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电机系统节能综述-陈伟华


电机及其系统节能技术发展综述
陈伟华
全国旋转电机标准化技术委员会秘书长 中国电器工业协会中小型电机分会秘书长 上海电器科学研究所(集团)有限公司
2008年9月 上海

主要内容
一、概述

二、工业电机本体节能关注的主要产品
三、三相笼型感应电动机在电机系统节能中的应用 四、稀土永磁电

动机 五、开关磁阻电动机驱动系统 六、电机系统节能及分析方法

七、结束语

一、概述
1、电机及其系统节能潜力
? IEC60034-30指出:全世界工业用电动机消耗了总发电量的30~40%,

其系统优化节能潜力可达到30~60%;
? 国际能源署电动机工作组报告 :电动机通过改善效率结合变频调速

可以节约世界范围内7%的电能,其中1/4~1/3的节约可来自于改善
电动机的效率。

电机系统是将不同部件或子系统组合在一起使电能转 化为机械能的系统,包括电动机,被拖动装置,传动控制 系统以及管网负荷,主要用于:
? 流体运动(泵、风机、压缩机等); ? 物料加工(如切削、搅拌、研磨、钻等); ? 物流输送(如传送带、电梯等)。

? 因此,电机系统节能涉及多学科、多专业、多领域,不同工况、不同

负载特性、不同工艺过程、不同应用场所所采用的节能措施是不同的。 综合起来主要考虑如表所示的措施:
电机系统节能措施 1.系统安装或更新 高效电机 正确选型、负载匹配 调速驱动 高效机械传动/减速器 电能质量控制 高效终端设备(比如泵、风机、压缩机等) 高效管网 2.系统操作和维护 2~8% 节能量较大 10~50% 2~10% 0.5~3% 节能量较大 节能量较大 典型节能量

润滑、校正、调整

1~5%

注1:具体节能措施可能是上述一种或多种措施的组合。

2、工业电机系统的耗电情况
? 欧盟“提高高效电动机和驱动的市场份额”,SAVEⅡ研究报告显示:

工业用电动机消耗电能占工业用电消耗的73%。
工业部门的电机消耗情况 其他用电设备 27% 电机 73%

电机 其他用电设备

? 按行业分类,欧盟各行业消耗电能的比例为:

欧盟工业电力消费量
其它行业 28% 化工 20%

非金属矿 8% 食品和烟草 9% 钢铁 12%

造纸和印刷 13%

机械和金属 10%

? 各行业电机和其他用电设备消耗电能的情况
工业部门的电力消费量



160 140 120 100 80 60 40 20 0

万亿瓦时/年
非金属矿

180

造纸和印刷

食品和烟草 电机

化工

钢铁

机械和金属

其它用电设备

? 中国是个发展中国家,相对欧美发达国家,中国工业发展

比中国第三产业和占人口60~70%的农村要快很多。
? 因此,工业用电动机消耗的电能的比例应比发达国家和地

区更高(估计占总发电量的 40%以上),且工业各不同行 业的结构和总量比例也与发达国家和地区不同。
注:上述数据仅供参考。

3、我国现状和国家推动电机系统节能的主要内容 ? 据中国电监会2008年4月公布的数据:截至到2007年底,中国发电机 总装机容量为7.13亿千瓦,中国电动机的装机容量按最保守估算应在 10亿千瓦以上。 这是因为: ①从2003年到2007年,国家统计局统计规模以上企业生产的交流电动机 产量已累计达到 7亿千瓦,除小部分出口外,大部分在国内销售,且 大量电机随进口机电设备进入中国; ②按发电机和电动机装机容量比例的通用算法为1:2.5~4估算,电动机 容量应在18亿千瓦以上,但考虑电动机生产和安装要滞后于发电机一 定时间,故实际电动机安装量会少些; ③我国发电行业这些年始终处于高负荷运行状态,如按平均每年发电5千 小时,其中60%用于电动机,全部在用电动机年平均运行时间约为 1500小时~2000小时,电动机总装机容量应为11亿~15亿千瓦之间。如 果70%用于电动机,则其装机容量为12.8~17亿千瓦之间。 ◆因此,目前国内各种文献中将中国电动机现有装机容量认为是4.2亿千 瓦是远远不止的。

? 据统计,2007年中国国内市场销售的高效电机占电动机总

销量的1%左右。
? 98%以上电机产品是普通效率电动机,比美国的高效电机

效率低3%,比超高效电机效率低5%;
? 风机、泵、压缩机产品效率比国外先进水平低 3~5 个百分

点;
? 电机传动调速及系统控制技术差距较大,系统效率比国外

先进水平低20~30%,电机系统节能潜力巨大。

? 国家发改委启动了“十一五”国家十大重点节能工程,电

动机系统节能工程是其中之一,该工程的主要内容是:
1)更新淘汰低效电动机及高耗电设备:推广高效节能电动 机、稀土永磁电动机,高效风机、泵、压缩机,高效传动 系统等。更新淘汰低效电动机及高耗电设备;采用高效节 能电机及系统相关节电设备新装电机系统。逐步限制并禁 止落后低效产品的生产、销售和使用。对老旧设备更新改 造,重点是高耗电中小型电机及风机、泵类系统的更新改 造及定流量系统的合理匹配。

2)提高电机系统效率:推广变频调速、永磁调速等先进电

机调速技术,改善风机、泵类电机系统调节方式,逐步淘 汰闸板、阀门等机械节流调节方式。重点对大中型变工况 电机系统进行调速改造,合理匹配电机系统,消除“大马 拉小车”现象。
3)被拖动装置控制和设备改造:以先进的电力电子技术传 动方式改造传统的机械传动方式,逐步采用交流调速取代 直流调速。采用高新技术改造拖动装置,重点是大型水利 排灌设备、电机总容量10万千瓦以上大型企业的示范改造 等。

4)优化电机系统的运行和控制:推广软启动装置、无功补 偿装置、计算机自动控制系统等,通过过程控制合理配置 能量,实现系统经济运行。 5)重点改造领域为:电力,冶金,有色,煤炭,石油、石 化、化工,机电, 轻工,企业空调和通风、楼宇集中空 调的电机系统改造等。

从上述电机系统节能工程的主要内容和措施来看:
◆ 主要针对的是工业领域,工业领域的节能潜力最大,但由

于涉及到各行业,各种复杂多样的工况,不同的负载特性, 千差万别的工艺过程,各种各样的电机系统,因此,电机 系统节能是一个极其复杂的系统工程。
◆ 电机系统节能虽然复杂,但也可将其分为电机产品本体节

能,被拖动设备及传动系统节能,管网系统的节能,以及 系统内不同部件或子系统合理匹配的节能,系统控制方式 的节能等。

二、工业电机本体节能关注的主要产品
纵观世界各国的成功经验,电机系统节能都是率先从电机产品本 体节能开始。

据Eu-25(2006)统计数据显示,欧盟在用的工业电动机中:
工业用电动机种类比例

直流电动机 3.8% 交流电动机 96.2%

三相感应电动机 83%
交直流两用电动机 4% 同步电动机 5% 单相感应电动机 4%

说明:三相感应电动机又分笼型和绕线型转子两种,而笼型感应电动机具有成本 较低,可靠性好,维护简单,通过调速驱动易于控制等优点,且三相笼型感应电 动机消耗的电能占全部工业电动机消耗电能的90%以上.

? 因此,世界各国都将提高三相笼型感应电动机的效率作为

提高电机本体效率研究的重中之重。
? 除此之外,近十多年来发展较快的节能电机还有稀土永磁

电机和开关磁阻电机等。

1、三相笼型感应电动机
三相笼型感应电动机我国传统上把它归于中小型异步电动机的范畴,一 般是按机座号(轴中心高(mm))来划分:
中小型电机划分 小型电机(低压220/380V) 中型电机(高压6KV/10KV) 九十年代前 中心高/mm 功率范围 中心高/mm 功率范围

80~315

0.55~200kW

355~630
中心高/mm 355~710、800、900、1000

200~1600kW
功率范围 160~2500kW

九十年代后

中心高/mm 功率范围 63~355 0.12~315kW

说明:还有1140V和3300V供电的电机,但不是主流产品。
◆近年来,随着大电流变频器技术的发展和提高,低压变频器的较大价差及可靠

性等因素,国外如西门子、ABB等公司率先推出了低压大功率电机,将低压电动 机机座号从355扩展到450,甚至于500及以上,功率从315kW扩展到1000kW,近年

还出现2000kW及以上的低压大功率电机。

三相笼型感应电动机除作为一般驱动外,还可根据不同的负载要求,派 生出如变极调速,电磁调速,高起动转矩,高转差率,电磁制动,齿轮减速 等各种类型的品种。随着变频调速技术的高速发展,三相笼型感应电动机越 来越多地被用作变频调速电动机。

IEC把三相笼型感应电动机分成二类:
? 为一般用途设计的标准笼型感应电动机,这类电动机适宜在恒频正弦波供电

电压下运行,也可用于变速驱动系统,IEC60034-17:2002(GB/T20161-2006) “变频器供电的笼型感应电动机应用导则”规定了这类电动机的应用规范。
? 为变频器供电专用设计的笼型感应电动机,IEC60034-25:2004(GB/T21209-

2007)“变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则”描述了1000V及以下电 压源型变频器供电专用多相笼型感应电动机的性能特征和设计特点。

2、统一全球标准
? 世界各国已相继制订了低压三相笼型感应电动机的能效标准,如美国NEMA,

EPACT,加拿大CSA,欧盟CEMEP,澳大利亚和新西兰的AS/NE,日本JIS和中国 的GB标准等,但由于存在较大差异,而使得电机的全球贸易存在障碍和困惑。
? 为了统一全球电机标准,IEC于2006年成立了IEC/TC2 WG31工作组,专门制订

IEC60034-30“单速,三相笼型感应电动机的能效分级(IE代码)”标准,经 过了近3年的努力,工作组已于2008年7月完成了该标准的FDIS的文本,交予 各国标准组织投票,2008年9月投票结束,通过后将于2008年底正式发布。

由于考虑到以下几点:
? 小功率电机多为单相家用电器电机,且不属于长期连续运行,节电效

果不明显;
? 8极电机占市场份额等于或少于1%,且能通过对4极和6极电机调速控

制而达到8极转速;
? 大于375kW电机效率提高有限。

因此,该标准(IEC60034-30)适用范围为:
? 额定电压1000V及以下,输出功率0.75kW~375kW,极数为2、4、6极,

S1连续工作制或S3断续工作制(负载持续率为80%及以上)。
? 该标准适用范围明确规定不包括IEC60034-25标准研究的电机,即不

包括为变频器供电专用设计的笼型感应电动机。

3、统一效率指标
在IEC60034-30标准制订之前,世界不同国家和地区电机的能效 标准效率指标值存在一定差异。
美国、欧盟和澳大利亚对于电源频率50Hz情况下电机效率随输出功率的变化 曲线:

从上图可知:
? 各地电机能效标准不但效率值不同 ? 覆盖的电机功率范围也不同 ? 欧盟标准不包括6极电机

中国GB18613-2006电机能效标准中:
? 功率在1.1 kW~90 kW,极数为2、4极的电动机的能效2级和能效3级分

别直接采用了欧盟的eff1和eff2的效率标准。
? 2、4极的其它功率范围和6极的效率指标参考了澳大利亚与新西兰的

AS/NE 1359.5同类标准。

? IEC60034-30标准规定将电动机能效分为IE1、IE2、IE3三个等级,并

分50Hz和60Hz两套体系,分别用于电源频率50Hz和60Hz的国家和地区, 其中IE1为标准效率,IE2为高效,IE3为超高效率。 对50Hz电源:
? IE1的能效水平相当于欧盟的eff2(即我国的能效3级); ? IE2的能效水平相当于欧盟的eff1(即我国的能效2级),但因为二者

的测试方法不同所以IE1和eff2,IE2和eff1的效率数值也不同,
? IE3能效水平欧盟现无对应标准。

对60Hz电源:
? IE2与美国EAPACT能效水平相同;
? IE3与美国的NEMA PRIMIER水平相同; ? 美国无IE1效率水平的电动机标准,故IE1采用了巴西的标准。

4、统一测试方法
IEC60034-30标准要求效率的测试方法要参照IEC60034-2-1(2007版) 并规定:


对IE1及以下能效指标的电动机可以采用中和低不确定度的测试方法, 对于IE2及以上效率指标的电动机,只能采用低不确定度的测试方法。 IEC60034-2-1(2007版): 耗的测试方法,



? 取消了欧盟及中国能效现行标准所依据的按输入功率0.5%估算杂散损 ? 明确反转法为高不确定度的杂散损耗测试方法。 ? 欧盟新推出的EH-star法为中不确定度的杂散损耗测试方法 ? 美国的IEEE112B法为低不确定度的杂散损耗测试方法。

? 中国的现行电机产品Y2、Y3、YX3系列都是以输入功率的0.5%估算杂

散损耗,作为产品的测试值。
? Y系列电机原采用反转法测量杂散损耗,2008年公布的新修订的Y系列

产品标准改用以输入功率的0.5%估算杂散损耗。
? IEC60034-30的FDIS文件已发布,国际投票定于2008年7月25日~9月26

日进行,此标准已经过2年多3次国际工作组的讨论,通过应无悬念, 预计在2008年底正式发布。
? 届时,全球将具有一个各国都应该遵守的统一的电机能效标准和测试

方法。

5、世界各国推进高效电动机的情况
? 各国现有相关法规和自定规则及实施情况(为2006年的数据)
国家/地区 美国 强制(实施年度) 自愿协议(实施年度)市场份额 NEMA Premium 超 高 效 (16%) EPACT(54%) NEMA Premium 超 高 效 (16%) EPACT(54%) n.a. EFF1(9%)、EFF2(87%) For CEMEP agreement members CEMP 协议成员国

EPAct-High Efficiency NEMA Premium(2001) (1997)高效 超高效 NEMA Premium(2011) 超 高 效 EPAct-High 高效 Efficiency NEMA Premium(2001) 超高效

加拿大

墨西哥 欧盟

EPAct-High Efficiency NEMA Premium(2003) (1998)高效 超高效 Efficiency Classification and market reduction of EFF3 (1998)

国家/地区

强制(实施年度)

自愿协议(实施年度)市场份额

澳大利亚

High 高效

efficiency(2006)Premium efficiency Premium(10%)超高效 (2006)超高效 High efficiency(32%) 高效 Standard (58%)标准 efficiency(2006)Premium efficiency n.a. (2006)超高效 High efficiency 高 效 High efficiency(15%) 高效 高效(1%) 标准效率(99%) High (10%)高效 Standard (90%) 标准

新西兰 巴西 中国 韩国

High 高效

标准效率(2002) 高效率(2010)

高效率(2002) 超高效(2010) Standard efficiency(1996) 标准

从表2可以看出: 世界各国都制订相应法规来提高高效甚至超高效电动 机的市场份额
? 美国、加拿大推进最快(高效电机占市场份额54%,超高

效占16%)
? 中国较慢(高效电机仅达1%),中国市场上电动机效率水

平仅为IE1(平均效率为87%)。

? 据国家统计局数据,2007年中国生产交流电动机产量为1.88亿千瓦。 ? 据中国电器工业协会中小型电机分会测算其中在IEC60034-30标准覆盖范围

(与GB18613-2006略有差异)内的电动机(只含低压、单速、2、4、6极三相 笼型感应电动机,且不包括变频专用电动机)约为1亿千瓦以上,分布在近 3000家电机生产企业,其中60多家电机厂生产了这1亿千瓦的80%的产量。
? 按照中国节能中长期规划的要求,到2010年电动机效率水平应达到IE2(平均

效率为90%左右),并推广IE3(平均效率近92%)效率的电动机,显然,差距 还非常大。
? 因此,需要强制性法规,政府执法和监督,配套政策(包括鼓励政策和惩罚

性政策),市场教育,示范项目以及标准制订,产品研发,检测技术的手段 更新,主要骨干企业加工制造水平大规模提高等各方面工作的配合。

三、三相笼型感应电动机 在电机系统中的节能应用
1、为一般用途设计的高效或超高效笼型感应电动机
高效(IE2)或超高效(IE3)的笼型感应电动机与普通(IE1) 电动机相比有如下特点:
1) 效率高,IE2比IE1平均高3%,IE3比IE1平均高近5%左右; 2)需使用更多高质量的材料。IE2比IE1电机成本高25%~30%,IE3比IE1电机成本 高40%~60%左右; 3)由于运行温度较低,电机寿命更长,可降低维护成本; 4)典型设计情况下起动电流较大些; 5) 转子惯量较大; 6) 额定负载下转速较高,转差率较小。

在许多电动机的工作生命周期中,能量消耗量所占实际成本比电动 机采购成本高得多,且低效率电动机比高效率电动机维护费用更高, 寿命更短,但高效电机难以通过市场行为得到大量推广。 究其原因主要是:
? 高效电机需要花费更多的前期成本,而最终用户没有意识到高效电机

寿命周期成本LCC(Life Cycle Cost)的节省,或没有从中直接受益, 因为预算管理设备资金的人不一定同时管理着能源的使用。

在工业行业,一台笼型感应电动机每年可能消耗的能源相当于设 备成本的5~10倍,电动机使用年限约12~20年,其可能消耗的总能源 费用相当于电动机成本的60~200倍,占全寿命周期成本的70%左右。 此外,维护费用指所有备品配件费及人工费,通常占寿命周期成本的 10~20%。 注:寿命周期成本LCC是指从产品使用到产品废弃为止,整个过程所消 耗的成本。如电动机的寿命周期成本包括:设备初置费、运转费(即 电费)、维护费及其它费用。

? 下图给出了IE2、IE3两种电机各三个规格(1.1kW、11 kW、110 kW),

其寿命周期成本LCC相对于IE1电机降低的比例(%,纵坐标)随着电 机年运行时间(横坐标)变化的曲线

从上图可得出的结论是:
1)IE3比IE2电机LCC降低的多; 2)年运行时间长的电机比年运行时间短的电机的LCC降低的多; 3)功率小的电动机比功率大的电动机的LCC降低的多; 4)当年运行时间小于1000小时时,LCC的降低率可能成负数,即此时高 效、超高效电机寿命周期成本相对于IE1电机反而更高。

笼型感应电动机另一个特点是:
? 当电机运行在高负载区(如75%~100%额定功率)时,其效率接近或等于额定

功率时的效率;
? 运行在低负载区,特别是负载率低于50%时,电机效率下降很快; ? 功率因数则基本从额定负载开始,随着负载率的下降而下降。

因此,作为一般用途的高效或超高效电机,要使其真正发挥高效电机 的作用,至少应有两个要求:
? 年运行时间要长。国内外一些文献提出应在3000小时以上。 ? 负载率要高,应在75~100%额定负载之间,这就要求电动机的配套商和最终用

户在选配高效或超高效电机时,应合理匹配电机和被拖动负载的功率,以免 出现“大马拉小车”的现象,导致高价格的高效率电机没有起到节能的效果。

2、空载或轻载降压节能
实际工作中大部分的电动机不是满载运行,或不是始终满载运行, 而是工作于满电压及负载较轻或负载波动频繁的状态,在满载运行的 同时,也会有较大比例的轻载或空载运行时间。

在电动机满电压及轻载、空载时,定子电流有功分量大大减小, 而励磁的无功电流基本不变(所以功率因数下降很多),在空载损耗 中占很大比例的定子铁耗也基本不变,导则效率很低。如果适当降低 电压,可使励磁无功电流成比例下降,功率因数提高,由于定子铁耗 与电压的平方成正比,电压的下降,可使定子铁耗大量减少,使电机 的运行效率较大提高。 P =18.5kW, 2p=4
N

cosφ

负载(%)
负载率-功率因数曲线图 UN=380V (额定电压下,随负载率变化的功率因数值)

图.电机负载率与功率因素的关系

3、变频调速节能
1)变频调速技术的发展
?恒速驱动系统 ? 电机驱动系统 ? ?直流调速 ?调速驱动系统 ?交流调速(发展较快) ? ?
变频调速具有以下优点: ? 能实现无级调速 ? 保持良好的动态特性 ? 交流电动机采用变频起动更能显著改善其起动性能,大幅度降低起动 电流,增加起动转矩。

应用变频调速技术最早的目的主要是为了调速控制,随着电力电 子技术和控制技术的高速发展,变频调速已经能获得高精度的转速转 矩控制,达到直流调速系统的调节精度。 笼型感应电动机比直流电机系统优点:
? 结构简单、重量轻、价格低、无换向器,运行可靠;

? 控制电路比直流调速系统简单、易于维修;
? 特别是对于特大容量和极高转速的负载,由于直流电动机换向器的换

向能力限制了其容量和转速,交流电动机则不受限制。 因此,特大容量且对传动装置控制要求很高的传动,如大型钢板 轧机、矿井卷扬机、聚乙烯压机等;再如转速极高的传动装置,如在 化工和食品行业的离心机、高速搅拌机和高速磨头等,其动态性能要 求较高,这些场合都以采用交流变频调速为宜。

2)变频调速节能在风机、泵类负载上的应用
除满足传动控制的调速要求外,变频调速技术还可用于节能,目 前用得最多的是对风机、泵类负载设备的调速节能,主要因为:
? 风机、泵类系统消耗了工业电动机用电的40%左右;

? 风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比,在选型裕量过大和需减

少风量(流量)时,变频调速的节能效果尤其显著;
? 在使用风机泵类设备的大部分场合,对变频调速的控制精度,动态性

能要求不高,变频器的成本相对较低,控制较简单,便于推广。

最终用户在选用风机和泵类设备时,由于整个配套系统的裕量传 递,往往会较大地超出其实际需要,这是因为:
? 风机、泵类生产厂要求配套电动机的额定输出功率要按一定的裕度大

于风机、泵类负载的额定运行点的功率,而电机功率型谱是分档的, 如选不到合适的型号时会选择上一档的产品(如电动机的功率55kW以 上一挡就是75kW),因此,裕度大于20~30%是常见的。
? 最终用户往往把系统的最大风量(流量)和风压(水压、液压)的裕

度(通常为10~15%)作为选型的依据,而风机和泵类的功率型谱也是 有限的,当选不到合适的型号时,也是选择大一个档的产品,同样造 成较大的裕度。 设计裕度经过二阶段因素的放大,将较大的超出额定风量(流量) 的需求,极端情况可达到50%以上。

除了设计裕度超出额定风量(流量)需求外,实际工艺对风量(流量) 的需求也是变化的。如:
? 发电厂的机组参与调峰,白天和黑夜负载变化频繁,其凝结水泵的流量也要

求频繁变化;
? 化工厂的冷却循环泵冬天和夏天需求流量差别很大等等。

如果交流传动系统不调速,只能靠调节风门、风道挡板的开度(或阀门 的开度)来调节风机(泵)的风量(流量),电机的输入功率基本不变,造 成电能的浪费。
对于水泵,采用调节阀调节时,由于阀门开度的减小,水泵出口的压力 上升,阀门两边的压差将增大,造成能量的浪费同时还易损害阀门。 实际上,上述种种情况在各个行业非常普遍。

3)风机、泵类负载变频调速节能的原理
? 风机和泵类设备的机械特性为:

Q∝N; H∝N2; T∝N2; P∝N3; 其中:Q——风量(流量); N——风机(泵)的轴速度; T——轴转矩; H——风压(水压); P——轴功率。

由于电机的转速N与电源频率成正比,因此改变频率即可以改变N, 而N与风量(流量)Q成比例变化,可达到调节Q的目的,而轴功率也 可大大减少。
? 如 N? ? N ,则
1 2

Q? ?

可节能(节电)80%以上,当然,这是理想状态,考虑到其它因素, 如电动机在减速后,其效率将下降,但与其输出功率大幅下降相比, 所消耗的电能还是较大幅下降的。

1 1 Q,则 P? ? P 2 8

,轴上功率仅为额定时的12.5%,

下图可说明风机、泵类设备变频调速节能的原理:
H H2 R2 B n2

n1

R1

H1 H3 C 0 Q2

A

Q1

Q

n1——代表风机水泵在额定转速时的 特性; n2——代表风机水泵在n2转速时的特 性; R1——代表风机水泵管路阻力最小时 的阻力特性; R2——代表风机水泵管路阻力增大到 某一个数组时的阻力特性。

风机、水泵风压(水压)H-风量(流量)Q特性曲线图

?

风机水泵在管路特性曲R1工作时,工况点为A,其流量、压力分别 为Q1、H1,此时风机水泵所需的功率正比于H1与Q1的乘积,即正比于 AH1OQ1的面积。 由于工艺要求需减小风量(流量)到Q2,实际上通过增加管网管 阻,使风机水泵的工作点移到R2上的B点,风压(水压)增大到H2, 这时风机水泵所需的功率正比于H2与Q2的乘积,即正比于BH2OQ2的面 积。

?

显然风机水泵所需的功率增大了。这种调节方式控制 虽然简单、但功率消耗大,不利于节能,是以高运行成本 换取简单控制方式。

若采用变频调速,风机水泵转速由n1下降到n2,这时 工作点由A点移到C点,流量仍是Q2,压力由H1降到H3,这 时变频调速后风机(水泵)所需的功率正比于H3与Q2的乘

积,即正比于CH3OQ2的面积。
由图可见功率的减少是明显的。

4)采用变频调速节能应考虑的因素
? 值得注意的是,如非为了调速控制,是否采用变频调速方式来节能,

要综合评估系统的总体节电效果,要根据系统的寿命周期成本来决定。 应考虑的因素有: a.采用变频调速系统本身增加的损耗量。因为变频器自身的损耗有3%-6%, 在变频器供电情况下感应电机将增加损耗1%-2%,系统总损耗将增加 4%-8%。系统节电量少于,等于或稍大于增加的损耗量都是不可取的。 b.究竟节电量达到多少应采用变频调速系统还要考虑采用变频器增加的 购置成本及增加的维护成本。 c. 节电量的计算要对负载系统做详尽的调查,分析和计算,总之,设备 设计裕度越大,负载波动越大,电机空载时间越长,节电量越大。

四、稀土永磁电动机
稀土永磁材料的磁性能优异,它经过充磁后不再需要外加能量就 能建立很强的永久磁场,用来代替传统电机的电励磁场。 稀土永磁电机不仅效率高,而且结构简单,还可做到体积减小, 重量减轻。既可达到传统励磁电机所无法比拟的高性能(如超高效、 超高速、超高响应速度),又可以制成能满足特定运行要求的特种电 机,如电梯曳引电机、汽车专用电机等。 稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合,更使电机 传动系统的性能提高到一个崭新的水平。

在工业领域,作为驱动用的稀土永磁电机主要有异步起动高效永 磁同步电动机、变频供电的永磁同步电动机。

1、异步起动高效永磁同步电动机
永磁同步电动机与感应电动机相比:
? 不需要无功励磁,可以提高功率因数,减少了定子电流和定子电阻损

耗,且稳定运行时,没有转子铜耗,效率比同规格感应电动机高2~8%。
? 在25~120%额定效率范围内均可保持较高的效率和功率因数,在轻载

时节能效果更显著。

1)抽油机用高效高起动转矩永磁同步电动机
? 抽油机具有变化的负载特性,其上升时带负载,下降时基本为空载,且要求

有较高的起动转矩。
? 以往使用三相笼型感应电动机作为抽油机电机时,由于需要起动转矩大,往

往用“大马拉小车”,如正常运行时最多需要37kW的电机,但往往为了满足 起动转矩的要求需要选择55kW甚至75kW。
? 由于感应电动机在额定负载点效率最高,在低负载率下效率和功率因数降低

较多,因此即使是高效感应电动机,在实际运行时的效率也是很低的。
? 而高效高起动转矩永磁同步电动机可以替代大一个至两个功率等级的感应电

动机,并可在整个运行过程中都保持高效率和高功率因数,节电率可达到20% 左右。

2)纺织化纤机械用高牵入转矩平滑起动高效永磁同步电动机
纺织机械中如细纱机等,其负载特性是在一个周期内负载大小是单方向 变化的,据统计其最小负载与最大负载相比可低30%以上,且负载转动惯量大, 要求有较高的牵入转矩,但不能有太大的起动转矩,在设计上要满足牵入转 矩和起动转矩的要求。在宽负载变化范围内永磁同步电动机所具有的高效率、 高功率因数特性,对长期运行的纺织机械节能效果是非常显著的

2、变频器供电的永磁同步电动机
变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置传感器闭环控制系统构成自同 步永磁电动机,具有电励磁直流电动机类似的优异调速性能,又实现了无刷 化,主要用于高控制精度和高可靠性的场合,如航空、航天、数控机床、加 工中心、机器人、电动汽车等。 相对于变频调速电机,稀土永磁电动机的节能效果较为显著。首先,稀 土永磁电机本体效率比变频器供电感应电动机高3~5%,在电动机转速变化时, 稀土永磁电动机的效率变化相对感应电动机小得多。如一台轴功率为100 kW 的风机,配置110 kW的感应电动机,在n′/nN=1时,电机效率为93%;在 n′/nN=0.5时,电机效率降为84%;在n′/nN=0.3时,电机效率只有54%,而稀 土永磁电机的运行效率始终保持在90%左右。

3、在工业领域永磁电机推广尚存在的问题 尽管稀土永磁电机在性能上具有许多优势,但目前在中国工业领域 的应用并不广泛。据全国稀土永磁电动机协作网2006年统计:
◆ ◆ ◆

2006年为油田抽油机配套的永磁同步电动机为1万台,约30万kW;

纺织及化纤电动机2万台,约15万kW;
数控机床用伺服电动机2万台,约10万kW,累计不超过40~50万kW。

而2006年,我国交流电动机产量达到近1.6亿kW,其中工业用电动机 估计为1.3亿kW,相比之下,工业用永磁电动机的市场份额较小。

永磁电机在工业领域要得到广泛应用应解决如下问题:

1)不可逆退磁问题
如果设计或使用不当,永磁电动机(如钕铁硼永磁体)在过高温度时,或 在冲击电流产生的电枢反应作用下,或在剧烈的机械振动时,有可能产生不 可逆退磁,或叫失磁,使电动机性能降低,甚至无法使用。如何提高永磁材 料的热稳定性和一致性,一直是国内外专家、永磁材料和电动机生产企业研 究的重要课题。

2)成本问题
相对电励磁电机,永磁电机的成本要高较多,这需要用它的高性能和运行 费用的节省来弥补。

3) 不同负载特性的专用异步起动永磁电机系列产品较少
异步起动永磁电机相对变频器供电的永磁电机成本低,控制和维护更 简单,但相对笼型感应电动机则成本更高,且对各种负载的适应能力不如笼 型感应电动机那么强。但其除高效率的优点外,其某些重要特性在某些场所 应用也比后者更优越。如: ? 油田领域:其起动转矩可比一般笼型感应电动机大得多,用于前述油田抽油 机上正好满足起动转矩高的要求,且可比笼型感应电动机低一到二个功率等 级,其在合理功率匹配和负载周期变化情况下保持高效率的双重优越性使得 它在抽油机领域应用开始广泛起来。 ? 纺织领域:但在纺织行业则不要求高起动转矩,否则容易起动时拉断纱线, 但要求较高的牵入转矩,故其设计方案与抽油机电机不同。要用永磁电机在 宽转速和宽负载率范围内的高效率来弥补其相对较高的成本,以替代在这种 负载状态下的笼型感应电动机,就必须针对不同的负载特性开发具有不同关 键特性的永磁电机。 目前,针对工业领域各行各业不同负载特性的专用异步起动永磁电机系 列产品还不多见,因此应开发满足不同负载特性的专用异步起动永磁电机系 列产品。 此外,异步起动过程中转矩脉动给被拖动设备造成机械冲击,如何加以 抑制,也是要解决的关键技术。

4)大规模生产问题
永磁电动机中的永磁材料具有很强的磁场强度,在将永磁体装入转子以及 电机整体装配时,比其它电机的工艺难度大,且更费工时,尤其是装配较大 的工业电机时,如果没有适合的工艺装备,难度更大。
? 以一家年生产400万kW,功率范围为0.55kW~315kW的低压笼型感应电动机企业

为例,平均每月装配的电动机数量为3~5万台,而这对于装配同数量同功率范 围的工业用永磁同步电机来说是难度极大的。

5)控制问题
永磁电动机制成后不需外部能量即可维持其磁场,但也造成从外部 调节、控制其磁场较为困难,这也使永磁电动机的应用范围受到了限 制。但是随着电力电子器件和控制技术的迅猛发展,大多数永磁电机 在应用中,可以不必进行磁场控制而只需进行电枢控制,设计时把永 磁电动机、电力电子器件和电机控制三项技术结合起来,使永磁电机 在更广泛的工况下运行。

6)产品标准和实验方法标准
国际上尚无此类标准,国内也无国家或行业标准来规范此类产品。 这对生产厂的制造和用户的选用,以及性能和质量判定带来困难。

五、开关磁阻电动机驱动系统
开关磁阻电动机驱动系统(SRD)是80年代初随着电力电子,微电脑和控 制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型交流无级调速驱动系统,主要由开 关磁阻电动机(SRM),功率变换器,控制器及位置和电流检测器组成。SRD 的运行需要在实时检测的反馈量一般为转子位置、转速和电流等,然后根据 控制目标综合这些信息,给出控制指令,实现运行控制和保护等功能。转子 位置检测环节是SRD的重要组成部分,检测到的转子位置信号是各相开关器件 进行正确逻辑切换的根据,也为速度控制环节提供速度反馈信号。

开关磁阻电机该系统具有许多显著的优点:
1)电机结构简单、坚固、制造工业简单、可工作于极高速,工作可靠,能适用 于各种恶劣环境甚至强振动环境。 2)损耗主要产生于定子,易于冷却,可允许有较高温升,从而能以小的体积取 得较大的输出功率; 3)转矩方向与电流方向无关,可较大限度简化功率变换器,其可靠性高,系统 成本低; 4)起动转矩大,大于额定转矩2~3倍,起动电流小(≤30%额定电流),低速性 能好; 5)在宽广的转速和功率范围内具有高效率; 6)调速范围广,调速比大于20:1,调速平滑无级; 7)在制动和电动运行时,同样具有优良的转矩输出能力和工作特性。因此,适 用于频繁起动或频繁正反转运行场合,转换频率可达到1000次/h; 8)负载特性好,稳定精度高,在负载大小变化时,转速可保持不变。 这些优点使得开关磁阻电机在家用电器、工业领域、伺服与调速系统、牵引 电机、高转速电机方面得到了一定的应用。

但开关磁阻电机存在如下问题: 1)转矩脉动

由于开关磁阻电动机的双凸极结构,电磁特性以及开关非线性影响, 采用传统控制策略得到的合成转矩不是一恒定的转矩,因此导致了较大的脉 动转矩。目前,已有许多文献涉及这个领域,取得了一定效果。
2)噪声

对开关磁阻电机本体,噪声是一个突出问题,随着研究的深入和开关磁阻电 机应用的日益广泛,降低开关磁阻电机的噪声研究已取得一定的进展。
3)转子位置传感器 位置传感器是开关磁阻电动机同步运行的基础,它的各种高级控制技术都是 以高精度的位置检测为首要条件。目前,普遍采用的外装光电式或磁敏式等 轴位置传感器,不仅增加了系统的体积和成本,而且降低了系统的可靠性。 为了消除位置传感器这一不利因素,无转子位置传感器技术成为开关磁阻电 机研究的一大热点。

4)控制器
开关磁阻电动机必须配置控制器才能运行,而笼型感应电动机,即便是变 频电动机,只要接上电源就能运行。 ? 5)发热问题 ? 大功率开关磁阻电机(如数百千瓦以上)的发热较严重,限制了其向大 容量发展。 于极高转速,可频繁起动和频繁正反转,过载能力强,起动转矩大而起动电 流很小,可做到低转速大扭矩,调速范围很宽,且在宽广的转速和功率范围 内具有高效率等优点,设计成满足各种特殊负载特性的专用开关磁阻电机驱 动系列产品,以替代这些场合的其它电机,并到达高效节能的目的。

? 对于开关磁阻电机,应充分利用它所具有的一些特有的优越性能,如可运行

六.电机系统节能及分析方法
1、电机系统节能
电机系统节能通常是指从电机启动开关开始直至拖动的装置产出产品(流体)能量的 最终消耗。它包括电机启动开关、供电馈线,电机速度控制装置,电动机、联轴器 (或其它联结方式如齿轮联结、皮带联结、蜗轮蜗杆联结等)、拖动装置(泵、风机 或压缩机等)、拖动装置产出的产品(一般为液体和气态流体)、输送管线、终端负 载,如下图所示:
电机启动器 供电馈线 电机速度 控制装置 电动机

联轴器

终端负载

输出管线

产出产品 (流体)

拖动装置 (泵、风机)

图.拖动环节图 所以,电机系统节能是指整个系统效率的提高,它不仅追求电机本体效率和拖动装置 效率的最优化,而且要求系统各单元与系统整体效率的最优化。

2、电机系统节能评估 电机系统节能评估是指对现有的电机系统电能利用状况进行评定的 一种方法。评估目的在于了解该系统目前的电能利用情况,存在的问 题以及环节改进措施,并对改进措施进行经济性分析。

3、电机系统节能评估分析方法
电机系统节能评估通常采用现场调查和现场测试相结合的方法进行,为此: ? 首先,要熟悉所评估的体系和体系的划分,如: 画出示意图,标上必要的参数、工艺流向。 ? 其次,需要获得文字资料的说明或记录资料,如: 设备的参数和工艺要求,目前运行状况的记录数据等。 ? 再次,需要了解所评估的系统存在什么问题: 是否进行处理? 效果如何? 通过现场的调查,制定详细的测试方案,方案中应列出测试目的、要求、 所需仪器仪表、测点的布置,同时把存在的疑问列入测试方案,以便在测试 过程中得到求证。

测试结束后,分析测试数据及计算结果,归纳测试中发现的现象,常常需要 参考泵或风机的特性曲线图,分析出设备处在什么状态下运行,是什么原因 造成的。
? 如果工艺不能改变,设备的状态处在不经济运行下就应采取措施,如选高效

的设备,包括电机、电机和设备与工艺要匹配,减少系统的阻力和不必要的 能耗,安装节能节电装置,加强管理,制定更合理操作顺序规程。
? 当需要对设备进行较大的改造并且需要较大的资金投入时,应考虑投入产出

的投资回报,因此,还应进行全寿命成本分析法。

4.全寿命成本分析法
采用全寿命成本分析法的目的就是对该产品在其寿命周期内的各项成本进行 综合考虑以求优化。 ? 下图是以泵系统为例,在其寿命周期内各项成本内容,以及各自占总成本比 例的示意图
7,7%
1 初始采购成本 2 安装及试车调试成本

1,14%

6,9% 2,9%

3 能量成本(电费等) 4 运行操作成本 5 维护保养成本 6 停车、误工、生产损失 7 环保治理成本

5,20%

4,9%

3,32%

从上图可知: ? 设备采购成本和安装调试费用约占全寿命成本的23%左右,运行电费 成本约占32%。 ? 若片面追求采购成本低,而带来设备运行成本(运行电费、维修保养 费用、停工生产损失费用)增加是不可取的。 ? 只有把每项成本相加,经济性、安全性、可靠性最优的方案,即全寿 命成本最低的方案为首选方案。

七、结束语
电机系统节能无疑是我国企业建立节约型企业、发展循环经济的 一项艰巨而浩大的技术革命和系统工程,探讨我国电机系统节能的思 路与措施,将对企业建立节约型企业、发展循环经济这场技术革命起 到推动和促进作用。


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