郭正阳

(潞安环能股份公司 漳村煤矿，山西 长治 046032)

随着煤矿生产机械化程度的提高，对电能的需求越来越大，煤矿在使用机电设备的同时对能源的浪费也日趋严重。矿山生产过程中，异步电动机是提供生产动力的主要机械，但其电能损耗十分巨大，且在实际使用过程中并没有完全使用电动机应有的输出功率，使用时大部分时间电动机处于轻载或空载状态[1]，即使负载发生改变，其变化对于电动机恒定速度几乎不产生影响[2-3]，这导致了电动机的能源使用效率十分低下。如矿用风机使用过程中，电动机的平均输出功率与最高输出功率的比值通常在0.3～0.4之间，且风机的风量也会影响设备整体的使用效率[4]。为了减少电能的损失，提高电动机与风机的使用效率，相关学者做了研究：李晶[5]使用电容补偿的方法把外部供电线路的损耗在一定范围内降低，该方法可以降低外部线路的损耗，但不能涉及内部线路的用电情况；徐春华等[6]改进电动机的结构与设计，包括使用节能材料构建电动机框架等，从一些特殊的结构出发，在一定程度上可以实现电动机的节能效果，但也存在一些缺点，不能满足一些特殊工作环境的要求。

本文主要对调速节能的方法进行研究，该方法能满足矿山生产过程中的实际需求。从交流变频调速的工作原理出发对电机和风机的变频调速原理进行分析，得出频率变化对于电机效率的影响。

1 交流变频调速的工作原理

根据机电理论分析，电动机的转速为式(5)所示：

(1)

式中：p表为电机的极对数；s为电机的转差率；f1为定子供电频率。

由式(1)可以得出：对于电源频率的改变可以实现对电动机的转速调节，电动机的工作状态和负载能力不仅是其使用效率提高的最终影响因素，还需要保证每极磁通保持一个恒定的值。

当生产使用的电动机型号选定时，其使用参数便被固定，如果想在此基础上实现磁通的合理控制，需要通过控制定子供电频率与定子各相电动势的有效值来实现。其中定子各相电动势的有效值由下式表示：

E1=4.44f1W1K1Φm

(2)

式中：W1为定子每相串联的匝数；K1为基波绕组系数；Φm为磁通量。

由式(2)可以看出：要实现对电机的变频调控需要对电机的电压与供电频率进行统一考虑，只有综合考虑两种情况才能达到期望的控制效果。

2 变频对电机效率的影响

对于需要变速运转的风机，要在考虑其风机变频原理的基础上，分析电动机在变频前后效率的改变，得出电动机变频对其效率变化的影响程度。

2.1 风机变频原理

风机变频后根据其比例定律[3]：

(3)

式中：Q1、Q2为风机变频前后的输出流量；H1、H2为风机的压力；P1、P2为风机轴功率；n1、n2为风机转速。

由式(3)可知：当风机的转速发生改变，风机的压力H、轴功率P、以及风量Q都会发生改变，当降低其转速时，可以达到提升效率的效果。

2.2 变频对电机效率影响

当所需的风量一定时，通过变频调控时的分级额定风量QN和额定转速nN的值确定得出实际转速n的大小，且额定风量与实际转速成反比关系，额定转速与实际转速成正比关系。

由于转速可以调节控制频率，当发生频率变化时，忽略其变频器的谐波干扰，可以得出电动机的等效电路图1。

图1 变频电机等效电路

假设电机的输出与输入功率为P1,P2电动机效率为：

(4)

式(4)中存在四种损耗的表达，但上述四种损耗都是以假设变频器的谐波对频率无影响的前提下考虑的，在实际生产使用中，谐波的存在会对电动机各个部件的能量损耗产生复杂的影响。为了对上述公式有一个较为合理的计算，将谐波对公式的影响折算成影响系数，其影响对于电动机计算总能耗时增加约30%，对于使用效率的降低约为1%～3%，此外，对于变频之后的转速判定时，需要重视频率范围对于转速的限制，如果转速差值太大，会导致比例定律的误差较大，所以比例定律一般在60%～80%的额定转速之内取值[7]。根据假定的风量取值Q，可以计算整个系统的能量消耗值，则变频后整个系统的能量消耗可以如式(5)所示：

(5)

式中：ηm,ηv,η分别表示变频电机的效率、变频器效率和系统中其他组成部件的使用效率。

3 计算分析

在矿山生产过程中常使用电机的型号为YRKK630-6，其额定功率为1 000 kW，在电动机中常用的变频器的额定功率可以达到94%～97%。由式(5)系统的能量消耗公式得出不同转速和转矩下的变频器变频效率的变化情况，如表1所示。

表1 不同转速下的变频效率

由表1可以看出，在相同的转矩下，随着转速的提高变频器的变频效率也随之提高；而在转速相同的情况下，随着转矩的提高，由变频而改变的效率也随之提高。其中变频效率达到最高值的时候在96%～97%之间，其转速与转矩为转矩60%，转速100%；最低值时在74%～85%之间，转速为20%，转矩也为20%。可以看出转矩与转速取较大的数值，变频器使用效率的提高越明显。

根据式(4)的电动机效率的计算公式可以得出电机的实际使用效率与变频频率之间的关系，其关系如图2所示。

图2 随频率变化的电动机效率变化

由图2分析可得：电动机的效率随着频率的上升而上升，且15～40 Hz之间效率上升的幅度较大；在15 Hz之前效率随频率的变化幅度较小。且在30 Hz时随着频率上升效率的变化量减少。可以看出电动机低频工作时，电机效率的变化对能源利用率有着较大的影响。

4 结 语

1) 当转速与转矩较小时，变频效率也会随之降低，为保证变频器处于较高的变频效率应提高转速和转矩的值。

2) 电动机低频工作时，能源的利用率较低，随着频率的升高，电机的实际使用效率明显上升，达到了提高能源利用率的目的。