[论文]电机合理选型匹配.李志强.doc

普通高效电机用在泵类负载节能分析一、概述我国在高效电机的推广应用方面比欧美国家已经有了一定的距离，尤其是在专用高效电机方面近乎空白，本文通过对普通高效电机和普通电机带泵类负载情况进行分析并进行试验对比，力争发现普通高效电机用在泵类负载上的节能情况和不足，为我们今后的泵类负载专用节能电机的研制和开发提供些许经验和依据。 二、普通高效电机用在水泵负载分析例1：一台IS100-80-160单级单吸清水泵，额定转速是2900r/min，流量是27.78L/S，扬程是32.01m，轴功率是11.16Kw。现分别配以YX3-160M2-2（15 Kw）普通高效电机，Y2-160M2-2（15 Kw）普通Y2电机和Y2-160M1-2（11 Kw）普通Y2电机，分别进行输入功率的比较。1、三台电机在带同一个泵时，调节管道阀门使流量和扬程的乘积保持不变，进行电机的输入功率的比较。由于已对流量和扬程进行了调节，本处不计电机转速的差异，都按2935 r/min时的轴功率计算。由于水泵的功率和转速的三次方成正比，即，因此，在电机工作在转速为2935r/min时，电机的轴功率为，=11.57Kw。在电机保持流量和扬程的乘积不变时，可视为此时的轴功率保持不变，亦即三台电机的输出功率保持不变为11.57 Kw， 对两台15千瓦的电机等于工作在77%负载率时，对于11千瓦电机等于工作在105%负载率时，下面对三台电机进行电磁计算得出的电机工作在11.57千瓦时的效率和转速值。电机型号功率（KW）满载效率(%)11.57KW时效率(%)满载转速(r/min)11.57KW时转速(r/min)输入功率（KW）Y2-160M1-2118988.842935r/min2931 r/min13.02Y2-160M2-21590.190.62933r/min2949 r/min12.77YX3-160M1-21592.1292.602942r/min2956 r/min12.49由上表可知，在理论上，保持轴功率不变时即流量和扬程都不变时，高效电机(YX3-160M2-2)的输入功率最小，效率要高于其它两种，普通Y2-160M2-2(15KW)电机的输入功率小于普通Y2-160M1-2(11KW)电机。 结论：在水泵的扬程流量保持不变时，高效电机是节能的，由于电机的效率曲线自60%负载率时已经接近最高点（如下图所示），所以基本上不存在“大马拉小车现象。YX3-160M2-2电机比对应规格的普通电机Y2-160M2-2节约电能2.2%。2、在实际工作作业时，往往是用普通电机拖动时，泵的流量和压力已经能满足要求，此时更换高效电机是否节能？节能效果如何呢？我们来分析在管道尺寸和阀门不变，分别换以YX3-160M2-2（15 Kw）普通高效电机，Y2-160M2-2（15 Kw）普通Y2电机和Y2-160M1-2（11 Kw）普通Y2电机，进行输入功率的比较。此时，由于三台电机的额定转速不同，在管道阀门没有变化时，泵的轴功率按三次方增大, 即，但由于随着电机转速的增大和泵的输出水功率增大的同时, 又阻止着电机转速增大, 因此, 电机将在泵的额定轴功率和按三次方关系变化的功率之间的某一点工作, 这一工作点也就是电机的工作特性曲线和水泵工作特性曲线的交点。根据水泵在水泵的额定转速2900 r/min时的轴功率11.16KW和水泵的比例定律，反复进行电机的电磁计算和水泵的比例定律计算，计算结果将收缩到电机和泵各自工作特性曲线的交叉点，亦即分别找到三台电机的工作点。以YX3-160M2-2高效电机为例，由得， =11.65 Kw，再计算YX3-160M2-2电机在11.65 Kw时的转速为2955 r/min。再由得， ，=11.81 Kw，再计算YX3-160M2-2电机在11.81 Kw时的转速仍为2955 r/min，则YX3-160M2-2电机和水泵的工作特性交叉于转速n=2955 r/min ,功率N=11.81 Kw时，即该电机的工作点。用同样的方法可以计算出其它两台电机和水泵相配时的工作点，如下表。电机型号额定功率满载效率工作点的功率和效率工作点转速输入功率Y2-160M1-2118911.5288.86%2931 r/min12.96Y2-160M2-21590.111.7290.59%2948 r/min12.94YX3-160M1-21592.1211.81-92.57%2955 r/min12.76得出结论为，在管道和阀门都不变的情况下，三种电机在保证流量和扬程时，耗能情况是YX3-160M2-2最小，分别比Y2-160M2-2（15 Kw）电机节能1.39%，比Y2-160M1-2（11 Kw）节能1.54%。而从成本上（参考下表），YX3-160M2-2电机则比Y2-160M2-2电机高材料电机型号Y2-160M1-2Y2-160M2-2YX3-160M1-2备注机座价格（元）153153178硅钢每台重量（ Kg）/价格（元）57.605/288.02570.128/350.6487.845/527.07铜线每台重量（ Kg）/价格（元）8.411/403.7289.091/436.36811.874/569.952铝每台重量（ Kg）/价格（元）1.839/25.7462.011/28.1542.558/35.812其他（元）100120200合计（元）817.499935.1621332.834413元（27%），比Y2-160M1-2电机高540元（36%）。若每度电费按0.5元计算，则YX3-160M2-2相对Y2-160M1-2来说，成本回收时间为： T=小时每天按8小时工作，每周5天工作，则回收期为： 回收期=年与一般的节能产品相比，普通节能电机应用在水泵上，节能效果不明显，回收期过长。如图所示，由于泵类负载具有高效工作区窄；高效工作区外效率下快；型谱密度较大；受管网中其它泵组影响等特点，与泵配套的电机也需要具有型谱密度大；高效工作区域宽；过载能力强的特性，并适当考虑水泵经常工作在轻载区，设计水泵专用高效电机时应适当控制成本的增加。例2：一台IS100-65-315单级单吸清水离心泵，额定转速是2900r/min，流量是27.5L/S，扬程是125.32m，轴功率是51.29Kw，原配电机为Y2-280S-2电机，75Kw。现分别配以YX3-280S-2（75 Kw）普通高效电机，Y2-280S-2（75 Kw）普通Y2电机和Y2-250S-2（55 Kw）普通Y2电机，分别进行输入功率的比较。如例一，也按两种工况下进行比较。1、三台电机在带同一个泵时，调节管道阀门使流量和扬程的乘积保持不变，进行电机的输入功率的比较。由于已对流量和扬程进行了调节，本处不计电机转速的差异，都按2971 r/min时的轴功率计算。由于水泵的功率和转速的三次方成正比，即，因此，在电机工作在转速为2971r/min时，电机的轴功率为，=55.15Kw。在电机保持流量和扬程的乘积不变时，可视为此时的轴功率保持不变，亦即三台电机的输出功率保持不变为55.15Kw， 对两台75千瓦的电机等于工作在73.5%负载率时，对于55千瓦电机等于工作在100.3%负载率时，下面对三台电机进行电磁计算得出的电机工作在55.15千瓦时的效率和转速值。电机型号功率（KW）满载效率(%)55.15KW时效率(%)满载转速(r/min)55.15KW时转速(r/min)输入功率（KW）Y2-250M-25593.2993.292967r/min2967 r/min59.12Y2-280S-27593.4593.672971r/min2979 r/min58.88YX3-280S-27594.8894.952978r/min2984r/min58.08由上表可知，在理论上，保持轴功率不变时即流量和扬程都不变时，高效电机YX3-280S-2(75 Kw )的输入功率最小，效率要高于其它两种，普通Y2-280S-2(75 Kw )电机的输入功率小于普通Y2-250M-2(55KW)电机。 结论：在水泵的扬程流量保持不变时，高效电机是节能的，由于电机的效率曲线自60%负载率时已经接近最高点（如下图所示），所以基本上不存在“大马拉小车现象。YX3-280S-2电机比对应规格的普通电机Y2-280S-2节约电能1.36%。2、在实际工作作业时，往往是用普通电机拖动时，泵的流量和压力已经能满足要求，此时更换高效电机的效果。在管道尺寸和阀门不变，分别换以YX3-280S-2（75 Kw）普通高效电机，Y2-280S-2（75 Kw）普通Y2电机和Y2-250M-2（55 Kw）普通Y2电机，进行输入功率的比较。此时，由于三台电机的额定转速不同，在管道阀门没有变化时，泵的轴功率按三次方增大, 即，但由于随着电机转速的增大和泵的输出水功率增大的同时, 又阻止着电机转速增大, 因此, 电机将在泵的额定轴功率和按三次方关系变化的功率之间的某一点工作, 这一工作点也就是电机的工作特性曲线和水泵工作特性曲线的交点。根据水泵在水泵的额定转速2900 r/min时的轴功率51.29KW和水泵的比例定律，反复进行电机的电磁计算和水泵的比例定律计算，计算结果将收缩到电机和泵各自工作特性曲线的交叉点，亦即分别找到三台电机的工作点。以YX3-280S-2高效电机为例，由得， =55.54Kw，再计算YX3-280S-2电机在55.54 Kw时的转速为2984 r/min。再由得， ，=55.88 Kw，再计算YX3-160M2-2电机在55.88 Kw时的转速仍为2984 r/min，则YX3-280S-2电机和水泵的工作特性交叉于转速n=2984 r/min ,功率N=55.88 Kw时，即该电机的工作点。用同样的方法可以计算出其它两台电机和水泵相配时的工作点，如下表。电机型号额定功率满载效率工作点的功率和效率工作点转速输入功率Y2-250M-25593.29%54.9393.29%2967 r/min58.88KwY2-280S-27593.45%55.6093.67%2979 r/min59.36KwYX3-280S-27594.66%55.8894.88%2984 r/min58.90Kw得出结论为，在管道和阀门都不变的情况下，三种电机在保证流量和扬程时，耗能情况是Y2-250M-2最小，YX3-280S-2次之，比Y2-280S-2最大。这是因为在大电机进行比较时，由于电机的效率绝对值已经很高，相对来说效率相差不太明显，而转速对输出功率的影响比较大，亦即此时有更多的输出水功率被浪费掉。而从成本上（参考下表），YX3-280S-2电机则比Y2-250M-2电机要高很多，如下表所示：材料电机型号Y2-250M-2Y2-280S-2YX3-280S-2备注机座价格（元）550740940硅钢每台重量（ Kg）/价格（元）218.15/1091262.89/1315348.15/2089铜线每台重量（ Kg）/价格（元）29.55/141837.29/199053.05/2546铝每台重量（ Kg）/价格（元）7.92/11110.1/14111.94/167其他（元）400600800合计（元）3570478665422972元（45%），比Y2-280S-2电机高1756元（27%）。若每度电费按0.5元计算，则YX3-280S-2相对Y2-250M-2来说，成本回收时间为： T=小时每天按8小时工作，每周5天工作，则回收期为： 回收期=年与一般的节能产品相比，普通节能电机应用在水泵上，节能效果不明显，回收期过长。如图所示，由于泵类负载具有高效工作区窄；高效工作区外效率下快；型谱密度较大；受管网中其它泵组影响等特点，与泵配套的电机也需要具有型谱密度大；高效工作区域宽；过载能力强的特性，并适当考虑水泵经常工作在轻载区，设计水泵专用高效电机时应适当控制成本的增加。三、结论由于水泵负载的特殊性，其节能远不是更换高效电机这么简单的事情，尤其是正常运行的水泵，其流量和扬程都在管网设计和泵组设计时已经根据实际工况的要求选定，此时若简单进行高效电机的更换，更换后流量和扬程的改善对实际工况并没有起作用，而高效电机的更换并不能起到节能目的，相对于某些电机，反而会因为其转速的提高而增加耗能。根据以上分析可知，由于水泵负载特性