电机系统节能

六、电机系统节能

电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，被广泛应用于工业、商业、国防、公用设施等各个领域。电动机的用电量在世界各国的总用电量中都占有相当大的比重。在中国，电动机的用电量已经占到社会总用电量的60%以上。

为满足不同机械设备传动和动力的需要，中国小型电动机产品品种已发展到140余个系列，600多个品种，5000余个规格；广泛用于化工、石化及煤炭工业的小型防爆电动机已生产130个系列、2000余个规格。目前中国电动机应用市场主要由四大系列组成：JO2系列、Y系列、Y2系列和YX、YX2系列。

根据中国电器工业协会电机分会的统计数据，2001年中国大、中、小型交流电动机市场总容量约为44100兆瓦，其中大型电动机约为3200兆瓦，占7.3%；中小型电动机为40920兆瓦，占92.7%。中小型电动机中小型电动机为31500兆瓦，占中小型电动机总量的71.5%，中型电动机为9400兆瓦，占中小型电动机总量的21.2%。小型电动机是中国电动机市场中量大面广的产品。

中国已具备生产高效电动机的技术条件，但由于市场条件不够成熟，产量和市场容量都较小。1998年高效电动机市场主要是出口美国符合NEMA标准的电动机产量比例还不到2%。1999年高效电动机市场为电动机市场的2%，2000年为4.7%，2001年也只有6.5%。其中70%以上为出口，用于中国市场的产品很少。

目前中国所生产的高效电动机，有32%用于国内市场，67%则出口国外。其中，美国、加拿大（采用NEMA标准）、欧洲（采用IEC标准）和澳大利亚是主要的出口地。

从目前各行业电动机的使用情况看，主要还是Y/Y2系列电动机，而且还有相当一部分是JO系列电动机，高效电动机则主要用于石油和城市给排水行业。从行业对电动机的要求来看，石油、石化、化工、纺织、电力、给排水等行业对高效电动机将有一定的市场需求。

电动机能效水平的提高对于节约能源、环境保护以及资金节约来讲均具有重要意义。我国2001年实际发电量为14650亿千瓦时，其中约有50%的电能由电动机转换成机械能，因此电动机的输入电能为7325亿千瓦时，如果电动机效率提高2%，就可节约146亿千瓦时的电能，相当于2个100万千瓦电站的年发电量，从而可以大大减少一次能源的消耗和二氧化碳的排放，并可相应节省电站建设的投资和电动机用户的电费支出，因此电动机能效水平的提高有着重要的社会和经济意义。

电动机

高效电机

由于世界各国的电动机用电量都占到了全国发电量的50%～60%以上，因此提高电动机效率对节约电能具有重大意义。目前电动机虽然具有比较高的效率，然而新的高效设计进一步降低了损耗，提高了效率，节省了电费。设计、材料和制造技术的改进，使得高效电动机比标准电动机在性能上更胜一筹。

那么，电动机损耗降多少、效率提高多少才算高效电动机呢？

在中国，我们通常说的高效电动机是高效率三相异步电动机，也就是效率水平达到或超过国家标准《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》GB 18613P2002所规定的节能评价值的电动机，其总损耗比Y系列电动机降低20%～30%，效率提高2%～3%以上。

在美国，按照美国“全国电气设备制造商协会标准”（NEMA）规定，高效电动机要比标准电动机效率提高2%～6%，损耗下降20%～30%。美国通过1997年10月颁布的EPAct能源法案开始实施NEMA标准作为最低能效标准。此外，美国还出现了超高效电动机，其效率高于NEMA电动机0.8%～4%。

在欧洲，通过“欧洲电动机和电力电子制造商协会——欧盟能源组织协议”，对每一个规格的电动机都规定了高低两档效率指标，产品的效率值低于低指标的称为eff3电动机，介于低指标和高指标之间的称为eff2电动机，高于高指标的称为eff1电动机，即高效电动机。

企业应用的异步电动机依工作状况可分为频繁启动、间断工作和连续工作三类。为了提高电动机的运行效率，要尽可能使生产机械在各种状态下所需要的能量与电动机输入能量相等，有效利用电能。在设计制造部门，要设法降低电动机内部的功率损耗，提高电动机效率。目前研制的高效节能电动机的主要特点是效率和功率因数比普通电动机高。

一般常规电动机的效率曲线是不平坦的，随负载的减小，效率降低幅度较大，使用中的电动机都在低于额定效率下运行。因此，高效节能电动机应满足以下几点：

①按额定功率计算，功率损耗应减少30%。

②效率曲线应尽可能平坦。

③轴的中心高和额定尺寸应符合国家标准规定。

高效节能电动机用料较多，成本较高，因此只有在负载率和利用率较高的使用条件下运行，才能在较短的时间内回收投资。

高效节能电动机

1.提高电动机效率的措施

提高电动机效率，必然着眼于降低电机的5种损耗，即定子绕组损耗、转子绕组损耗、铁芯损耗、风摩损耗和杂散损耗。降低电磁负荷，多用导电材料铜和导磁材料硅钢片，以降低损耗提高效率。对于高效电机，即指总损耗降低20%～30%，在不改变功率等级和安装尺寸的前提下，尽量提高效率，并能与一般电动机互换，便于广泛配套应用于各种通用机械上。

2.中国电动机能效标准

由国家质量监督检验检疫总局发布的国家标准《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》GB 18513-2002，于2002年8月1日开始实施。该标准对电动机效率规定了两个指标：一为最低限值，是强制性指标；另一个为节能评价值，是推荐性指标。前者为目前电机效率平均水平，后者比前者提高2%～3%，即高效率电机效率水平。其目的在于淘汰低效产品，逐步实现从一般效率电机转变到普遍应用高效电动机。

电机调速节能

在20世纪70年代以前，工业应用的电力拖动设备80%左右均采用交流电动机的恒速拖动，而变速拖动系统大多数采用直流调速系统，但由于结构的原因，直流电动机存在许多缺点，限制了它的广泛应用。如：

①直流电机需要定期更换电刷、换向器，维护保养难。

②由于直流电机存在换向火花，不能应用在易燃易爆等恶劣环境。

③由于直流电机有换向器和电刷，所以直流电机的容量不能太大，转速也不能太高。

④由于直流电机的结构相对比较复杂，其成本也相对较高。

所以很久以来，在工业生产中大量应用的风机、泵类等需要进行流量调节控制的电力拖动系统中，人们不得不保留交流电动机的恒速拖动，大多采用挡板和阀门来调节风速、流量、压力等。这种方法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源大量浪费，因此，人们一直希望能够采用交流电动机调速系统来取代直流电动机调速系统，并在这方面进行了大量的研究开发工作。多年来已经研制出多种交流电动机调速装置，如定子调压调速、变极调速、滑差调速、电磁耦合器调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合器调速和液黏离合器调速等。这些调速系统的研制虽然取得了一定的成果，但仍存在着调速范围窄、损耗仍偏大、功率因数低、适用负载面窄等缺点，限制了交流调速系统的应用。

随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，作为交流调速中心的变频调速技术得到了显著的发展，并广泛地应用于工业生产的各项领域。

以风机水泵为例，根据流体力学原理，流量与转速成正比，风压或扬程与转速的平方成正比，所以轴功率与转速的立方成正比，即P∝n³。理论上，如果流量为额定流量的75%，使感应电动机转速控制在额定转速的3/4运行，其轴功率为额定功率的42%，与采用挡板或闸门调节相比，可减少58%的功率；如果流量下降到额定流量的50%，使感应电动机转速在额定转速的1/2运行，其轴功率为额定功率的1/8，与挡板或闸门调节相比，可减少7/8的功率。由于调速转差功率损耗和控制装置的附加功率损耗都比调速减少的功率损耗小得多，实际节电效果还是相当明显的。因此，调速技术应用在负载率偏低和流量变动较大的风机和泵类等流体设备的电力拖动上可获得显著的节电效益，这也是为什么风机和泵类是调速技术节电应用重点对象的主要原因。

风机水泵

与传动的交流拖动系统相比，变频调速系统有许多突出的优点。

(1)节能

变频器容易实现对现有的交流电机进行调速控制。在工业中，如电厂、矿山和冶金、石油、化工、机械、电子、建材、纺织、轻工等许多行业大量存在需要电机变速及软启动的场合。根据全国第三次工业普查公布的统计数字，我国风机水泵压缩机类通用机械总装机容量为1.6亿千瓦，其中风机约为4900万千瓦，水泵约为1000万千瓦，年耗电3200亿千瓦时，占全国耗电总量的1/3，占工业用电量的40%，在国民经济中举足轻重，节能潜力很大。特别是1998年1月1日我国实施的《节约能源法》第四章第三十九条（二）款明文规定：“逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速的电力电子技术……提高电能利用率”，近几年的实践证明：通过变频调速来取代阀门、挡板控制，节电效果明显，特别是对于中大容量交流电动机拖动的风机、泵类系统(300千瓦以上)，若采用变频调速，节电效果更加明显，而且回收投资期短，一般为1～2年。变频调速已成为节能的重要手段和重大措施。

(2)调速范围大而且连续

变频调速系统通过连续改变变频器输出频率来实现转速的连续变化，使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，运行效率也明显提高。一般来说，通用变频器的调速范围可达1∶10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可达1∶1000。

(3)容易实现正、反转切换和构成自动控制系统

在电网电压下运行的交流电动机进行正、反转切换时，只需改变相序即可实现。如果在电动机尚处高速时就进行相序切换，电动机内将会产生较大的冲击电流，甚至有烧毁电机的危险。而在变频调速系统中可以通过改变变频器输出频率先使电动机降至低速，再进行相序切换。这样切换电流可以比较小，电动机的功耗和发热也都减小了许多。另外变频器有接口同其他设备一起构成自动控制系统。

(4)启动电流小，可用于频繁启动和制动场合

三相异步电动机

异步电动机直接启动的启动电流通常为额定电流的5～6倍，电机损耗较大，所需电源容量也很大，因此不宜频繁启、停。采用变频器对异步电动机进行驱动时，可以将变频器的输出频率降至很低时启动，电动机的启动电流很小，因而变频器输入端要求电源配置的配电容量也可以相应减小。另外它还可以采用变频器来实现电气制动。制动时变频器的输出频率先逐步减小，负载所存储的机械能将转换为电能回馈到变频器，通过一定的制动回路将这部分能量或者以热能形式消耗掉，或者回馈给电网。因此变频器驱动交流电机调速系统可以工作在频繁启动和制动的场合。

(5)结构简单、运行安全可靠

变频调速系统中异步电机结构简单、坚固耐用，而且通常不需再用齿轮箱等其他变速装置，保养维修都比较简单，可根据工作环境的不同，选择不同的异步电机，而变频器通常不需改变。因此，变频调速系统能应用于易燃、易爆、易腐蚀等恶劣环境中。

鉴于以上所列出的变频调速的部分优点，在交流电机的调速技术中，变频调速技术是应用面最大、效率最高的。交流变频调速是当代电力电子、微电子、自动控制、传感器、电机等多种先进技术集成起来的一项高技术。近20年的理论发展和应用实践表明，它的调速性能好、节能明显，是电气传动的发展方向；它的应用面宽，为企业节能降耗、提高产品质量和生产效率、最终提高经济效益提供了技术的和物质的支持。因此各工业发达国家都把发展交流电动机变频调速作为技术进步、提高效率和节省能耗的一大措施。凡已经采用变频调速电机的单位大多取得了很好的节电效益，因此变频调速技术在我国的应用有着广阔的前景，也越来越受到政府和企业的高度重视。目前，变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且已经扩展到了工业生产的各个领域和家电产品中。

变频调速系统

电动机变频调速技术

异步电动机的变频调速是现代最佳的调速方法。它不仅是提供一个可调频率的三相电源，更重要的是根据异步电动机内部的电磁规律进行某些特殊的变换，把本来的定子磁场与转子电流加强耦合，又有电压、电流、磁场、功率、转矩、转速等多变量相互关联的非线性电磁系统，力图模仿直流电机调速系统，而使之简化，以改善交流电动机的调速性能。异步电动机的变频调速技术在实践中经受了考验，已经成为一种比较成熟的实用技术为用户、市场所接受。

为达到提高生产效率和节约能量的目的，必须正确选择系统配置，特别是选择系统中的电动机和变频器，这涉及可靠性、性能和价格三方面的因素。

变频调速系统主要包括异步电动机、变频器、控制环节、负载及传动机构。在选择电动机时不仅要考虑驱动机械负载和使其加速所需的电机容量，还应根据生产环境选择相应的电机防护等级。另外，由于这时电机不是由电网供电，而是由变频器供电（即在变频调速运行时，大部分时间里该电动机不是工作在该电机设计制造的额定工况），会带来谐波、电磁干扰，也许会出现局部过电压、过电流等问题。同时，也须考虑让变频器尽量减少谐波、电磁干扰等带来的不良影响。新的历史时期，把电动机—变频器作为整体考虑以求满足用户需求，达到系统最佳的研究开发工作将会取得新进展。