项目概况
某援外项目位于中美洲地区，建筑面积32 000 m2，包括办公楼、教学楼、食堂、宿舍等多栋多层建筑。当地电网的频率为60 Hz，三相电源的电压有480 V和208 V 2种，单相电源的电压为120 V或240 V。项目中涉及的水暖专业设备主要包括通风机、给水泵、电热水器等。
从电力学的角度区分，风机和水泵属于电感性负载，而电热水器为电阻性负载。由于电源条件对二者的影响不同，所以分别予以讨论。
电源条件对风机水泵的影响
该工程中设计的风机和水泵，配用电源多为480 V/60 Hz的三相电源，只有个别功率较小的风机采用单相电源。下面针对480 V/60 Hz的三相电源对国产风机和水泵的运行影响作一简单分析。
风机和水泵的驱动装置均为异步交流电动机。这种电动机是基于气隙旋转磁场和转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机。转矩和转速的关系是所有电动机的重要工作特性。根据转矩和转速的关系，电动机的负载特性主要包括3种类型：恒转矩负载、恒功率负载、二次方律负载。暖通行业常用的风机和水泵是典型的二次方律负载，其特点是负载转矩TL的大小与转速n的二次幂成正比。因此当转速n增大时，TL会急剧增大。
国产交流异步电动机的三相额定电压和频率为380 V/50 Hz。如果将国产的风机水泵直接接入当地480 V/60 Hz的电网，风机水泵的运行能否满足设计要求可以从2个方面进行分析。
首先，从驱动侧即电动机的角度来看，电动机的启动转矩公式为
式中Ts为电动机的启动转矩，N•m；CT为常数，由电动机结构决定；KW2为转子绕组的绕组因数；N2为转子绕组的匝数；f1为电源的频率，Hz；KW1为定子绕组的绕组因数；N1为定子绕组的匝数；U1为电源的电压，V；R2为转子绕组的电阻，Ω；X2为转子绕组的漏电抗，Ω。
式（1）中除了U1，f1，其余基本上都是由电动机结构决定的常数，因此，当电源参数由380 V/50 Hz变为480 V/60 Hz时，同一台电动机的启动转矩增大了1.33倍，而电动机负载即风机或水泵，在启动瞬间转速为0，其对于电动机的阻转矩是相同的，因此风机水泵的启动没有问题。
由于风机和水泵属于二次方律负载，一旦启动，随着转速的增加其负载转矩会迅速增大。
异步电动机的转子转速计算式为
式中n为转子的转速，r/min；p为磁极对数s为电动机的转差率。
对于1台给定的电动机，其磁极对数p为定值。此时转子的转速n和电源的频率f1及转差率s有关。在正常的工作范围内，s数值很小，一般异步电动机的额定转差率在0.02～0.05之间。因此影响转子转速的主要因素是电源的频率f1。如果忽略s的影响，当电源频率由50 Hz变为60 Hz时，电动机转子的转速将增大至额定转速的1.2倍。根据风机水泵的负载特性，此时负载阻转矩TL将增大至额定转矩的1.44倍，若要保证风机水泵正常运转，就需要电动机输出的电磁转矩Te也随之增大。
电动机的电磁转矩计算式为
式中Te为电动机的转矩，N·m；CT为由电动机结构决定的常数；Фm为旋转磁场的磁通最大值，
如果电动机内的电流超过额定值，会导致电动机的温升超标，温度过高会引起绝缘材料过快老化，甚至烧毁电动机；如果磁通超过额定值，则磁路饱和，会发生畸变，这是电动机正常运行所不允许的。由上面分析可以看出，在该工程的电源条件下，Фm增幅约为5％，引起磁路饱和的可能性不大，但转子电流的增幅高达37％，如果风机水泵在此状态下长期运转，势必会导致电动机过热，严重时有可能烧毁电动机。因此，国产的额定电源条件为三相380 V/50 Hz的风机和水泵不能直接接入当地的电网中。
从负载侧即风机水泵的角度来看，如果按照设计工况的流量和扬程选择了额定频率为50 Hz的设备，当此设备接入60 Hz的电网中时，由于转速提高，风机水泵的性能曲线将从图1中的曲线1变为曲线2。在管路系统特性曲线不变的情况下，风机水泵的工作点将由设计工况点A变为点B，此时即使电动机能够运行，水泵的流量和扬程（或风机的风量、风压）都明显偏离了设计工况点。
图1 水泵或风机的工况点比较
电源条件对电热水器的影响
在该工程中，有几栋建筑设有电热水器，电热水器的当地电源条件为单相240 V/60 Hz。电热水器属于电阻性负载，因为没有运动部件，电源的频率变化对设备运行基本没有影响。电热水器的功率计算公式为
式中P为电热水器的功率，W；U为电源的电压，V；I为电流，A；R为电加热棒的电阻，Ω；cosφ为功率因数。
对于电阻性负载，cosφ＝1，而对1台特定的加热器而言，其加热棒的电阻R可以认为是常数，因此当电源的电压由220 V增大至240 V时，电热水器的耗功率将增大为额定功率的1.19倍。
考虑到电网电压的波动性，用电设备的生产厂商均会考虑使产品具有比电网电压允许偏差更宽的工作电压范围。在国标图集08S126《热水器选用及安装》中，对储水式电热水器的电压供电条件就有明确规定：“电压额定值为85％～110％范围内的单相220 V或三相380 V交流电源”。意即对于国产的单相电热水器而言，其额定电压应在187～242 V之间，产品相关配件应能满足此电压下使用的安全要求。因此额定电源条件为单相220 V/50 Hz的国产电热水器，在当地的电源条件下（单相240 V/60 Hz）也能保证正常使用。
设计初期的设备电量预留
由前面的分析已知，在该工程条件下，电热水器可以国内采购，而风机水泵不能采用国内的常规产品。由于国内生产厂家的产品样本，电源参数都是380 V（三相）/220 V（单相），50 Hz，可能短时间内不易找到能根据不同的电源条件进行选型的专业厂家。那么在设计初期能否按照国内的产品样本预留电热水器和风机水泵的电量呢？这同样需要区别对待。
电热水器的电量预留
电热水器虽然可以采用国内产品，但由于受援国的电压为240 V，高于我国的额定电压220 V，从而导致国产热水器的实际功率增大了约19％。因此在设计阶段无法确定设备采购地的情况下，电热水器的功率应按照国内产品额定功率的1.19倍进行条件预留。这主要是考虑到援外工程大多数情况下为限额设计，工程预算额一旦确定原则上是不允许突破的。
风机水泵的电量预留
与电热水器的情况相反，风机水泵尽管不能采用我国的常规产品，但在设计初期却可以按照国内的产品样本进行电量预留。
1 原理分析
水泵的有效功率是指水泵在单位时间内对所输送的流体所做的功，比如某工程需要的水泵流量为Q，扬程为H，那么水泵的有效功率为
也就是说，不论电源条件如何，当水泵的流量、扬程一定时，单纯从做功的角度来看，其耗能量是一定的。
工程设计时，水泵的电量预留应以配用功率为依据，而不是有效功率。配用功率是指水泵选配的原动机所具有的功率，由于水泵本身存在能量损失，电动机在将能量传递给水泵轴的过程中也有功率损失，此外考虑到防止原动机过载情况的发生，一般水泵配用的电动机会考虑一定的安全余量，配用功率与有效功率之间存在如下关系：
式中N为水泵的配用功率，kW；η为水泵的效率；KA为电动机容量安全系数。
风机有效功率Nf的计算公式为
可见，在设计参数相同的情况下，影响风机水泵配用电动机功率的主要因素是设备的效率。在目前的制造技术水平下，各知名厂商的同类产品，其效率差别不会对配用电动机功率造成很大影响。一方面，为保证产品质量，节约能源，国家针对风机水泵等常用设备制定了相关标准，不论哪个生产厂商的产品都必须满足国家标准的要求，比如GB 19761—2009《通风机能效限定值及能效等级》和GB 19762—2007《清水离心泵能效限定值及节能评价值》；另一方面，根据GB/T 4772—1999《旋转电机尺寸和输出功率等级》，电动机的功率应符合等级系列，流量扬程（或风量风压）相同的水泵（或风机），即使因效率问题而导致所需要的实际功率有所不同，但配用的电动机功率多数情况下也会靠近同一个功率等级。功率越大，功率等级之间的差值越大，设备电动机采用不同功率等级的可能性也就越小。而小功率的设备，即使其配用电动机的功率等级不同，但由于等级之间的差值较小，设计初期的电量预留也不会影响到相应电路系统的设计。
2 设计验证
本工程中，在设计初期按国内厂家的产品样本选择了风机和水泵的配用功率，后来请专业厂家按照项目当地的电源条件进行计算机选型计算。
不同的电源条件下，按照国内样本确定的风机水泵配用电量，与专业厂商按照当地电源条件通过计算机选型得出的设备电量，大部分是相同的，仅有个别设备的电量稍有差别。
结论
1 额定电源条件为380 V/50 Hz的风机和水泵，不能直接应用于480 V/60 Hz的电网中。风机水泵及其配用电动机应在受援国采购，或由国内专业生产厂商根据受援国的电源参数专门定制。但在设计初期，可以参照国内的产品样本预留风机和水泵的电量。
2 国产的单相电热水器，可以在受援国单相240 V/60 Hz的电网中正常使用，但热水器的用电功率应按照国内产品额定功率的1.19倍预留电气条件。
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只看楼主 我来说两句-
九十九
沙发
谢谢楼主谢谢楼主
2016-03-01 09:16:01
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平平安安1206
板凳
楼主写得很好，学习了
2016-02-29 15:23:29
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