电动机系统节能综述.doc

电动机系统节能综述康渊（武汉理工大学机电工程学院，武汉）Review of energy saving system for motorKANG Yuan（Wuhan University of Technology College of mechanical and electrical engineering，Wuhan）摘要：电动机系统节能属于十大节能工程之一。随着电动机系统节能技术的不断深入研究和发展，电动机系统节能不仅仅停留于研究和开发单一高效产品和装置，而是向着电动机系统的优化匹配、节能和绿色设计等方面发展，使电动机系统的寿命周期都达到绿色、节能的效果，最大限度提高系统能源利用率，真正成为低碳经济的重要组成部分。关键词：电动机系统；节能措施；绿色节能ABSTRACT：Energy saving motor system belongs to one of the ten major energy conservation projects.With the development of energy saving technology for motor system in-depth study and development,Motor system energy saving not only stay in the research and development of a single high performance products and devices,but toward the optimization of motor system matching,Energy conservation and green design development,The life cycle of the motor system are reaching the green, energy-saving effect，to maximize system utilization ratio of energy,really become an important component of low carbon economy.KEY WORDS：Motor system energy saving measures; green energy.1. 电动机系统及其节能潜力 即将发布的IEC60034-30“单速三项鼠型感性电动机的能效分级”标准指出：全世界工业用电动机消耗了总发电的30%-40%。提高电动机系统（包括电动机和调速驱动系统）的效率是节能工程关注的重点。通过系统优化，其节能潜力可达30%-60%。根据国际能源署电动机工作组2006年7月的报告，电动机通过改善效率结合变频调速可以节约世界范围内总电能的7%.粗略统计其中1/4-1/3的节约来自改善电动机的效率，剩余部分来自系统整体性能的改善。 电动机系统是将不同部件或与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、传动控制系统及管网负荷，主要用于流体运动（泵、风机、压缩机等）、物料加工（切削、搅拌、研磨、钻等）、物流运输（传送带、电梯等）。因此，电动机系统节能涉及到多个学科、多个专业、和多个领域、不同工况、不同负载特性、不同工艺过程、不同应用场合所采用的节能措施也应该不同。主要措施及其节能量如表一所示。 表一 不同节能措施的节能量电机系统节能措施 典型节能量1.系统安装或更新高效电机2%-5%正确选型、负载匹配节能量较大调速驱动10%-50%高效机械传动/减速器2%-10%电能质量控制0.5%-3%高效终端设备（如泵、风机、压缩机）节能量较大高效管网节能量较大2.系统操作和保护润滑、校正、调整1%-5%2. 我国电动机节电潜力 全国现有的各类电动机系统装机保有容量约17亿kw。整个电动机系统用电量约占全国用电量的60%以上。其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量10.4%、20.9%、9.4%、和6%。与国外先进水平相比，电动机的制造技术和工艺有一定的差距，电动机传动调速及系统控制技术差距较大。因此，我国在提高电动机系统效率、加强系统节能管理方面有着巨大的节能潜力。当我国电动机系统的运行效率提高到国际先进水平时，每年可节约用电大约1500亿kWh。3. 电动机系统节能政策 “十一五”期间，国家发展和改革委员会等部门联合发布“十一五”十大重点节能工程实施意见，把电动机系统节能列为十大节能工程之一，并提出通过制定、修订一系列电动机有关能效标准来完善电动机系统节能工程的配套措施。积极引导企业更新改造低效电动机，对大中型变工况电动机系统进行调速改造，对电动机系统被拖动设备进行节能改造。2013年6月份，工业和信息化部、国家质检总局印发了关于组织实施电动机能效提升计划（2013-2015年）的通知，拟用3年时间，通过政策引导、标准约束、监督检查等手段以及市场化机制，从电动机生产、应用及回收再制造领域全面提升电动机能效，促进电动机产业转型升级。4. 国际上电动机系统绿色节能技术发展现状 国际上各国政府和组织纷纷研究不同应用领域、不同工业部门的各种各样电动机系统的节能方案，制定节能导则、标准、法则等，如：IEC统一全球的电动机能效和测试方法标准；欧盟的EutoDEEM电动机系统节能平台；欧盟的生态设计计划等，促进电动机系统在节能设计、合理匹配、优化设计等方面提高系统效率，避免仅为提高电动机系统能效而造成的二次能源浪费，做到电动机系统的绿色节能。 欧盟电动机挑战计划的核心内容主要是在工业和服务业的终端用户中，提高他们对电动机系统节能措施、节能潜力的认识；并在欧盟范围内建立一个框架，鼓励高层决策者优先采用或者实施这些节能措施；同时在欧盟EutoDEEM数据库的基础上，建立一个覆盖面广范的信息的信息工具，帮助终端用户最优化其电动机（系统）设计、采购、安装以及运行等各层面工作。表二 欧盟异步电动机的节能潜力功率范围/kW标准电动机效率/%目前市场可获得最好的高效率电动机效率/%节能潜力/(亿kWh)0.75-7.580861707.5-3790935637-7593952075959630合计/276 美国电动机挑战计划是为了更加的推动电动机系统节能系统节能技术的应用，由美国能源部组织编制了电动机系统节能规划，依靠公共服务机构，研究在不同应用领域、不同工业部门的各种各样电动机系统的节能方案，制定节能导则，通过宣传、培训、信息化服务、技术推广、检测服务等各种手段和措施，促使制造企业在电动机系统的节能设计和应用企业在系统的采购、合理匹配、优化设计等方面提高系统效率。表三 美国电动机挑战计划对节能措施的评估效率升级措施节能潜力/（kWh*104）/年节能值占电动机总用电量的比例/%全部整马力以上电动机升级到EPACT水平130432.3全部整马力以上电动机升级到Premium水平67561.2改进电动机修理方式47780.8合计245774.35. 我国电动机系统绿色节能技术发展现状 我国电动机系统运行效率比国际水平要低25%30%。截至2008年底，我国发电机总装机容量约8亿千瓦，电动机总装机容量约为12亿千瓦以上（2008年国家统计局数据交流电动机产量超过2亿千瓦），2008年全年总用电量为3.427万亿千瓦时，工业领域电动机系统用电约占全国总发电量的57%左右，即约用电1.95万亿千瓦时以上，折合标准煤7.9亿吨以上。如果能改造现有工业电动机系统的一半，使之平均提高运行效率25%，按照2008年全年工业电动机系统耗电计算，则可年节约用电2575亿千瓦时以上，折合标准煤1.04亿吨以上。面对电动机系统节能的巨大潜力和空间，国家已出台相应政策，推进电动机系统节能工程的建设。6. 我国电动机系统绿色节能发展存在的问题 我国电动机系统绿色节能技术水平及产品落后与国际先进水平，发展缓慢，主要存在以下几个问题。6.1电动机系统复杂、多样，我国研究起步较晚 电动机系统应用与各行各业，工况多样复杂。不同的负载特性，要综合考虑整个电动机系统的工况、运行状况和负载特性，使整个系统达到最佳配置，从而提高系统的运行效率。因此，采取的节能措施要“对症下药”“量衣裁衣”。而我国在电动机系统节能综合集成技术和应用技术研究领域起步较晚，水平较低，节能工程实施效果不够明显。6.2缺乏相应的标准 由于系统设计最大化、选型和设备采购等原因，导致我国电动机系统大都运行在“大马拉小车”状态下，能源浪费严重，而仅仅单个部件高效，真正应该反映电动机拖动典型设备，同时，有效、适用、实用的系统选型，匹配和优化标准和规范、导则，系统节能改造标准及导则，系统节能检测、评估标准等相关标准也不健全。缺乏指导、规范电动机系统节能技术和产品发展的相关标准，对节能效果和节能能量不能进行科学的判定，影响了电动机系统节能技术的推广。6.3节能电动机匹配技术和专用节能产品缺乏目前，对高效节能产品的认识存在如下误区。6.3.1 任何负载都使用通用高效电动机，成本高、节能效果不佳、投资回收期长。我国电机系统能效检测技术、系统节能减排整体解决方案及节能控制技术、与负载匹配的专用电机和专用控制装置的匹配集成技术、节能效果和性价比达到最佳匹配的系统节能技术等方面基本还处于空白。6.3.2 通过高效电动机和通用水泵，风机未合理匹配的简单组合，成本高、节能效果不佳，投资回收期长。大部分风机、泵类采用机械节流方式调节，系统运行效率低。6.3.3 任何负载都加装变频器作为调速控制装备来节能，成本高、大多数情况性价比不高。电机传动调速及系统控制技术与国外相比差距较大，电机控制装置主要为满足工艺要求进行控制，缺少专用的电机系统节能控制装置，且采用变流调节装置的电机系统仍为少数，不到总量的10。应根据不同的负载特性，选择性价比高，节能效果好，成本低、占用空间小、投资回收期短的不同的调速方法和不同的电动机和控制装备来解决不同负载系统的节能为题。6.4研究力量分散、研究开发进度缓慢缺乏面向全国有效整合研究力量的机构，难以将分别从事电动机、风机、水泵、变频装置，及其他电控设备等方面的研究、开发、设计、检测、产品化推广的科技人员有效组织起来，以致高水平、系统化的科研和开发进度迟缓，各单位在较低的水平上重复立项，研发速度和进程比较缓慢。放眼国外，为了更好地推动电机系统节能技术的应用，美国能源部组织编制了电机系统节能规划，该规划称为电机挑战计划，其所需资金全部由美国能源署提供。虽然电机挑战计划是一个自愿参与计划，但是确实达到了引导制造商和用户生产和使用高效电动机和高效电动机系统的目的。参加该计划的企业必须承诺实现降低能耗的量化目标，并报告执行情况。企业将从中获得降低运营成本、提高和维持设备可靠性和服务质量等直接利益。此外，企业也可以享受使用电机挑战计划标识、参加电机挑战计划宣传活动等权利。欧盟也作出相应的计划，这些方面值得中国学习。6.5 研究力量分散、研究发展进度缓慢 缺乏面向全国有效整合研究力量的机构，难以将分别从事电动机、风机、水泵、变频装置、及其他电控设备等方面的研究、开发、设计、检测、产业化推广的科济人员有效组合起来，以致高水平、系统化的研究和开发进度缓慢，各单位在较低的水平上重复立项，研究速度和进度比较缓慢。上述问题的存在阻碍了电动机系统工程的有效实施和纵深开展。工业领域的节能潜力最大，但由于涉及到各个领域、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，电动机系统是个及其复杂的系统工程。电动机系统节能虽然复杂，但也可将其分为以下五类：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、系统内不同部件或子系统合理匹配的节能及系统控制方式的节能等。表四 中国电动机效率升级的节能潜力电机类型节约电能（亿kWh）/年年节约电能占总发电量高效率电动机2100.85超高效电动机600.24合计2701.097. 电动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的。工业用电机分直流和交流二大类，据Eu-25(2006)统计数据显示，欧盟在用的工业电动机中，交流电动机占962，直流电动机占38。在交流电动机中，三相感应电动机占87，单相感应电动机占4，同步电动机占5，交直流两用电动机占4。三相感应电动机又分笼型和绕线型转子两种，但绕线型转子感应电动机的使用较笼型感应电动机少得多。笼型感应电动机具有成本低，可靠性好，维护简单，通过调速驱动易于控制等优点三相笼型感应电动机消耗的电能占全部工业电动消耗电能的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。8.电机节能技术 8.1 正确选型 按节能的需要，宜优先选用高效电机，且必须减小所选电机的浮装容量，杜绝“大马拉小车”的不良现象，使电机负载率始终保持在80 以上。如我国自行设计的Y、YX系列异步电机效率比老JO系列电机效率高。通常情况下，普通电机的损耗为输入功率的625，平均损耗折算后 为13，Y系列异步电动比JO系列电机的效率高出1，而YX电机的平均效率比Y电机又高出3。为了降低铜、铁损耗，必须采用损耗低、导磁性较好的磁性材料，同时还要改进设计结构及制 造工艺来降低杂散损耗。虽然这使得高效电机的制造成本应增加2030。但对于长期连续运行且负载率较高的工况采用高效电机是合算的。电机选型时除了上述原则外，还需考虑以下几点因素：因转子效率的差异，鼠笼型电机较绕线型电机宜优先选择；因功率因数的差异，高速电机较低速电机宜优先选择；因电压等级差异，当负载较大时，高压电机较低压电机宜优先选择。8.2提高功率因数 异步电动机的功率因数随负载而变化，额定负载时功率因数较高，轻载时功率因数较低，一般在02085。异步电机在运行过程中会在电网中吸取大量的感性无功功率，使电网中的功率因数被恶化，系统运行效率下降。可以采取无功补偿的方法予以调整。异步电动机的无功补偿 ，是 指在保证电动机正常工作的前提下，通过补偿提高用电线路的功率因数，同时减少供电线路和变压器的损耗。无功补偿方法有：(1)并联电容器 。通常是在电动机的出线端并接电容器。接线方式 如图3，无功补偿原理如图4所示。在未进行电容补偿前，线电流滞后电压的电角度为，进行补偿后 (即接入电容器后)，电容器支路电流为，线电流滞后电压的电角度2。可见，在异步电动机的出线端并上适量的电容可以提高线路的功率因数。因为电机的端电压未变，不影响电动机的正常工作，而且电容器本身消耗的功率很小，可忽略不计。(2)对大容量的绕线式异步电机可使其按同步方式运行。(3)安装功率因数静补装置，该装置主要由交流滤波装置及容量可无级连续调节的感性无功设备组成，可进行滞相运行。电网的功率因数提高后，在保证有功功率恒定的前提下，使系统的视在电流有所减小，降低了供 电系统的损耗，从而有效的实现了节能。 图3 图48.3调速节能8.3.1串级调速节能 如图5所示，串级调速是将异步电机运行时 转子线圈中的感应电势sEo通过滑环装置引出，经三相整流桥变为直流，再由三相全控桥将其逆变为50Hz或60Hz的交流电流，通过变压器将转差功率返回电源。这样就可以通过调节逆变桥的晶闸管触发角来调节电机的转速，同时，还可以确保转差功率P。被电网再利用，对大容量的异步电机，有利于其在低速状态下节约大量的电能。 图58.4变压调速节能 当异步电机轻载时，降低其外在的电源电 压，可以实现节能。若异步电机正常运行，且不计空载转矩，则电磁转矩必定等于负载转矩。 电源电压下调后，主磁通减小，此时电机力矩变小，转速下降，虽然使转子电流2有所增加，但在电机轻载时，转子电流2的增幅减小。由电磁理论可知：定子电流，1=m+2，其中m是电机磁化电流m随着m的减小而减小。在一定的负载下，只要满足，m的减幅起主导作用，此时，2和m的矢量和减小，即定子电流，1减小，定子铜损Pcul=312r1随之减少，电机效率上升。 在实际应 用中，对接法的异步电机，当负载率低于50以下时可以改为Y形接法，如图6所示，此时，电机的相电压为原来的13 ，具有较好的节能效果。 随着现代电力电子技术的发展，异步电机高 效节能器 (或称软起动器)应用日益广泛，它是移相控制原理同自动控制理论相结合的产物。如图7所示，由串接于电源与被控电机问的三相反并晶闸管VT及其控制回路组成，通过改变晶闸管导通角的大小，来控制主回路的电流值。经验表明 ：负载率在 35以下时，软起动器节能性能 显著。 8.5变频调速节能 许多生产企业离不开风机、水泵这类设备， 这些风机、水泵多是根据满负荷工作量来选型， 而实际上大部分时问并非处于满负荷工作状。由 于季节、气候、工作负载等诸多因素的影响，它们经常处于较低负载运行，大部分只能达到额定功率的4050。当生产工艺要求流量或压力变化时，常采用调节风门、闸门开度的节流控制方式，而风机、水泵却一直处于全速运行状态，造成了大量的电能浪费。采用改变风机、水泵电机的转速，可以调节其风量及压力，从而改变所需轴功率，可达 到很好的节能措施。 变频调速节能是一种先进的节能技术，电机变频调速节能原理如图8。根据交流异步电动机转速公式 ：n=60f(1-s)p式 中：n一电机转速； f一电源频率； s一 转差率； p一 电机极对数 。 只要改变电源频率厂就可调节电动机的转速 n。大型变频装置可在效率基本不变的情况下， 通过改变驱动电源的电压和频率，平滑地调节电机转速，根据输出量的要求改变输出功率。对于风机、水泵类负载，根据流体力学原理，风量(流 量)Q与转速n的一次方成正比，风压(流体压力)H与转速n的二次方成正比，轴功率P与转速n的三次方成正比。即Q=K1n，H=K2n2，P=K3n3。 对风机来说，当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需风量下降为80，则转速也下降为额定转速的80，而轴功率降为51。 如图9所示，当风量需从Ql减少到Q2时，如采用调节风门方法，管网阻力增加，系统工况点由A变到新的工况点B运行，轴功率P2与面积 BQ2成正比；如果采用调速控制方式，风机转 速由nl降到n2，风压大幅度降低到H3，功率P3相当于面积CH3CQ2显著减少，节省的功率损耗AP=AHOQ2与面积成正比，泵类负载也类似。通过实践统计，风机水泵类调速控制可节能30左右。所以，当异步电动机应用于风机、水泵、牵引及拖动等负载变化时，若采用变频调速来调节电动机功率，则可以节约很多电能。而传统的调节方法是改变电动机的通电时间所占比例 (占空比)，那样电动机就会频繁地制动和起动，从而消耗和浪费的很大能量。 9.三相笼型感应电动机 三相笼型感应电动机在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，如以往把80355机座号划为小型电动机，把355630机座号划为中型电动机。小型电机由低压如220 V380 V供电，中型电机由高压如6 kV10 kV供电。因此，也可称之为小型低压电动机和中型高压电动机。当然，还有1 140 V和3 300 V供电的电机，但不是主流产品。随着技术和市场需求的发展，小型电机向下扩展到63机座，中型向上扩展到710、800、900，甚至到1 000机座。近年来，随着大电流变频器技术的发展以及考虑高、低压变频器的较大价差和可靠性等因素，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315 kW扩展到1 000 kW，近年还出现了2 000kW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：一类是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，IEC6003417：2002(GBT20161-2006)“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；另一类 是为变频器供电专用设计的笼型感应电动机，IEC60034-25：2004(GB121209-2007)“变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则”描述了1 000 V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。9.电动机系统节能标准体系的构成 电机系统节能体系是指一定范围内的电机系统节能有关的标准按其内在联系形成的科学、有机的整体，具体协调性、结构性、和目的等特征。建立电机系统节能标准体系有助于分析其层次结构和过程结构，从而使节能标准发挥最大的作用。 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，如美国的NEMA、EPACT，加拿大的CSA，欧盟的CEMEP，澳大利亚和新西兰的ASNE，日本的JIS和中国的GB标准等，但由于各国标准间存在较大差异，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IECTC2 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l，且能通过对4极和6极电 机进行调速控制而达到8极转速；大于375 kW的电机效率提高有限。因此，该标准适用范围为：额定电压1 000 V及以下，输出功率075375kW，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IEC6003425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。 电机系统节能标准体系由检测与计算方法标准、节能装置标准、经济运行标准、设备