GB/T 26921-2011 电机系统（风机、泵、空气压缩机）优化设计指南

　　ICS 27. 010 F 01

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 26921—2011

　　电机系统(风机、泵、空气压缩机)

　　优化设计指南

　　Theguideofdesign optimization formotorsystems

　　(fans,pumps,aircompressors)

　　2011-09-29发布 2012-03-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　

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　　中 华 人 民 共 和 国

　　国 家 标 准

　　电机系统(风机、泵、空气压缩机)

　　优化设计指南

　　GB/T 26921—2011

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　　中 国 标 准 出 版 社 出 版 发 行

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　　北京市西城区三里河北街 16号(100045)

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　　服务热线 :010-68522006

　　2012年 3 月第一版

　　*

　　书号 : 155066 · 1-44089

　　版权专有 侵权必究

　　GB/T 26921—2011

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 2

　　4 电机系统的基本要求 2

　　4. 1 供电电源质量的要求 2

　　4. 2 电动机及变频器效率的基本要求 2

　　4. 3 电机系统功率因数的要求 3

　　4. 4 电机系统谐波限制要求 3

　　4. 5 电机系统计量器具配备的要求 4

　　5 电动机选用 5

　　5. 1 电动机选用的基本原则 5

　　5. 2 非调速运行电动机的选用 5

　　5. 3 调速运行电动机的选用 6

　　6 电动机调速方式和调速装置的选择 6

　　6. 1 电动机调速的基本要求 6

　　6. 2 电动机调速方式及其控制方法的选择 6

　　6. 3 调速装置的选择 8

　　7 风机系统优化设计 8

　　7. 1 基本要求 8

　　7. 2 管网设计 9

　　7. 3 风机的选型 10

　　7. 4 风机与电机匹配 10

　　7. 5 风机系统优化设计的评价 10

　　8 泵系统优化设计 11

　　8. 1 基本要求 11

　　8. 2 泵机组运行方式及泵设计流量 11

　　8. 3 泵系统管道布置与管网设计 11

　　8. 4 泵的选型 12

　　8. 5 泵机组电动机的功率匹配及运行 13

　　8. 6 泵系统优化设计的评价 13

　　9 空气压缩机系统优化设计 14

　　9. 1 基本要求 14

　　9. 2 压缩空气系统设计流量的确定 14

　　9. 3 空气压缩机选型 15

　　9. 4 压缩空气后处理装置 15

　　Ⅰ

　　GB/T 26921—2011

　　9. 5 储气罐 15

　　9. 6 压缩空气站布置 15

　　9. 7 压缩空气管道 16

　　9. 8 其他要求 16

　　9. 9 空气压缩机系统优化设计的评价 16

　　附录 A (资料性附录) 电动机主要类型与特性 17

　　A. 1 电动机的主要类型 17

　　A. 2 同步电动机的特性 17

　　A. 3 异步电动机的特性 19

　　A. 4 高效电动机 22

　　附录 B (资料性附录) 电动机的调速方式 24

　　B. 1 变频调速 24

　　B. 2 串级调速的基本原理 42

　　B. 3 笼型三相异步电动机变极对数调速 44

　　B. 4 开关磁阻电机系统运行原理 45

　　B. 5 无换向器同步电动机调速 46

　　附录 C (资料性附录) 电机系统设计的技术经济比较 49

　　C. 1 概述 49

　　C. 2 设备寿命周期成本 49

　　C. 3 回收期 49

　　附录 D (资料性附录) 风机的类型与特性 50

　　D. 1 风机的分类 50

　　D. 2 风机的基本性能参数 50

　　D. 3 风机性能曲线 54

　　D. 4 风机的运行 56

　　附录 E (资料性附录) 泵的主要类型与特性 59

　　E. 1 泵的分类 59

　　E. 2 泵的性能特点 59

　　E. 3 输液管的沿程阻力损失和局部阻力损失计算式 62

　　E. 4 泵系统管网的性能曲线 62

　　E. 5 泵的工作点 63

　　E. 6 泵运行工况的调节 63

　　E. 7 汽蚀余量 Δh及汽蚀比转速 C 66

　　附录 F (资料性附录) 空气压缩机的特性及相关设备 68

　　F. 1 空气压缩机的分类与特性 68

　　F. 2 空气后处理设备 73

　　F. 3 储气罐 77

　　Ⅱ

　　GB/T 26921—2011

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由国家发展和改革委员会资源节约和环境保护司提出 。

　　本标准由全国能源基础与管理标准化技术委员会(SAC/TC 20) 和全国旋转电机标准化技术委员

　　会(SAC/TC26)归 口 。

　　本标准起草单位 :清华大学电机工程与应用电子技术系 、中国科学院电工研究所 、中国节能协会节电与绿色电能委员会 、中国标准化研究院 、上海电器科学研究所(集团)有限公司 、广州智光电气股份有限公司 、江苏方程电力科技有限公司 。

　　本标准主要起草人 :顾国彪 、李发海 、孙旭东 、侯健 、王海峰 、李世煌 、秦宏波 、闫华光 、赵跃进 、辛升 、陈伟华 、郭伟彰 、卫三民 、苏章曼 、董列 、王慧丽 、吴秋风 、王卫宏 、张建兴 。

　　Ⅲ

　　GB/T 26921—2011

　　电机系统(风机、泵、空气压缩机)

　　优化设计指南

　　1 范围

　　本标准规定了电机系统设计的基本要求 , 电动机选型 , 电动机调速方式和调速装置的选择 , 以及风机系统 、泵系统 、空气压缩机系统的优化设计和评价 。

　　本标准适用于电机系统(风机 、泵 、空气压缩机)的节能优化设计和评价 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB 755 旋转电机 定额和性能

　　GB 4943 信息技术设备的安全

　　GB 10068 轴中心高为 56mm 及以上电机的机械振动 振动的测量 、评定及限值

　　GB 10069. 3 旋转电机噪声测定方法及限值 第 3部分 : 噪声限值

　　GB/T 12497 三相异步电动机经济运行

　　GB/T 12668. 2 调速电气传动系统 第 2部分 :一般要求 低压交流变频电气传动系统额定值的规定

　　GB 12668. 3 调速电气传动系统 第 3部分 :产品的电磁兼容性标准及其特定的试验方法

　　GB/T 12668. 4 调速电气传动系统 第 4部分 :一般要求 交流电压 1000V 以上但不超过35kV的交流调速电气传动系统额定值的规定

　　GB/T 13277 一般用压缩空气质量等级

　　GB/T 13466 交流电气传动风机(泵类 、空气压缩机)系统经济运行通则

　　GB/T 13957 大型三相异步电动机基本系列技术条件

　　GB/T 14549 电能质量 公用电网谐波

　　GB 14711 中小型旋转电机安全要求

　　GB/T 16665 空气压缩机组及供气系统节能监测方法

　　GB 18613 中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级

　　GB 19153 容积式空气压缩机能效限定值及能效等级

　　GB 19761 通风机能效限定值及能效等级

　　GB 19762 清水离心泵能效限定值及节能评价值

　　GB 20052 三相配电变压器能效限定值及节能评价值

　　GB/T 21056 风机 、泵类负载变频调速节电传动系统及其应用技术条件

　　GB/T 21210 单速三相笼型感应电动机起动性能

　　GB 21518 交流接触器能效限定值及能效等级

　　GB 50029 压缩空气站设计规范

　　1

　　GB/T 26921—2011

　　GB 50055 通用用电设备配电设计规范

　　JB/T 2224 大型交流三相四极同步电动机技术条件

　　DL/T 994 火电厂风机水泵用高压变频器

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　电机系统 motorsystems

　　控制装置 、电动机及其拖动的负载机械和管网等设备组成的系统 。

　　3. 2

　　N 设计电动机 design N motor

　　设计为正常起动转矩的三相笼型感应电动机 。 电动机采用直接起动 ,具有 2 极 、4 极 、6 极或 8 极 ,额定功率从 0. 4kW~ 1600kW 。

　　4 电机系统的基本要求

　　4. 1 供电电源质量的要求

　　4. 1. 1 电源电压与额定电压的偏差范围为 : -5% ~ 5% 。

　　4. 1. 2 三相电压系统负序分量不宜超过正序分量的 1%(长期运行) ,或不宜超过 1. 5%(不宜超过几分钟的短时运行) ,且零序分量不宜超过正序分量的 1% 。

　　4. 1. 3 电源频率偏差不宜超过额定频率的 ±1% 。

　　4. 1. 4 供电电压谐波电压因数(HVF) ,对单相和三相电动机 ,包括同步电动机但不包括 N设计电动机不宜超过 0. 02;对 N设计电动机不宜超过 0. 03。

　　4. 2 电动机及变频器效率的基本要求

　　4. 2. 1 三相电动机效率的要求

　　4. 2. 1. 1 对于低压中小型三相异步电动机 ,其效率值应符合 GB 18613的规定 。

　　4. 2. 1. 2 对于高压三相异步电动机 ,其效率值应符合相关标准的规定 。

　　4. 2. 1. 3 对于一般用途的大型笼型三相异步电动机和大型绕线型三相异步电动机 ,其效率值应符合GB/T 13957的规定 。

　　4. 2. 1. 4 对于一般用途的大型三相四极同步电动机 ,其效率值应符合 JB/T 2224的规定 。

　　4. 2. 2 变频器效率的要求

　　变频器在额定输出电压 、额定输出电流的条件下 ,低压变频器效率不宜低于 95% ,高压变频器效率不宜低于 96% 。

　　4. 2. 3 电机系统所用配电设备效率的要求

　　4. 2. 3. 1 对于所配用的专用变压器 ,其空载损耗和负载损耗应符合 GB 20052的规定 。

　　4. 2. 3. 2 对于所配用的交流接触器 ,其吸持功率应符合 GB 21518的规定 。

　　2

　　GB/T 26921—2011

　　4. 3 电机系统功率因数的要求

　　宜根据电机系统运行方式合理实施功率因数补偿 ,补偿后设计工况下功率因数不宜低于 0. 9。

　　4. 4 电机系统谐波限制要求

　　4. 4. 1 对谐波电压的要求

　　电机系统接入公用电网后 , 电网谐波电压应不大于表 1 的规定 。

　　表 1 谐波电压限值

　　电网标称电压/kV

　　电压总谐波畸变率 THDU /%

　　各次谐波电压含有率/%

　　奇次

　　偶次

　　0. 38

　　5. 0

　　4. 0

　　2. 0

　　6

　　4. 0

　　3. 2

　　1. 6

　　10

　　4. 4. 2 谐波电流的要求

　　4. 4. 2. 1 对于准备接入到低压配电系统的每相输入电流不大于 16A 的电机系统 ,其产生的输入电流的各次谐波不宜大于表 2 的规定 。

　　表 2 每相输入电流不大于 16A 设备的谐波电流限值

　　项 目

　　谐波次数n/次

　　最大允许谐波电流

　　I/A

　　奇次谐波

　　3

　　2. 30

　　5

　　1. 14

　　7

　　0. 77

　　9

　　0. 40

　　11

　　0. 33

　　13

　　0. 21

　　15≤n≤39

　　0. 15×15/n

　　偶次谐波

　　2

　　1. 08

　　4

　　0. 43

　　6

　　0. 30

　　8≤n≤40

　　0. 23×8/n

　　4. 4. 2. 2 对于准备接入到低压配电系统的每相输入电流大于 16A 的电机系统 ,其产生输入电流的各次谐波不宜大于表 3 的规定 。

　　3

　　GB/T 26921—2011

　　表 3 每相输入电流大于 16A 设备的谐波电流限值

　　谐波次数n/次

　　允许的谐波电流(In/I1 )/%

　　谐波次数n/次

　　允许的谐波电流(In/I1 )/%

　　3

　　21. 6

　　21

　　≤0. 6

　　5

　　10. 7

　　23

　　0. 9

　　7

　　7. 2

　　25

　　0. 8

　　9

　　3. 8

　　27

　　≤0. 6

　　11

　　3. 1

　　29

　　0. 7

　　13

　　2. 0

　　31

　　0. 7

　　15

　　0. 7

　　≥33

　　≤0. 6

　　17

　　1. 2

　　19

　　1. 1

　　偶次

　　≤8/n或 ≤0. 6

　　注 : In 为谐波电流分量 ,I1 为基波电流额定值 。

　　4. 4. 2. 3 对于准备接入到高压配电系统的电机系统 ,其产生的输入电流的各次谐波不宜大于表 4 的规定 。应在装置正常运行时(持续至少 1 h)进行谐波电流测量 ,按 95%概率大值选取测量值 ,作为判断是否超过允许值的依据 。在较短周期内 ,启动过程中或非正常工作条件下 ,可允许超过上述限值的 50% 。

　　表 4 高压电机系统谐波电流限值

　　谐波次数n/次

　　n<11

　　11≤n<17

　　17≤n<23

　　23≤n<35

　　35≤n

　　THDI

　　允许谐波电流(In/I1 )/%

　　4. 0

　　2. 0

　　1. 5

　　0. 6

　　0. 3

　　5. 0

　　注 1: In 为谐波电流分量 ,I1 为基波电流额定值 。

　　注 2: 表中为奇次谐波限值 ,偶次谐波限值为上述奇次谐波含量的 25% 。

　　4. 4. 2. 4 对于准备接入到电网公共连接点的电机系统 ,其注入的谐波电流分量应符合 GB/T 14549的规定 。

　　4. 5 电机系统计量器具配备的要求

　　4. 5. 1 对于功率在 55kW 及其以上的电动机 ,应监视其电压 、电流 、功率因数及有功功率 ,并配备有功电能表 。仪表的准确度不宜低于表 5 的规定 。

　　表 5 仪表的准确度等级

　　表计类型

　　电压表

　　电流表

　　功率因数表

　　有功电能表

　　准确度等级

　　1. 5

　　1. 5

　　1. 5

　　2. 0

　　4. 5. 2 在风机 、泵 、空气压缩机系统的相关部位处应安装必要的压力表和流量表 。压力表与流量表准确度不宜低于表 6 的规定 。

　　4

　　GB/T 26921—2011

　　表 6 压力表与流量表准确度

　　表计类型

　　压力表

　　流量表

　　准确度等级

　　2. 0

　　2. 5

　　5 电动机选用

　　5. 1 电动机选用的基本原则

　　5. 1. 1 在满足机械负载要求的前提下 ,经济合理地确定电动机的类型和额定功率 ,所选电动机宜与被拖动机械负载的特性相匹配 。 电动机的主要类型与特性参见附录 A。

　　5. 1. 2 电动机的额定电压宜根据其额定功率和所在系统的配电电压或供电电源的输出电压选定 ;必要时 ,应通过技术经济比较确定 。

　　5. 1. 3 根据工作场所的环境条件 ,选择相应的防爆型式 、外壳防护等级和绝缘等级的电动机 。

　　5. 1. 4 电 动 机 的 一 般 性 能 、安 全 性 能 、防 爆 性 能 以 及 噪 声 和 振 动 要 求 应 符 合 GB 755、GB 14711、 GB 10069. 3 和 GB 10068等相关标准 。

　　5. 1. 5 电动机与被拖动机械负载的转轴宜采用联轴器直接连接 。

　　5. 1. 6 电动机的起动方式应符合 GB/T 21210和 GB 50055 的规定 。 大功率 、高电压三相同步电动机宜采用无换向器同步电动机方式进行起动 。

　　5. 1. 7 电动机的堵转转矩 、最大转矩 、最小转矩 、转速及其调节范围等 ,应满足电动机所拖动的负载在各种运行方式下的要求 。

　　5. 1. 8 在有频繁起动 、高 起 动 转 矩 和 冲 击 负 载 等 特 殊 要 求 时 , 可 选 用 相 应 的 专 用 电 动 机 并 进 行 转 矩校验 。

　　5. 1. 9 对于有规律变化的机械负载 ,宜根据其工作制和定额 ,按 GB 755选择相应的工作制类型与定额类别的电动机 。

　　5. 1. 10 对于需要调速的机械负载 ,宜根据调速范围 、效率及长期经济效益等因素 ,选择适合于调速方式的电动机 。

　　5. 1. 11 年运行时间大于 3000h, 负 载 率 大 于 60%的 低 压 中 小 型 三 相 异 步 电 动 机 , 其 效 率 值 宜 符 合GB 18613节能评价值的规定 。

　　5. 2 非调速运行电动机的选用

　　5. 2. 1 电动机类型的选择

　　5. 2. 1. 1 对于中小容量的机械负载 , 当起动 、制动比较频繁 ,要求起动 、制动转矩较大时 ,宜选用堵转转矩大 、堵转电流较小的笼型三相异步电动机 ;在堵转转矩不能满足要求时 ,可选用高转差式三相异步电动机或绕线型三相异步电动机 。

　　5. 2. 1. 2 对于拖动风机 、泵 、压缩机的高压大功率电动机 , 当在技术经济上合理时 ,宜选用三相同步电动机 。

　　5. 2. 2 电动机额定功率的选择

　　5. 2. 2. 1 选择额定功率时 ,宜使电动机的平均负载率不低于 60% 。 电动机的平均负载率低于 50%时 ,在改建和扩建设计中宜更换成较小额定功率的电动机 。

　　5. 2. 2. 2 电动机额定功率大于 250kW 时 ,宜优先选用高压三相交流电动机 。

　　5

　　GB/T 26921—2011

　　5. 2. 2. 3 对于负载稳定 、连续运转的电动机 ,宜使其长期运行在 75% ~ 85%负载率 。

　　5. 2. 2. 4 对于变工况连续工作的电动机 ,宜根据负载变化情况求出平均等效功率 , 电动机的额定功率宜大于等效功率 ,并对电动机的起动性能和过载能力进行校核 。

　　5. 2. 2. 5 对于短时或断续工作的电动机 ,宜选用相应的工作制 ,并使电动机额定功率略大于负载的功率 。也可选用连续工作制电动机来替代 ,此时 ,宜采用等效法求出工作时间内的等效功率 , 电动机的额定功率宜略大于等效功率 ,并应对电动机的起动和过载能力进行校核 。

　　5. 2. 2. 6 对于负载经常变化的电动机 ,可采用调压等节电装置 ,实现经济运行 。

　　5. 3 调速运行电动机的选用

　　5. 3. 1 电动机类型的选择

　　5. 3. 1. 1 电动机的结构和性能宜适合于变速运行要求 。

　　5. 3. 1. 2 在采用变频调速装置进行调速时 ,宜选择适合于变频调速装置供电的电动机 。

　　5. 3. 1. 3 在采用内反馈串级调速装置进行调速时 ,宜采用定子有两套绕组的绕线型三相异步电动机 。

　　5. 3. 1. 4 机械负载只要求有两种或三种转速时 ,可采用变极双速或三速三相异步电动机 ,使其在各转速下满足负载要求 。

　　5. 3. 2 电动机额定功率的选择

　　5. 3. 2. 1 对风机机组 、泵机组起动 、制动和过载能力没有特殊要求时 , 电动机的额定功率按式(1)计算 :

　　Pm …………………………( 1 )

　　式中 :

　　Pm — 电动机功率 ,单位为千瓦(kW) ;

　　PP — 额定流量下的轴功率 ,单位为千瓦(kW) ;

　　ηt — 传动效率 ;

　　α — 余量 。

　　5. 3. 求频(kW)2.,者要求有瞬间过载能力的负载 ,应在满足最大转矩和起动转矩要

　　求的前提下 ,选择电动机的额定功率 。应使电动机的额定功率大于负载轴功率 。

　　6 电动机调速方式和调速装置的选择

　　6. 1 电动机调速的基本要求

　　电机系统进行调速设计或改造时 ,宜根据负载的类型和特性 、调速范围 、起动转矩 、年负荷曲线等要求 ,考虑寿命周期成本 ,根据寿命周期成本分析 ,做出不同方案的技术经济分析比较 ,选择寿命周期成本最低的方案 。 电动机的调速方式 ,见附录 B。寿命周期成本分析 ,见附录 C。

　　6. 2 电动机调速方式及其控制方法的选择

　　6. 2. 1 变频调速

　　6. 2. 1. 1 风机、泵适用变频调速的条件

　　6. 2. 1. 1. 1 风机 、泵的运行工况点偏离高效区 ,可通过调速使运行工况点处于高效区 。