淺議電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能

陳叢悅 孫立梅

摘 要：電機(jī)是重要的驅(qū)動(dòng)裝置，是最大的耗電終端設(shè)備。我國電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率較低，節(jié)能潛力巨大。電機(jī)節(jié)能是系統(tǒng)工程，涉及電機(jī)的全壽命周期，概括起來有電機(jī)高效節(jié)能設(shè)計(jì)、電機(jī)智能一體化、“雙高”電機(jī)應(yīng)用、多功率高效電機(jī)和專用電機(jī)選擇、系統(tǒng)節(jié)能等方面。實(shí)施電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能措施，應(yīng)根據(jù)工況實(shí)際進(jìn)行合理選擇，實(shí)現(xiàn)最佳投資收益比。

關(guān)鍵詞：電機(jī)；系統(tǒng)；節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.166

1 高效電機(jī)制造應(yīng)用

眾所周知，電機(jī)進(jìn)行電能機(jī)械能轉(zhuǎn)換時(shí)，自身也有能量損耗，分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗三部分?？勺儞p耗（銅損）是隨負(fù)荷變化的，包括定子電阻損耗、轉(zhuǎn)子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗（鐵損）與負(fù)荷無關(guān)，包括鐵芯損耗和機(jī)械損耗，由磁滯損耗和渦流損耗組成，與電壓的平方成正比，其中磁滯損耗還與頻率成反比；其他雜散損耗包括軸承的摩擦損耗和風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子等由于旋轉(zhuǎn)引起的風(fēng)阻損耗。一般情況下，鐵損最高約占50%，銅損次之占20%，其他損耗約占30%。

電機(jī)節(jié)能是系統(tǒng)工程，涉及電機(jī)的全壽命周期，包括電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、選型、運(yùn)行、調(diào)節(jié)、檢修和報(bào)廢。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能措施，概括起來有電機(jī)高效節(jié)能設(shè)計(jì)、電機(jī)智能一體化、“雙高”電機(jī)應(yīng)用、多功率高效電機(jī)和專用電機(jī)選擇、系統(tǒng)節(jié)能等方面。其中：采用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、新材料技術(shù)、控制技術(shù)、集成技術(shù)、試驗(yàn)檢測技術(shù)等現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，對降低電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率起到關(guān)鍵作用。

高效節(jié)能設(shè)計(jì)。包括：采用特殊的繞組形式（正弦繞組、不等匝繞組等），低損耗軸承，冷卻風(fēng)路與風(fēng)扇設(shè)計(jì)；選擇低損耗的冷軋硅鋼片、稀土永磁材料、磁性槽契，減薄絕緣電磁線等材料；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子銅壓鑄工藝，定子線圈自動(dòng)成形與無溶劑浸漆工藝，沖氣隙與轉(zhuǎn)子外圓不切削工藝，轉(zhuǎn)子酸洗工和鐵芯退火工藝等。

電機(jī)智能一體機(jī)。集電機(jī)、變頻器于一體，具有體積小、重量輕、變頻方便、性能穩(wěn)定，智能控制等優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)可根據(jù)負(fù)荷需求進(jìn)行自我調(diào)速，節(jié)能降耗。廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、數(shù)控機(jī)床等，節(jié)能效果顯著。

“雙高”（高效率、高功率因數(shù)）電機(jī)技術(shù)。一是減小異步電機(jī)的無功激磁電流，提高功率因數(shù)（cos∮>0.92）。二是濾除激磁電流的高次諧波，使電流趨于正弦波形，保證旋轉(zhuǎn)磁場更趨圓形，顯著減小電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩，降低噪聲。并且隨著激磁電流波形改善，解決困擾電機(jī)的“軸電流”技術(shù)難題，提高電機(jī)軸承的可靠性。

多功率電機(jī)。利用電動(dòng)機(jī)自動(dòng)檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)高、中、低多檔功率輸出自動(dòng)變換。特別適用于油田抽油機(jī)、泵類傳動(dòng)、造紙行業(yè)等變動(dòng)負(fù)載運(yùn)行場合。

專用電機(jī)。研究驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性，設(shè)計(jì)性能先進(jìn)、運(yùn)行可靠、價(jià)格合理的專用電機(jī)產(chǎn)品，以應(yīng)對千變?nèi)f化驅(qū)動(dòng)負(fù)載，節(jié)能效果更加顯著。如油田用抽油機(jī)專用稀土永磁電機(jī)，節(jié)電率高達(dá)20%。

2 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)

電機(jī)系統(tǒng)是通過電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，對拖動(dòng)裝置（如風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、傳送帶等）做功，實(shí)現(xiàn)功能需求。由電動(dòng)機(jī)、被拖動(dòng)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制（調(diào)速）系統(tǒng)以及管網(wǎng)負(fù)荷等組成。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能要求在滿足負(fù)載功能的情況下，合理選擇匹配電機(jī)和系統(tǒng)，以最佳性價(jià)比實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能效果。經(jīng)常情況下，單一環(huán)節(jié)的提高效率，節(jié)能效果并不理想。

高效電機(jī)節(jié)約電能△E可用下式表示：

△E=（1/n0-1/nr）×Pn×H×Kz

式中：n0、nr—一般電機(jī)與高效電機(jī)的效率；

Kz—負(fù)荷率；

Pn—電動(dòng)機(jī)額定功率；

H—年運(yùn)行小時(shí)。

以11kW、4極電機(jī)為例，普通電機(jī)效率為88%，高效率電機(jī)效率為91%，年運(yùn)行時(shí)間為4000h，負(fù)荷率為0.75，采用高效率電機(jī)年節(jié)約電能為1234kWh。

△E=（1/0.88-1/0.91）×11×4000×0.75=1234（kWh）

（1）高效率電動(dòng)機(jī)的替換。適用于負(fù)載率在50%以上、年運(yùn)行時(shí)間長（一般超過3000小時(shí)）的恒定負(fù)載。以選用2級能效以上電機(jī)產(chǎn)品為佳。

（2）無功補(bǔ)償技術(shù)。適用于電機(jī)功率因數(shù)低、負(fù)載功率變化大，變化速度快、有諧波源且諧波污染高的電機(jī)系統(tǒng)集群，如鋼廠、化工廠、機(jī)械加工廠等，綜合節(jié)電率在4%左右。

（3）調(diào)壓節(jié)能技術(shù)。電機(jī)輕載情況下，通過降低輸入電機(jī)端電壓，使電機(jī)輸出功率與負(fù)載精確匹配，有效降低電機(jī)損耗，實(shí)現(xiàn)效率提高。適用于負(fù)荷率低、功率因數(shù)低、負(fù)載變化較大的中小型異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。如機(jī)床、輸送帶等，綜合節(jié)電率一般為2～5%。

（4）變頻調(diào)速技術(shù)。用于高、低壓電機(jī)系統(tǒng)改造，通過改變交流異步電動(dòng)機(jī)供電電源頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。適用于負(fù)荷變化較大、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速頻繁工況，對于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速二次方變化的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載，節(jié)能效果顯著，綜合節(jié)電率可達(dá)到10～50%，甚至更高。

（5）變極調(diào)速技術(shù)。通過改變定子繞組接線方式，改變電機(jī)極數(shù)，實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速目的，如YD、YDT系列等變極多速電機(jī)。適用于需定量調(diào)節(jié)流量且調(diào)節(jié)不頻繁的工況，如某些風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，由于環(huán)境條件（如季節(jié)、溫度等）變化，要求相應(yīng)調(diào)節(jié)流量，且調(diào)速精度要求不高。綜合節(jié)電率可達(dá)到10～30%。

（6）電機(jī)減容或增容增效技術(shù)。按實(shí)際運(yùn)行工況、容量需求，重新設(shè)計(jì)制造，減小或增加電動(dòng)機(jī)容量，實(shí)現(xiàn)與負(fù)載匹配輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。適用于連續(xù)運(yùn)行、負(fù)荷基本恒定、不調(diào)速、不頻繁啟動(dòng)工況下，綜合節(jié)電率15%左右。

案例：一臺額定功率為3500kW的高壓電機(jī)，因產(chǎn)量增加需要增加電機(jī)功率，現(xiàn)對該電機(jī)進(jìn)行增容改造，通過重新設(shè)計(jì)，采用減薄絕緣結(jié)構(gòu)和真空浸漆工藝，可將電機(jī)額定功率提高到4000kW。若購置一臺4000kW新電機(jī)，投資約80萬元，而本方案只需投資20多萬元。

（7）電機(jī)高效再制造與節(jié)能。將低效電機(jī)通過重新設(shè)計(jì)，更換零部件等方法，再制造成高效率電機(jī)或適用于特定負(fù)載和工況的節(jié)能電機(jī)（如變極電機(jī)、變頻電機(jī)、永磁電機(jī)等）。

3 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能注意事項(xiàng)

（1）高效電機(jī)簡單替換。高效電機(jī)用于替代拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例關(guān)系的設(shè)備時(shí)，轉(zhuǎn)速的增加將導(dǎo)致電機(jī)輸出功率（轉(zhuǎn)矩）的增加，會削弱提高效率節(jié)能效果。

例如：11kW、50Hz電機(jī)在相同應(yīng)用工況下，不同效率變化時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩要求隨能效等級的變化情況見表1。

IE2電機(jī)與IE1電機(jī)相比，轉(zhuǎn)速有所增加，雖然總效率提高了2.2%，但輸入功率僅下降了0.485%。

對于該類負(fù)載置換高效電機(jī)時(shí)，當(dāng)工況對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化沒有要求時(shí)，如輸送生活用水、室內(nèi)空調(diào)等，采用高效電機(jī)其轉(zhuǎn)速升高，流量增大，相應(yīng)運(yùn)行時(shí)間會適當(dāng)縮短，節(jié)能效果較好。當(dāng)工況對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化有要求時(shí)，如工藝風(fēng)機(jī)、工藝泵等，高效電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，可能會造成運(yùn)行工況發(fā)生變化，此時(shí)宜慎重置換，可選用效率提高、但轉(zhuǎn)速未提高的專用高效率電機(jī)，如YSE2系列電機(jī)。

（2）“大馬拉小車”情況。以功率需求39kW為例，將75kW電動(dòng)機(jī)改為55kW以后，由表2中參數(shù)可知，其實(shí)際節(jié)省電量僅為0.21kW（41.76-41.55），并不是想象中的20kW（75-55）。因此，合理選擇電機(jī)必須進(jìn)行運(yùn)行分析。

（3）變頻調(diào)速控制電機(jī)。普通電機(jī)改為變頻調(diào)速時(shí)，由于變頻器供電時(shí)過高的載波頻率引起的起始放電電壓會直接加載在電機(jī)的繞組接線端部，最常見的故障就是匝間絕緣破壞引起電機(jī)燒毀。還會在電機(jī)軸承處引起軸電壓和軸電流，從而燒毀軸承。因此，變頻調(diào)速控制時(shí)，宜選用專用變頻調(diào)速電機(jī)。

（4）變頻調(diào)速應(yīng)用工況。一般情況下，對于調(diào)節(jié)頻繁且流量調(diào)節(jié)較大工況宜釆用變頻速技術(shù)；調(diào)節(jié)較頻繁但流量調(diào)節(jié)較小工況宜采用變頻或調(diào)壓調(diào)速；調(diào)節(jié)不頻綮但流量調(diào)節(jié)較大工況宜采用多速電機(jī)；調(diào)節(jié)不頻繁且流量調(diào)節(jié)較小工況宜采用調(diào)壓或閥門調(diào)節(jié)等。

另外，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，也存在自身損耗，其中：變頻器損耗3～5%，變頻供電時(shí)電機(jī)增加損耗1～2%，因此，采用變頻調(diào)速后，系統(tǒng)總損耗將增加4～7%。同時(shí)，還需考慮變頻器購置成本和系統(tǒng)維護(hù)成本等。