大功率電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)研究應(yīng)用

蒲愛國

摘要：介紹了大功率電動(dòng)機(jī)，通過變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，在煉鐵爐羅茨鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)上安裝了400Kw變頻器;在變頻柜內(nèi)裝設(shè)輸入電感器和輸出電感器;在配電室安裝了630KvA變壓器，解決了啟動(dòng)困難的問題、消除了噪音、消除了煤氣放散對(duì)環(huán)境的污染，降低了耗電量，體現(xiàn)了節(jié)能效果。治理了變頻器工作是產(chǎn)生的諧波及帶來的污染電網(wǎng)和設(shè)備高溫的負(fù)面影響。并對(duì)節(jié)能技術(shù)效果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī);節(jié)能;技術(shù);應(yīng)用

Keyword：motor;?energy?saving;?technology;?application

引言：

宏鑫公司在線運(yùn)行的5臺(tái)320KW低壓電動(dòng)機(jī)中頻單機(jī)降壓啟動(dòng)困難，啟動(dòng)時(shí)電壓波動(dòng)導(dǎo)致其它風(fēng)機(jī)跳閘的現(xiàn)象，中頻降壓啟動(dòng)次數(shù)多，啟動(dòng)時(shí)間長，時(shí)有啟動(dòng)設(shè)備損壞或引起變電站跳閘的故障。結(jié)合各高爐車間的大功率電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的利用率偏低，能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重，這使得生產(chǎn)成本居高不下。特別是在生產(chǎn)過程中，無法根據(jù)高爐的生產(chǎn)情況實(shí)現(xiàn)精確控制，能源消耗大。希望通過對(duì)高爐的大功率電動(dòng)機(jī)設(shè)施節(jié)能技術(shù)改造后，使高爐的設(shè)備整體能耗下降10%～20%，實(shí)現(xiàn)提出的降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的綜合競爭力的目標(biāo)。

1.研究方法：

從流體力學(xué)的原理得知，使用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)，軸功率P與風(fēng)量q，風(fēng)壓h的關(guān)系為P∝q×h，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由h1變化到h2時(shí)，q、h、P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

q2=q1×h2×/h1（1）

h2=h1×h2/h1?（2）

P2=p1×h2/h1?（3）

可見風(fēng)量P和電機(jī)的轉(zhuǎn)速h是成正比關(guān)系的，而所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。所以當(dāng)需要80%的額定風(fēng)量時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80%即調(diào)節(jié)頻率到40Hz即可，這時(shí)所需功率將僅為原來的51.2%。

當(dāng)所需風(fēng)量從q1減小到q2時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)閥門的辦法，管網(wǎng)阻力將會(huì)增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運(yùn)行工況從A點(diǎn)變到新的運(yùn)行工況點(diǎn)B點(diǎn)運(yùn)行，所需軸功率P2與面積h2×q2成正比。?如果采用調(diào)速控制方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由h1下降到h2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變。但風(fēng)機(jī)的特性曲線將下移，因此其運(yùn)行工況點(diǎn)由A點(diǎn)移至C點(diǎn)，此時(shí)所需軸功率P3與面積hB×q2成正比，從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Deit（p）與（h2-hB）×（C-B）的面積成正比。?考慮減速后效果下降和調(diào)速裝置的附加損耗，通過實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)類負(fù)載通過調(diào)節(jié)控制節(jié)約電可達(dá)20%～50%。

2.改造技術(shù)方案

在集團(tuán)公司、宏鑫公司領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)注及大力支持下，相關(guān)部門通過論證，針對(duì)引起故障的技術(shù)關(guān)鍵問題，制定了相應(yīng)的四大項(xiàng)目改造技術(shù)方案。

一是引進(jìn)變頻技術(shù)在宏鑫公司大功率電氣設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用，解決大功率電氣設(shè)備啟動(dòng)困難及引起全廠電壓波動(dòng)的問題。

二是通過國內(nèi)外市場調(diào)查及價(jià)格對(duì)比，2009年8月投資10萬元，選擇國產(chǎn)品牌{HLP}功率400KW/P型柜機(jī)一臺(tái)，以四號(hào)爐為目標(biāo)進(jìn)行首次改造試驗(yàn)。

三是采錄四號(hào)爐中頻運(yùn)行時(shí)的單位（24小時(shí)）平均耗電量，以生產(chǎn)部四號(hào)爐320KW羅茨風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)為目標(biāo)進(jìn)行首次改造試驗(yàn)，以前的主供電電源不變，拆除355KW中頻降壓啟動(dòng)柜，更換變頻啟動(dòng)柜進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。

四是借鑒首次試驗(yàn)成功的案例，2010年初公司再次投資100多萬，對(duì)全廠55KW以上的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了運(yùn)行方式升級(jí)改造。決定選擇WIN-PSS-P矢量型節(jié)電系統(tǒng)，對(duì)3個(gè)高爐的355KW的2臺(tái)，315KW和132KW各1臺(tái)，合計(jì)4臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造。

3.研究過程與結(jié)果：

3.1研究過程：

項(xiàng)目改造過程分為以下四個(gè)階段：

一是空載試運(yùn)行階段：?頻率50HZ，電壓380v，主要觀察電氣設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行狀況及各種技術(shù)參數(shù)是否正常，一次電流150A，cos?=0.92;時(shí)間：24小時(shí)，設(shè)備運(yùn)行正常，電動(dòng)機(jī)溫度58℃。采錄24小時(shí)耗電量及系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)。

二是負(fù)載試運(yùn)行階段：設(shè)定頻率50HZ，根據(jù)高爐需要，關(guān)閉放散閥，在滿足高爐需風(fēng)壓的前提下（風(fēng)壓350-360水銀汞柱），調(diào)整頻率46HZ，電壓380v，一次電流380A，使電機(jī)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行;時(shí)間：24小時(shí)，溫度65℃，并伴有電磁噪音，設(shè)備運(yùn)行正常，采錄24小時(shí)耗電量及系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)，COS?=0.93。采錄24小時(shí)耗電量及系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)。

三是超負(fù)載試運(yùn)行階段：根據(jù)高爐故障懸料時(shí)需要的風(fēng)壓（400-420水銀汞柱）進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間一小時(shí)，以便高爐發(fā)生懸料故障時(shí)設(shè)備能滿足風(fēng)壓需要，觀察記錄了重負(fù)載時(shí)電氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)及技術(shù)參數(shù)。頻率50HZ，電壓380V，一次電流460A，電動(dòng)機(jī)溫度71℃，溫度已接近極限，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生尖銳的電磁噪音，其他設(shè)備運(yùn)行正常。采錄24小時(shí)耗電量及系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)。

四是交付正常運(yùn)行階段：變頻在通過以上三個(gè)試運(yùn)行階段后，頻率調(diào)至43HZ，電壓380V，一次電流350A，溫度65℃，交付生產(chǎn)部正常運(yùn)行，觀察記錄設(shè)備的運(yùn)行狀況及單位（24小時(shí)）耗電量。COS?=0.92。采錄24小時(shí)耗電量及系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)。

3.2研究結(jié)果

此次變頻技術(shù)應(yīng)用改造雖然取得成功，但是出現(xiàn)了變頻輸出側(cè)產(chǎn)生諧波引起電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁噪音的新問題，經(jīng)論證、諧波具有降低電氣系統(tǒng)絕緣程度，產(chǎn)生非正常熱量、降低設(shè)備使用壽命，污染電網(wǎng)系統(tǒng)。為此，公司再次投資采購了兩臺(tái)500KVA交流電抗器，分別加裝在變頻器輸入、輸出側(cè)，解決了諧波污染電源等問題。實(shí)踐證明，變頻技術(shù)的應(yīng)用節(jié)能效果非常明顯，生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、正常，即解決了能源浪費(fèi)的問題，也解決了高爐放散時(shí)粉塵對(duì)環(huán)境的污染，達(dá)到了預(yù)期目地，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為公司及其他地方工業(yè)的節(jié)能方面起到了帶頭應(yīng)用、示范、推廣作用。通過對(duì)高爐的大功率電機(jī)設(shè)施節(jié)能技術(shù)改造后，使高爐的設(shè)備整體能耗下降10%～20%，實(shí)現(xiàn)提出的降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的綜合競爭力的目標(biāo)。

4.技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

4.1控制方法應(yīng)用創(chuàng)新

通過變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，在羅茨鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)上安裝了400Kw變頻器，解決了啟動(dòng)困難的問題，更主要的是關(guān)閉了前期用以調(diào)節(jié)風(fēng)壓的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)負(fù)載運(yùn)行工況及高爐最大需風(fēng)量調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速使風(fēng)壓以達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，消除了冷風(fēng)調(diào)節(jié)閥不間斷的噪音，消除了熱風(fēng)系統(tǒng)的煤氣放散對(duì)環(huán)境的污染，通過調(diào)頻、調(diào)壓，降低了耗電量，體現(xiàn)了節(jié)能效果。

改造前，高爐熱風(fēng)助燃風(fēng)機(jī)通過調(diào)整風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)閥門開度，及調(diào)壓閥開度來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，由人工在控制室根據(jù)風(fēng)量需求，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，或在風(fēng)機(jī)現(xiàn)場手動(dòng)調(diào)節(jié)。采用變頻器后，保持進(jìn)風(fēng)閥全開，調(diào)節(jié)閥全關(guān)，根據(jù)風(fēng)壓和流量的需求，遠(yuǎn)程手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)可隨時(shí)改變鼓風(fēng)量，以適應(yīng)高爐生產(chǎn)的變化，保持風(fēng)機(jī)的正常經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到穩(wěn)定控制，方便操作，節(jié)約能源的目的。

4.2工藝技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新

在4#變頻柜安裝了電抗器，在4#爐配電室安裝了630KvA變壓器，治理了變頻器工作時(shí)產(chǎn)生的諧波，及諧波帶來的負(fù)面影響（污染電網(wǎng)，設(shè)備高溫）。

改造時(shí)，拆除配電室原有的自耦降壓啟動(dòng)裝置，對(duì)每一臺(tái)風(fēng)機(jī)電機(jī)配置一套變頻節(jié)電系統(tǒng)柜，考慮到礦區(qū)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍大，在柜內(nèi)裝設(shè)輸入電抗器和輸出電抗器，在柜門上要求能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、停止、調(diào)速、故障復(fù)位等功能，并能監(jiān)視節(jié)電系統(tǒng)的頻率、電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，以便操作和監(jiān)視。

4.3設(shè)備技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新

利用變頻技術(shù)根據(jù)負(fù)載電流的百分比精確選擇變壓器容量，直接降低了容量費(fèi)用。四號(hào)爐前期用800KVA的變壓器，設(shè)備啟動(dòng)困難。通過變?cè)O(shè)備頻技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)已有800KVA更換為630KVA，設(shè)備運(yùn)行正常。由于項(xiàng)目投資大，根據(jù)設(shè)備工況正確的應(yīng)用變頻技術(shù)，以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，應(yīng)用的目地不同、效果也不同。

改造前采用常規(guī)運(yùn)行（減壓啟動(dòng)），在條件相同的條件下，由電度表讀數(shù)得知，320KW電機(jī)在常規(guī)運(yùn)行時(shí)每小時(shí)耗電275KW.h。

改造后經(jīng)過變頻運(yùn)行新技術(shù)配置，320KW電機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí)每小時(shí)耗電220KW.h，節(jié)電率達(dá)20%。變頻節(jié)能系統(tǒng)的安裝，解決了以前自耦降壓啟動(dòng)裝置起動(dòng)失敗，而且需連續(xù)起動(dòng)多次才能正常運(yùn)行，并時(shí)有燒壞控制柜內(nèi)低壓電氣的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了很好的節(jié)電效果。

改造前后電流數(shù)據(jù)對(duì)比：

序號(hào)

5.總體性能指標(biāo)與同類技術(shù)比較、技術(shù)成熟程度

5.1總體性能指標(biāo)

由于生產(chǎn)正常時(shí)要求供風(fēng)持續(xù)并且穩(wěn)定，因此風(fēng)量，風(fēng)壓變化不大，故可通過變頻器準(zhǔn)確調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，消除節(jié)流損失，同時(shí)提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。雖然由于電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的下降會(huì)使其運(yùn)行效率降低，但因風(fēng)機(jī)運(yùn)行功率的下降幅度很大，電動(dòng)機(jī)的損耗也有所減少最終使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率大幅下降，從而達(dá)到節(jié)電的目的。

4套羅茨風(fēng)機(jī)及電機(jī)參數(shù)如表1所列。表1???風(fēng)機(jī)與電機(jī)的參數(shù)：

序號(hào)

5.2變頻技術(shù)節(jié)電同類技術(shù)比較

以1#爐，4#爐現(xiàn)場為例，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)如表2為例。

由表中數(shù)據(jù)獲悉，采用常規(guī)運(yùn)行（中頻降壓啟動(dòng)）與變頻運(yùn)行，在條件相同的情況下，由電度表讀數(shù)得知，320KW電機(jī)在常規(guī)運(yùn)行時(shí)每小時(shí)耗電275KW.h，變頻運(yùn)行時(shí)為220KW.h，節(jié)電率達(dá)20%。運(yùn)行頻率43Hz，壓力44kpa.為了高爐操作方便，輸出頻率基本不變，可通過放散閥所留有的余量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

表1?、高爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)改造前耗電量?（調(diào)壓閥長期開啟，用調(diào)壓閥手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量及壓力）

序號(hào)

5.3技術(shù)成熟程度

變通過5年的使用、觀察、發(fā)現(xiàn)變頻設(shè)備對(duì)使用環(huán)境要求較高，針對(duì)上述問題，公司采取了相應(yīng)的技術(shù)措施;隔離了變頻器與電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境，采取強(qiáng)制冷卻方式保持變頻器的工作溫度在25℃左右。根據(jù)功率需要配置了進(jìn)、出線電抗器，抑制了諧波頻率，加強(qiáng)了設(shè)備的點(diǎn)檢力度。至今，整改系統(tǒng)的電氣設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)率始終保持在98%以上，為生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了大量的維修費(fèi)用，取得了顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

該項(xiàng)目的成功投運(yùn)獲得到了集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)的肯定，為下一步集團(tuán)下屬各子公司及當(dāng)?shù)卮笕萘坑秒娖髽I(yè)的節(jié)能改造起到示范應(yīng)用推廣、引導(dǎo)作用，使公司在節(jié)約型發(fā)展的道路上邁出了重要的一步。借鑒四號(hào)爐改造的成功案例，已在其它設(shè)備上廣泛推廣，目前已投資100多萬元在100KW以上的大、中型電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用，使用效果顯著，已具備操作、維修技術(shù)水平。

6.推廣應(yīng)用情況

變頻器以精確、完善的保護(hù)功能，寬幅度的調(diào)速范圍，操作方便的特點(diǎn)是最理想的調(diào)速設(shè)備，已被逐漸廣泛應(yīng)用在工藝生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，在進(jìn)行節(jié)能改造，改善生產(chǎn)工藝方面發(fā)揮了重要作用。?根據(jù)前期變頻技術(shù)改造應(yīng)用取得的效果及效益，宏鑫公司在變頻技術(shù)應(yīng)用方面有了更大的投入，配置320KW電機(jī)5臺(tái)，280KW電機(jī)2臺(tái)，132KW電機(jī)2臺(tái)（以上設(shè)備屬于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)），配置了變頻器的設(shè)備運(yùn)行正常。平穩(wěn)、兩高一低（高故障.高能耗.低效率）現(xiàn)象消失，節(jié)能效果顯著，日平均總耗電量比改造前下降5500度。年工作時(shí)間以300天計(jì)算，一年可節(jié)約電量165萬度，為公司的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

下附2/4#爐中頻（表1）與變頻（表2）：

24小時(shí)耗電量對(duì)比表：

表1

7.社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益及分析

7.1社會(huì)效益

公司現(xiàn)有110KW以上大、中型電動(dòng)機(jī)17臺(tái)（其中：355KW2臺(tái)，320KW5臺(tái)，280KW2臺(tái)，132KW4臺(tái)，110KW4臺(tái)），合計(jì)功率3838KW。其中已進(jìn)行改造9臺(tái)，合計(jì)功率2424KW，占以上合計(jì)功率的63.16%。剩余36.84%正在逐步實(shí)施技術(shù)改造，預(yù)計(jì)實(shí)施改造后日均節(jié)約電量2000度左右。計(jì)劃到2018年底，將變頻技術(shù)在110KW以下，22KW以上的60多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行配置，巨大的節(jié)能空間將為節(jié)約大量的能源，提供更多的就業(yè)崗位，創(chuàng)造和諧的社會(huì)環(huán)境，為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)。

7.2經(jīng)濟(jì)效益及分析

至2014年8月，全廠月耗電量由改造前的200萬KW.h下降到170萬KW.h，取得了理想的節(jié)能效果。改造前采用常規(guī)運(yùn)行（減壓啟動(dòng)），在條件相同的條件下，由電度表讀數(shù)得知，320KW電機(jī)在常規(guī)運(yùn)行時(shí)每小時(shí)耗電275KW.h。改造后經(jīng)過變頻運(yùn)行新技術(shù)配置，320KW電機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí)每小時(shí)耗電220KW.h。相同的設(shè)備，經(jīng)過新技術(shù)配置，運(yùn)行效果截然不同，耗電量由改造前的3692KWh下降到2681KW.h。不僅如此，在容量利用方面也取得了意想不到的效果，四號(hào)爐前期使用的S11-800/10電力變壓器由于條件限制，工作溫度60℃，高壓保護(hù)開關(guān)經(jīng)常發(fā)生跳閘現(xiàn)象。改造后，由于控制了負(fù)載電流，總電流由前期的780A下降到685A，工作溫度由60℃下降到40℃。為了合理利用資源，2009年10月，將800KVA變壓器更換為630KVA，至今設(shè)備運(yùn)行正常，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

8.結(jié)束語

我國電動(dòng)機(jī)耗電量占總發(fā)電量的60%以上，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率低于國外先進(jìn)水平約10-20個(gè)百分點(diǎn)，運(yùn)行效率低下造成的電量浪費(fèi)相當(dāng)嚴(yán)重，因此提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率是重要的節(jié)能措施，變頻調(diào)速與高效電動(dòng)機(jī)是可行的兩種節(jié)能方式。而變頻器的正確選用對(duì)于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的，宏鑫公司通過變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，應(yīng)用效果明顯，系統(tǒng)運(yùn)行可靠平穩(wěn)，控制靈活方便，保護(hù)功能齊全，靈敏度高，不僅節(jié)約了能源，同時(shí)也降低了設(shè)備故障與噪音，節(jié)約了大量的維修費(fèi)用，徹底解決了大功率電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難的問題。為生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的動(dòng)力，收到了到節(jié)能環(huán)保的雙重效果。

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WIN-VA/VC?high?performance?vector?inverter?manual，?Shenzhen?Micro?Technology?Co.?ltd..

[4]森蘭SB-HV系列變頻器用戶手冊(cè)，希望森蘭科技股份有限公司。

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[5]WOS3系列矢量變頻器（產(chǎn)品使用手冊(cè)），美國沃爾森電氣有限公司。

2、國產(chǎn)hLP牌變頻器使用手冊(cè)，上海丹佛斯科技有限公司，電抗器使用說明。

3、WIN-VA/VC高性能矢量變頻器使用說明書，深圳市微能科技有限公司。

4、森蘭SB-HV系列變頻器用戶手冊(cè)，希望森蘭科技股份有限公司。

5、WOS3系列矢量變頻器（產(chǎn)品使用手冊(cè)），美國沃爾森電氣有限公司。

WOS3?series?vector?frequency?converter?（manual），?the?United?States?Watson?Electric?Co.?ltd..