电机功率及电流情况，给确定监控的每台电机分别安装独立的电表与互感器，采用三相三线经互感器接入，接线方式见图1。
本文将通过对比同等工况下的IE3/IE2能效电机同一时间段内电耗情况，对IE3能效电机相对节能效果进行评价和分析。
表2 考察点位及电机型号
图1 电度表接线图
2.2 实验方案
在确定需要能耗监控电机点位后，更换其中一台为IE3能效同型号电机，确保另外一台IE2能效电机保留，作为对照组；
保持同一点位两台电机同时启动同时关闭；
在确保生产顺行的前提下同一点位两台电机负荷一致或趋于一致。选择作业区域检修断电时为各监控电机安装电度表及配套电流互感器。
电度表安装后，作业区按照正常生产节奏开展，专人定期观测、反馈、记录各电机电度表数据。电度表为浙江正泰的DSSU666 1.5(6)A AC380V型号电子式电能表(图2中白色仪表)，可监测电流相关信息并备有网络连接端口，配合型号为LMZJ1-0.5 150/5 A的电流互感器(图2中深色设备)使用。电度表记录时间精确到秒，电量计量单位为kW·h，精确到百分位。电流互感器使用1:15档位。
图2 电度表实际接线
3.1 刷辊驱动电机
该类电机为刷辊驱动电机，电机带动刷辊旋转，去除带钢表面污垢(见图3)。电机负荷与带钢张力、带钢重量、刷辊与支撑辊间距、刷辊与带钢相对速度和刷辊刷毛等状态有关。表3记录了观测周期内两台刷辊驱动电机的耗电量。
在第一个观测周期内(3月2日-3月9日)，由于对IE3电机带动的刷辊进行单独调试，IE2电机为原有电机，无需调整，因而两者数据悬殊。正常运行之后的观测周期内就近乎正常，一周内数据较为接近，IE3电机平均用电量为68.05 kW·h/周，IE2电机则为70.41 kWh/周。对于额定功率15 kW的YE2/3-180L-6电机，IE2的能效标准为89.7%，IE3的能效标准为91.2%，能效提升的幅度很小，同时由于在实际生产中，两者的负载是变化且不同的，如可通过调整刷辊与支撑辊之间的距离改变刷辊负载，造成了两者的耗电量差值比率有起伏(详见图4)，高等级的高效电机的节能效果不明显。但平均下来，在整个观测周期内，IE3还较IE2省电2.4%。
图3 刷辊分布示意
表3 刷辊驱动电机耗电量
3.2 额定功率为1.5kW的油泵电机1
该类电机为带钢纠偏辊液压驱动用油泵电机，电机负载情况单一，驱动介质一致，基础条件最为接近。表4记录了观察周期内两台油泵电机1的耗电量。
图4 IE3与IE2刷辊驱动电机耗电差值比率推移图
表4 油泵电机1的耗电量
对于额定功率为1.5 kW的YE2/3-100L-6电机，IE2的能效标准为79.8%，IE3的为82.5%，各观测时间段内，两台电机的耗能较为稳定，这与该电机单一的工况有较大关系，干扰少，得到的结果恒定可靠。平均下来，在整个观测周期内，IE3还较IE2省电24.7%，详见图5。
图5 IE3与IE2油泵电机1耗电差值比率推移图
3.3 额定功率为37kW的油泵电机2
与油泵电机1类似，该类电机用于大型液压设备往复运动用油泵电机，电机负载情况单一，驱动介质一致，同一区位的电机基础条件非常接近。表5记录了观察周期内两台油泵电机2的耗电量。
这两台电机已不间断运行6个月，表5只是其中连续几周的数据。对于额定功率为37 kW的YE2/3-225S-4电机，IE2的能效标准为92.7%，IE3的为93.9%，各电机在观测周期内，能耗有波动，因而选择同作业区进行比较有利于消除生产节奏等变化带来的影响。平均下来，在整个观测周期内，IE3还较IE2省电24.2%，详见图6。
图6 IE3与IE2油泵电机2耗电差值比率推移图
3.4 节能效果的分析
能耗是电机寿命周期费用中最主要的部分，由此可见提高电机能效对于企业节能的重要性。对于电力驱动的电机来说，其能耗成本(E)可表示为:
(1)
式中，W为周期内电机能耗；
L为电机运行负荷率(%)；
Pnom电机额定功率(kW)；
H为电机运行时间(h/年)；
C为工业用电价格(元/kWh)；
η为电机运行效率(%)[5]。
在电机运行时间、运行负荷等运行状态相同的情况下，电机的电耗直接受到电机运行效率的影响；
电机效率越高，相同的电机运行状态下，电机的电耗越低。当效率接近时，运行负荷越大，运行时间越长，电机的能耗就越大。因而，高效电机的节能效果也容易因运行状态的变化而受到影响。
表5 油泵电机2的耗电量
表6 各电机节能效果
此外，频繁的启动、停止等异常运转也会带来电耗的增加，降低了节能的效果。
这样的情况在未来实现实时监控电机状况的情况下可以即时调整或切换，以更好地发挥高能效等级电机的节能效果。
工业电机通用的效率定义为输出能量和输入能量的比值，在实际运行中由于测量的不精确而难以实现；
严格的电机效率测试是一个复杂的物理过程，并且测试成本昂贵，对大型电机更是如此，耗时多、耗费资金多。本文在选取同等工况条件下的不同能效等级电机耗能情况的基础上，对高等级高效电机节能效果进行考察、分析，得出以下结论：
(1)较高等级的高效电机IE3较IE2可节能20%左右；
(2)电机能耗情况与使用工况有关，负荷大用电多，启动频繁耗电多；
(3)正常生产时，单一电机的工况时间维度上较为一致，电机能耗稳定。
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