節能電機系統檢測平臺

　　第一章 概況

　　一、電機系統和電機系統節能的含義

　　電機系統包括電動機，被拖動裝置，傳動系統，控制(調速)系統以及管網負荷等，是一個涉及多學科、多專業、多領域的復雜系統。電機系統首先是通過電動機將電能轉化為機械能，再通過被拖動裝置(如風機、水泵、壓縮機、機床、傳送帶等)做功，實現所需的各種功能。

　　電機系統用于各行各業，涉及各種復雜多樣的工況，不同的負載特性以及千差萬別的工藝過程。因此電機系統節能工程技術是在首先滿足負載要求功能的前提下，設計、制造和選用合適的系統部件，并合理組合匹配，使系統綜合節能效果和系統性價比達到最佳或較佳的綜合工程技術。由于電機系統的多樣性，不同電機系統可采用不同的節能措施。

　　從上表看出，電機系統節能工程是需要綜合考慮電動機本體、電動機拖動設備、控制電動機的裝置、管網系統、實現的負載功能等多種因素的復雜的系統節能工程。

　　二、電機系統節能的必要性和緊迫性

　　電機是量大面廣的產品，是用電耗能大戶，也是最具節能潛力的產業。2008年IEC發布的IEC60034—30《單速三相籠型感應電動機的能效分級》標準指出：提高電機系統的效率是節能工程關注的重點，通過系統優化其節能潛力可達到30～60%。國外先進國家和地區都非常重視電機系統節能對實現節能降耗戰略目標的重要作用，采用政府立法，制定能效標準，政府出資資助公共服務機構開展共性關鍵技術研究，制定節能導則，通過宣傳、培訓、信息化服務、技術推廣、檢測服務等各種手段和措施，促使電機系統合理匹配，優化設計等，達到提高系統效率的目的。

　　截止2018年底，我國電動機總裝機容量為20億千瓦以上，其系統用電量約占總用電量的60%以上g上，即約用電3.08萬億千瓦時以上，折合標煤11.31億噸以上。但我國電機系統運行效率比國外先進水平低25～30%，如果能改造現有電機系統的一半，使之平均提高運行效率25%，與2018年統計比，則可年節約用電4575億千瓦時以上，折合標煤1.64億噸以上，還將節約建電站的投資和相應配套設施的投資，大大減少溫室氣體排放。電機系統節能對維護我國能源安全、促進環境保護、實現我國電機系統節能的跨越式和可持續發展、提高我國電機系統節能的核心競爭力具有重要的意義，并且是十分迫切和必要的。

　　三、電機系統節能面臨的問題

　　電機系統節能潛力大，受到國內外普遍關注。但我國在電機系統節能技術和產品的發展上比較滯后，嚴重影響了電機系統節能工程的實施，其面臨的主要困難有：電機系統應用工況復雜多樣，不同的負載特性，要綜合考慮整個電機系統的工況、運行狀況和負載特性，使整個系統的最佳匹配，從而提高系統的運行效率。因此采取的節能措施要“對癥下藥”、“量體裁衣”。而我國在電機系統節能綜合集成技術和應用技術研究領域起步較晚，水平較

　　低，節能工程實施效果不夠明顯。

　　缺乏相應的標準。我國電機系統由于系統設計最大化、選型和設備采購等原因，大都運行在“大馬拉小車”的狀態下，能源浪費嚴重，有的僅單個部件高效，系統機組效率未必高效;反映電機拖動典型設備如：水泵、風機、壓縮機等的機組能效標準技術研究比較缺乏;再就是涉及有效、適用、實用的系統選型、匹配和優化標準、系統節能改造標準、系統節能檢測、評估標準等也不健全;缺乏指導、規范電機系統節能技術和產品發展的相關標準。從而造成對節能效果和節能量不能進行科學的判定，影響了電機系統節能技術的推廣。目前急需在大量、持久、實實在在的科研、測試、應用基礎上，腳踏實地的建設電機系統節能標準體系，有效地服務于電機系統節能工程建設。

　　我國通用節能電機匹配技術和專用節能產品缺乏。目前對高效節能產品存在的誤區之一是：使用高效電機就一定節能。對于風機、水泵、壓縮機等轉矩與轉速的平方成正比的負載，高效電機比低效電機的轉速高，將導致高效電機的輸出功率大于低效電機，可能抵消改進效率所期望帶來的節能利益。在某些情況下，高效電機的實際輸入功率甚至可能比低效電機還要大。因此，簡單地用同規格、高成本的高效電機代替低效電機用于風機、水泵、壓縮機類負載，節能效果并不理想。有時即使各單個部件是高效節能，組合在一起卻達不到高效節能目的，且成本大大(高效電機耗材多)增加。高效電機的使用和推廣自然步履維艱。而先進工業國家為了滿足不同負載特性需求、其通用和專用電機的比例是3：7，以達到節能的效果，而我國是7：3，缺乏專用高效節能電機產品，如高效水泵、風機、壓縮機專用高效電機等。

　　誤區之二是：采用變頻調速就一定節能。隨著節能需求的不斷增加，變頻調速也越來越多的應用于節能。但盲目的使用變頻器并不一定能達到很好的節能效果，且資金投入較大。應根據節能量的大小和投入、系統的特性，進行性價比分析，制定不同的系統節能方案。采用變頻調速應考慮的主要因素有：運行工況，即調節頻繁與電流量調節的匹配，不同的工況應采取不同的節能措施。調節不頻繁的情況下可考慮使用多速電機;在流量調節較小，且調節不頻繁的情況下，可采用降壓或者調節閥門等方式來實現節能措施。系統運行應考慮技術與經濟的平衡，不應盲目的使用變頻調速。采用變頻調速系統，變頻器自身的損耗約3%～6%，在變頻器供電情況下電機將增加損耗1%～2%，系統總損耗將增加4%～8%。系統節電量少于、等于或稍大于增加的損耗量都是不可取的。同時，還需要考慮采用變頻器增加的購置成本及增加的維護成本等。

　　設計、制造、銷售、使用環節存在的問題。制造企業基本上是“各自為戰”，絕大多數電機廠對拖動設備如風機，水泵等了解較少;水泵、風機等生產缺乏電機設計的技術力量;變頻器等控制裝置生產廠大多不熟悉電機、風機、水泵等特性，這就造成市場銷售的各部件產品基本上是通用產品，不能很好的達到合理匹配，很難實現高效節能的目的。

　　缺乏權威、專業性強的第三方對電機系統節能診斷、檢測、評價、認證的機構，使節能方案、節能效果、節能量的認定存在分歧，一定程度上導致電機系統節能的實質性推動存在較大的障礙。

　　缺乏行之有效的強制性法規和配套政策。目前僅靠市場行為是難以推動電機系統節能成為全社會的自覺行動的。市場經濟的法則是“逐利”的，而節能措施前期投入要增加成本，絕大部分企業更多的考慮近期效益，一定程度上影響節能產品的推廣和使用。

　　缺乏行業性有效整合研究力量的機構。目前難以將分別從事電機、風機、水泵、變頻裝置及其它電控設備等方面的專業人員有效地組織起來，致使各單位在較低的水平上重復立項，研發速度和進程比較緩慢。

　　四、標準化工作現狀及發展

　　目前國內電機系統節能相關標準化工作主要依托全國旋轉電機標準化技術委員會，其歸口單位利用上海市科委于2006年授權組建上海電機系統節能工程技術研究中心，更有效地開展電機系統節能技術和節能產品的研究和產業化推廣，開展節能產品標準、系統節能評價方法標準、檢測標準的制訂，開展節能產品和節能系統的測試等工作。同時中心還積極參與到國際標準的制訂工作中。這些標準制定，將彌補我國電機系統節能標準上的欠缺，對我國電機系統節能工程的實施具有一定的推動作用。

　　電機系統節能相應產品的研發必須有相應的標準引導和規范，因此還急需開展各類相關標準研制，如開展電機和相應機組系統節能標準、系統集成產品節能標準、電機子系統節能標準、電機系統節能改造導則和規范、電機系統節能優化設計導則、電機子系統、電機系統的節能診斷，檢測，評估標準等。

　　節能不僅是每個企業的責任和義務，也是企業在未來新經濟模式中尋求發展的重要機遇。電機系統節能將帶動一系列新技術和產品的發展，如：高效節能電機技術及產品;高效機組節能技術及產品;電機系統節能集成技術及產品;電機系統節能測試技術及產品等。同時，上述技術和產品的推廣急需通過相關標準的制定進行規范和指導。

　　第二章 電機、測功機介紹與分類

　　一、電機介紹

　　電機是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置，它的主要作用是把電能轉化成機械能，作為用電器或各種機械的動力源。根據驅動方式不同，電機可分為兩類： 驅動器驅動和 直接驅動。其中驅動器驅動的電機由于可主動調節其運行狀態，因此應用得越來越廣泛。

　　第二章 電機、測功機介紹與分類

　　一、電機介紹

　　電機是指依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置，它的主要作用是把電能轉化成機械能，作為用電器或各種機械的動力源。根據驅動方式不同，電機可分為兩類： 驅動器驅動和 直接驅動。其中驅動器驅動的電機由于可主動調節其運行狀態，因此應用得越來越廣泛。

　　

 

　　因此，為了讓電機的輸出性能更好地匹配實際工況，越來越多的電機加入了驅動器或控制器，對電機的輸入信號進行控制和管理?！　∫虼?，為了讓電機的輸出性能更好地匹配實際工況，越來越多的電機加入了驅動器或控制器，對電機的輸入信號進行控制和管理。

　　

 

　　二、測功機介紹

　　測功機是電機的主要測量設備，最初測功機只是負責測量電機的輸入輸出功率和電機效率。隨著電機行業發展，需要對電機進行評估的項目越來越多，測功機的功能也隨之豐富起來。

　　二、測功機介紹

　　測功機是電機的主要測量設備，最初測功機只是負責測量電機的輸入輸出功率和電機效率。隨著電機行業發展，需要對電機進行評估的項目越來越多，測功機的功能也隨之豐富起來。

　　

 

　　傳統測功機存在的問題

　　問題1：加載、測試響應慢，只能滿足穩態測試需要，無法實現瞬態參數測量。

　　問題2：僅支持三相電信號測量，無法實現對電機及電機驅動器的系統性聯調測試。

　　問題3：精度與帶寬不足，無法滿足電機變頻控制 PWM信號的測試需要。

　　問題4：電參數測試方面且不具備分析功能，無法對諧波、不平衡度等參數進行測量。

　　測功機是電機的主要測量設備，最初測功機只是負責測量電機的輸入輸出功率和電機效率。隨著電機行業發展，需要對電機進行評估的項目越來越多，測功機的功能也隨之豐富起來。

　　傳統測功機存在的問題

　　問題1：加載、測試響應慢，只能滿足穩態測試需要，無法實現瞬態參數測量。

　　問題2：僅支持三相電信號測量，無法實現對電機及電機驅動器的系統性聯調測試。

　　問題3：精度與帶寬不足，無法滿足電機變頻控制 PWM信號的測試需要。

　　問題4：電參數測試方面且不具備分析功能，無法對諧波、不平衡度等參數進行測量。

　　測功機是電機的主要測量設備，最初測功機只是負責測量電機的輸入輸出功率和電機效率。隨著電機行業發展，需要對電機進行評估的項目越來越多，測功機的功能也隨之豐富起來。

　　

 

　　電機行業當前的新需求

　　

 

　　主要測試功能

　　1、參數測量：電壓、電流、功率因數、電功率、效率、頻率、轉速、扭矩、機械功率、旋轉方向、正反轉速差、摩擦轉矩、轉動慣量等電機參數;

　　2、電機測試項目：堵轉試驗、空載試驗、負載試驗、扭矩試驗、溫升試驗、效率試驗、過載試驗、色溫云圖;

　　3、驅動器分析功能：效率分析、諧波分析、三相不平衡度分析、FFT頻譜分析、波形分析、周期分析、趨勢分析等分析功能。

　　4、瞬態分析功能：電機與驅動器參數瞬態波形、轉速和扭矩的變化時間響應、控制響應、負載階躍響應、負載擾動、轉矩波動、齒槽轉矩等功能。