赵争鸣-电机系统节能及其评估

1、电机系统节能及其评估电机系统节能及其评估 赵争鸣赵争鸣赵争鸣赵争鸣 清华大学电力系统国家重点实验室清华大学电力系统国家重点实验室 清华大学电机工程与应用电子技术系清华大学电机工程与应用电子技术系 20132013年年1010月月 2013年中石化节能减排新技术及其应用高级研修班 2 报告内容 ?电动机概述电动机概述 ? 电动机运行节能电动机运行节能 ? 电动机系统节能技术措施电动机系统节能技术措施 ? 新型高效电机新型高效电机 ? 变频调速驱动系统介绍变频调速驱动系统介绍 ? 变频调速系统节能及其评估变频调速系统节能及其评估 3 常规电动机分类常规电动机分类 直流直流 鼠龙式鼠龙式 异步异步同

2、步同步 交流交流 绕线式绕线式电励磁电励磁永磁式永磁式 机械式机械式电磁式电磁式 无刷永磁无刷永磁 目前，我国90以上的电动机仍然为异步电动机目前，我国90以上的电动机仍然为异步电动机 一、电动机概述 4 ? 行业协会统计：全国有3000家电机厂，具有一定生产规模的为300家 （10），骨干厂约为50家（占60的市场）。 行业协会统计：全国有3000家电机厂，具有一定生产规模的为300家 （10），骨干厂约为50家（占60的市场）。 ? 我国电机市场主要由四大系列组成：JO2系列、Y系列、Y2系列和YX系列。我国电机市场主要由四大系列组成：JO2系列、Y系列、Y2系列和YX系列。 ? 每年约生

3、产5的高效电机，其中90出口，成本增加约25。每年约生产5的高效电机，其中90出口，成本增加约25。 ? 已有部分其它高效电动机得到应用，如：永磁电机、磁阻电机等。已有部分其它高效电动机得到应用，如：永磁电机、磁阻电机等。 电动机生产及其应用状况 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 万 千 瓦 19961997199819992000 年 图1. 中国电机行业主要产品产量(1996-2000)图1. 中国电机行业主要产品产量(1996-2000) 小型交流电动机 大中 一般交流发电机 直流电机 出口电机产量 5 表 1 国内外电动机能源效率比较 单位： 额定功率 (k

4、W) Y系列JO2系列 中国 YX 系列 美国 XE美国 MAC 法国 MLE 1.5 79 81.5-84 5.5 85.5 86 89.5-90.2 88.5-90.2 88.5-90.2 7.5 87 87 90.3-90.7 88.5-90.2 88.5-90.2 22 91.5 89.5 93-93.5 91.7-9591.3-9392.5 55 92.6 91.5 94.2-94.7 94.1-9593-94.194.4 75 92.7 92 94.6-95 94.1-9594.1-9595 90 93.5 94.8-95.2 94.1-9594.1-9595.4 我国电动机的效率

5、低于国外平均水平23个百分点， 实际运行过程中电动机系统效率低于国外水平1030个百分点。 我国电动机的效率低于国外平均水平23个百分点， 实际运行过程中电动机系统效率低于国外水平1030个百分点。 一、电动机概述 6 二、电动机运行节能 损耗与效率计算： 1 铜损耗： 2 铁损耗： 损耗与效率计算： 1 铜损耗： 2 铁损耗：磁滞损耗： 涡流损耗： 3 机械损耗：轴承摩擦损耗和通风损耗 4 附加损耗：计算不出来的损耗（国标0.5%Pn） 效率： 3 机械损耗：轴承摩擦损耗和通风损耗 4 附加损耗：计算不出来的损耗（国标0.5%Pn） 效率： inlosses in PP P = 7 二、电动

6、机运行节能 ? 电动机系统中60%为风机水泵应用。电动机系统中60%为风机水泵应用。 ? 恒压恒频下风机水泵运行效率3050% 负载转矩与转速平方成正比 轴功率与转速立方成正比 恒压恒频下风机水泵运行效率3050% 负载转矩与转速平方成正比 轴功率与转速立方成正比 ? 损耗电能占总发电量约30%损耗电能占总发电量约30% ? 实施调速运行将能大幅度节能。实施调速运行将能大幅度节能。 2 3 L out Tn Pn 8 二、电动机运行节能 1980s：现在：1980s：现在： Power ElectronicsPower Electronics 直流电机调 速系统为主 交流变频技 术广泛应用 直

7、流电机调 速系统为主 交流变频技 术广泛应用 应用产业：钢铁/冶金/矿山/石油/化工/纺织/机械/电力/水利应用产业：钢铁/冶金/矿山/石油/化工/纺织/机械/电力/水利 实施调速运行将能大幅度节能实施调速运行将能大幅度节能 9 直流电动机调速原理：直流电动机调速原理： 1 () a EET aa E RU nT CCC UI R C = = 1 改变电枢电压1 改变电枢电压 2 改变磁通2 改变磁通 3 改变电枢电阻3 改变电枢电阻 二、电动机运行节能 10 常规直流电动机典型结构常规直流电动机典型结构 二、电动机运行节能 优点： 1、调速容易 2、调速范围较宽 3、低速负载能力强 主要问题

8、： 1、换向器容易出故障 2、体积大 3、重量重 4、成本高 5、高速受限制 优点： 1、调速容易 2、调速范围较宽 3、低速负载能力强 主要问题： 1、换向器容易出故障 2、体积大 3、重量重 4、成本高 5、高速受限制 11 交流电机调速交流电机调速 电机调 速系统 电机调 速系统 同步 电机 同步 电机 交流电 机系统 交流电 机系统 直流电 机系统 直流电 机系统 异步 电机 异步 电机 高性能调 速系统 高性能调 速系统 * 异步电机系统* 异步电机系统 二、电动机运行节能 2 2 222 1212 2()() e e e srp TU fsrcrs xcx nn s n = + =

9、 12 1 变压调速1 变压调速 2 转差离合器 调速 2 转差离合器 调速 3 转子回路串 电阻调速 3 转子回路串 电阻调速 4 串级调速4 串级调速 5 变极对数调速5 变极对数调速 6 变压变频调速6 变压变频调速 端电压变化时异步电动机的M-S曲线端电压变化时异步电动机的M-S曲线 ?调速范围小，稳定性差调速范围小，稳定性差 ?恒转矩下转子回路损耗增加恒转矩下转子回路损耗增加 调速方法简单调速方法简单 恒转矩下调速 范围 恒转矩下调速 范围 二、电动机运行节能 13 1 变压调速1 变压调速 2 转差离合器调 速 2 转差离合器调 速 3 转子回路串电 阻调速 3 转子回路串电 阻调

10、速 4 串级调速4 串级调速 5 变极对数调速5 变极对数调速 6 变压变频调速6 变压变频调速 电磁离合器电磁离合器 鼠笼异步 电动机 鼠笼异步 电动机 恒速驱动 ?调速范围小，负载能力差 恒速驱动 ?调速范围小，负载能力差 离合作用 平滑起动 无级调速 过载保护 离合作用 平滑起动 无级调速 过载保护 调节励磁电流调节励磁电流 二、电动机运行节能 14 1 变压调速1 变压调速 2 转差离合器 调速 2 转差离合器 调速 3 转子回路串 电阻调速 3 转子回路串 电阻调速 4 串级调速4 串级调速 5 变极对数调 速 5 变极对数调 速 6 变压变频调 速 6 变压变频调 速 ?调速范围小

11、，下限受静差率限制?调速范围小，下限受静差率限制 多用于断续工作方式生产机械多用于断续工作方式生产机械 只用于三相绕线 式异步电动机 只用于三相绕线 式异步电动机 只用于额定转速 向下调速 ?调速平滑性不好 ?调速效率低 只用于额定转速 向下调速 ?调速平滑性不好 ?调速效率低 二、电动机运行节能 15 1 变压调速1 变压调速 2 转差离合器 调速 2 转差离合器 调速 3 转子回路串电 阻调速 3 转子回路串电 阻调速 4 串级调速4 串级调速 5 变极对数调速5 变极对数调速 6 变压变频调速6 变压变频调速 ?调速范围小，负载能力差调速范围小，负载能力差 转差功率回馈电网，经济调速转差

12、功率回馈电网，经济调速 转子回路引入可调 附加电势 转子回路引入可调 附加电势 转子电势 与s正比 转子电势 与s正比 实现调速实现调速 ?系统功率因数恶化系统功率因数恶化 二、电动机运行节能 16 1 变压调速1 变压调速 2 转差离合器 调速 2 转差离合器 调速 3 转子回路串电 阻调速 3 转子回路串电 阻调速 4 串级调速4 串级调速 5 变极对数调速5 变极对数调速 6 变压变频调速6 变压变频调速 单绕组变速理论发展单绕组变速理论发展 () 1 60 1 s f n p = 保持不变保持不变 改变极对数改变极对数 单绕组实现倍极比和非倍极比调速单绕组实现倍极比和非倍极比调速 二、

13、电动机运行节能 17 1 变压调速1 变压调速 2 转差离合器 调速 2 转差离合器 调速 3 转子回路串电 阻调速 3 转子回路串电 阻调速 4 串级调速4 串级调速 5 变极对数调速5 变极对数调速 6 变压变频调速6 变压变频调速 机械特性硬，调速范围宽，稳定性好，无 级变速，运行效率高 机械特性硬，调速范围宽，稳定性好，无 级变速，运行效率高 最理想最理想的调速方法的调速方法 s和p不变时，转速与 频率成正比 频率降低时主磁路饱和问题 s和p不变时，转速与 频率成正比 频率降低时主磁路饱和问题 () 1 60 1s f n p = 11111 4.44 dpm UEf N k= 1 1

14、 =. E const f 1 1 =. U const f 二、电动机运行节能 18 1 变压调速1 变压调速 2 转差离合器调 速 2 转差离合器调 速 3 转子回路串电 阻调速 3 转子回路串电 阻调速 4 串级调速4 串级调速 5 变极对数调速5 变极对数调速 6 变压变频调速6 变压变频调速 转差功率转差功率消耗消耗型调 速系统 型调 速系统 转差功率转差功率馈送馈送型调 速系统 型调 速系统 转差功率转差功率不不变变型调 速系统 型调 速系统 效率提高 成本提高 效率提高 成本提高 二、电动机运行节能 19 ? 加速老旧设备淘汰更新 更新电机后效率可提高23个百分点，更新风机、水泵

15、、压缩机后效率 可提高23个百分点。 加速老旧设备淘汰更新 更新电机后效率可提高23个百分点，更新风机、水泵、压缩机后效率 可提高23个百分点。 ? 改善风机、泵类电机系统调节方式 主要采用变频调速方式，我国风机、水泵、压缩机总装机容量约1.6亿千 瓦，改变调节方式，效率可提高1015%。 改善风机、泵类电机系统调节方式 主要采用变频调速方式，我国风机、水泵、压缩机总装机容量约1.6亿千 瓦，改变调节方式，效率可提高1015%。 ? 改进工艺拖动、牵引拖动调速方式 以先进的电力电子技术为重点，改造传统的工艺拖动，系统平均效率提 高58个百分点。 改进工艺拖动、牵引拖动调速方式 以先进的电力电子

16、技术为重点，改造传统的工艺拖动，系统平均效率提 高58个百分点。 ? 优化电机系统的运行和控制 推广软启动装置、无功补偿、计算机自动控制系统等技术，节电率为10 15%。 优化电机系统的运行和控制 推广软启动装置、无功补偿、计算机自动控制系统等技术，节电率为10 15%。 ? 科学设计电机系统配置 出台电机系统优化配置的设计规范。 科学设计电机系统配置 出台电机系统优化配置的设计规范。 三、电动机系统节能技术措施 20 ? 制定完善电动机能效标准、电动机配套设备能效标准、电动机系统 经济运行管理标准等，实施电机产品能效标识制度。 制定完善电动机能效标准、电动机配套设备能效标准、电动机系统 经济

17、运行管理标准等，实施电机产品能效标识制度。 ? 合理的电压等级标准，建议增加电压标准，科学的谐波和电磁兼容 （EMC）标准。 合理的电压等级标准，建议增加电压标准，科学的谐波和电磁兼容 （EMC）标准。 ? 制定、颁布电动机系统经济运行管理标准、变频调速和调压节能技 术标准。 制定、颁布电动机系统经济运行管理标准、变频调速和调压节能技 术标准。 ? 强制性淘汰高能耗机电产品。强制性淘汰高能耗机电产品。 ? 制定和实施本节能工程财政补贴资金管理方法。制定和实施本节能工程财政补贴资金管理方法。 配套措施 21 电源电源电机电机 控制控制 负载负载 弱电控制强电，软件控制硬件 部件融于系统，信息能量

18、互动 弱电控制强电，软件控制硬件 部件融于系统，信息能量互动 电机系统组成 22 存在的问题 ? 我国电机系统运行效率低、能耗高，主要是电动机及被拖动设备本 身效率低，另外系统匹配和调节方式不合理造成系统效率低 我国电机系统运行效率低、能耗高，主要是电动机及被拖动设备本 身效率低，另外系统匹配和调节方式不合理造成系统效率低 ? 设备陈旧、效率低。电动机、风机、水泵等设备落后，效率比发达 国家平均低25个百分点 设备陈旧、效率低。电动机、风机、水泵等设备落后，效率比发达 国家平均低25个百分点 ? “大马拉小车大马拉小车”现象严重。由于我国设备可靠性差，设计选型富裕量 较大，设备长期在低负荷区运

19、行 现象严重。由于我国设备可靠性差，设计选型富裕量 较大，设备长期在低负荷区运行 ? 系统调节方式落后。风机、泵类调节大部分仍采用机械节流方式， 调速方式效率低约30% 系统调节方式落后。风机、泵类调节大部分仍采用机械节流方式， 调速方式效率低约30% 23 提高常规电机效率的几个技术途径 1、提高材料特性 2、提高制造工艺水平 3、改善电机结构 4、控制电机运行 5、合理利用电磁转换原理 6、与提高功率密度相结合 7、与高功率因数相结合 8、与散热冷却相结合 1、提高材料特性 2、提高制造工艺水平 3、改善电机结构 4、控制电机运行 5、合理利用电磁转换原理 6、与提高功率密度相结合 7、与

20、高功率因数相结合 8、与散热冷却相结合 24 提高材料特性 1、转子损耗约占电动机损耗的20%，减少转子损耗的一半意味着电机的 效率可提高0.5%1.5% ，采用铜转子 转子损耗约占电动机损耗的20%，减少转子损耗的一半意味着电机的 效率可提高0.5%1.5% ，采用铜转子“使电动机效率提高使电动机效率提高” 约为2%。 主要的问题是铸模的高成本和短寿命 约为2%。 主要的问题是铸模的高成本和短寿命高温模具和压铸工艺。 （美国，德国，意大利等国家） 2、选用合适的磁性材料 高温模具和压铸工艺。 （美国，德国，意大利等国家） 2、选用合适的磁性材料是设计和制造高效率电机的关键，永磁三相 同步电动

21、机部分替代三相异步电动机将成为现实，前者的效率比 后者高5%10%，其功率因数接近于1。（日本采用多）。 3、高效率电机硅钢片 是设计和制造高效率电机的关键，永磁三相 同步电动机部分替代三相异步电动机将成为现实，前者的效率比 后者高5%10%，其功率因数接近于1。（日本采用多）。 3、高效率电机硅钢片（430-50、420-50）：采用含硅量 适中及低碳、低硫、低氮的坯料和特殊的轧制热处理工艺技术。 （英国、日本）。 4、软磁复合材料 （430-50、420-50）：采用含硅量 适中及低碳、低硫、低氮的坯料和特殊的轧制热处理工艺技术。 （英国、日本）。 4、软磁复合材料（soft magnet

22、ic compositeSMC） （英国、澳大利亚）。 （soft magnetic compositeSMC） （英国、澳大利亚）。 25 各向同性的铁磁材料： 软磁复合物 Soft Magnetic Composites (SMC) 独特的电磁特性： 高纯度铁粉 表面电绝缘 高的磁饱和点 低的涡流损耗 强的机械强度 0,1mm 26 B-H Curves 0 0.5 1 1.5 2 2.5 01000020000300004000050000 H (A/m) B (T) Newcor 1000 Transil 355 Somaloy 500 软磁复合物 Soft Magnetic Comp

23、osites (SMC) Iron Loss at 1T 1 10 100 1000 101001000 Freq (Hz) Loss (W/kg) Transil 355, 0.5mm Somaloy 500 磁化曲线 损耗曲线 27 光滑表面，易加工，磁饱和点高，铁耗小，各向同性 常规迭片型电枢转子软磁复合材料的电枢转子 软磁复合物 Soft Magnetic Composites (SMC) 28 提高工艺制造水平 1、采用混合通风结构和轴向通风结构来提高电机的效率。 （德国、法国） 2、采用节能性风扇，尽量缩小风扇的尺寸，再加上良好的风罩，可大大 降低机械损耗。可使通风损耗减少到原来的

24、1/3以下。 3、采用高效率绕组技术，更改定子线圈的绕嵌和连线方式，如将普通 相带绕组改造成为三角形（）和星形（），然后以串联和并联方式 连接起来，可削弱电磁谐波，提高了基波绕组系数，降低了绕组工作 电流，提高电动机的效率。 4、采用磁性槽泥和磁性槽楔，它可使气隙磁密分布趋于均匀，降低齿谐波 的影响，降低脉振损耗和表面损耗。 采用混合通风结构和轴向通风结构来提高电机的效率。 （德国、法国） 2、采用节能性风扇，尽量缩小风扇的尺寸，再加上良好的风罩，可大大 降低机械损耗。可使通风损耗减少到原来的1/3以下。 3、采用高效率绕组技术，更改定子线圈的绕嵌和连线方式，如将普通 相带绕组改造成为三角形（

25、）和星形（），然后以串联和并联方式 连接起来，可削弱电磁谐波，提高了基波绕组系数，降低了绕组工作 电流，提高电动机的效率。 4、采用磁性槽泥和磁性槽楔，它可使气隙磁密分布趋于均匀，降低齿谐波 的影响，降低脉振损耗和表面损耗。 29 电机中各类损耗定义 高效电动机降耗技术 ? 电磁优化设计总体损耗 ? 铁芯材料铁耗+杂散损耗 ? 转子结构铜耗 ? 磁性槽楔铁耗+杂散损耗 ? 通风结构机械损耗 ? 工艺杂散损耗 低谐波绕组-杂散损耗 高效风扇-风扇损耗 中小型电机 杂散损耗及试验方法 ?杂散损耗难以准确计算与分析 ?通风损耗多依赖经验公式 ?试验方法不统一 IEEE 112-Method-B(北美

26、) Ps实测 IEC 34-2(欧洲) Ps=0.5%Pin JEC 37(日本) Ps=0 0.5%Pout(湘潭电机厂YKK系列) 30 改变绕组接法来提升电机效率 星-角接混合绕组 定子铜耗+杂散损耗星-角接混合绕组 定子铜耗+杂散损耗 并联型串联型并联型串联型 N N/ /N NY Y= Y接滞后 = Y接滞后接30接300 0电角度电角度 3 I IY Y= = 3I I YWY N I? W N I ? YVY N I? V N I ? YUY N I? U N I ? 300 300 300 y x 30000600900120015001800 0.5 0.866 1 0 每槽

27、空间电角度 UY I? VY I? WY I? U I? V I? W I? 槽电流矢量图槽电流分布图槽电流矢量图槽电流分布图 并联型并联型 31 星-角接混合硬绕组对电机性能的影响 绕组主要参数 电机主要性能?总损耗降低8% ?效率提高0.4% ?杂散损耗降低28% 32 机械损耗30%40% 风扇及其通风冷却系统 机械损耗30%40% 风扇及其通风冷却系统 机械损耗30%40%机械损耗30%40% 离心式风扇 轴流式风扇 离心式风扇 轴流式风扇 风压低、风量高 重量轻、体积小 噪声低、效率高 风压高、风量低 噪声高、效率低 风压低、风量高 重量轻、体积小 噪声低、效率高 风压高、风量低 噪

28、声高、效率低 大中型电机大中型电机 改变风扇形式来提升电机效率 33 离心式风扇的基本结构及性能分析 前盘、叶片、后盘 离心式风扇的基本结构及性能分析 前盘、叶片、后盘 风压高、效率高 噪声大、工艺复杂 风压高、效率高 噪声大、工艺复杂 风压适中 兼顾风压和风量 效率较高 风压适中 兼顾风压和风量 效率较高 效率低 噪声高 工艺简单 效率低 噪声高 工艺简单 00.20.40.60.81 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 风量标幺值Q/Qm 风压标幺值H/Hm 风扇效率% 径向 后倾 前倾 H/Hm 0 20 40 60 80 100 120 离心式风扇的外特性曲线离心式风扇的外

29、特性曲线 风扇及其通风冷却系统 34 电机主要性能电机主要性能 ?机械损耗降低42%机械损耗降低42% 设计实例及结果分析 ?效率提高了0.84%效率提高了0.84% 径向式风扇 后倾式风扇 径向式风扇 后倾式风扇 35 高效高压异步电动机的样机 研制与试验研究_试验结果 样机主要性能试验结果分析与比较样机主要性能试验结果分析与比较 试 验 结 果 汇 总 试 验 结 果 汇 总 比原产品降低了18.4%比原产品降低了18.4% 部标总损耗63kW 部标效率95.12% 部标总损耗63kW 部标效率95.12% 比部标降低了30.4% 比原产品降低了34.9% 效率： 1#风扇比原产品提高了0

30、.95% 2#风扇比原产品提高了1.8% 部标提高了1.5% 比部标降低了30.4% 比原产品降低了34.9% 效率： 1#风扇比原产品提高了0.95% 2#风扇比原产品提高了1.8% 部标提高了1.5% 36 改进电机结构 1、增加有效材料，降低绕组损耗和 铁耗 ； 2、采用适用于变频调速的转子结构， 减小转子电阻； 3、应用计算机优化设计,降低损耗 提高效率。 1、增加有效材料，降低绕组损耗和 铁耗 ； 2、采用适用于变频调速的转子结构， 减小转子电阻； 3、应用计算机优化设计,降低损耗 提高效率。 37 平均效率提高13 平均功率因数提高25 平均功率密度提高1015 55kW/380V

31、变频调速电机660kW/690V箱式变频调速电机 2.5kW光伏水泵调速电机 变频调速电机 38 Comparison of Efficiency 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0102030405060 Frequency (Hz) Efficiency Motor 1 Motor 2 频率变化范围内效率比较 Comparison of Power factor 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0102030405060 Frequency (Hz) Power factor Motor 1 Motor 2 功率因数比较 高效变频调速电机 39 1、开关磁阻电机 2、轴向迭

32、片同步磁阻永磁电机 3、双馈电机 4、交直流混合电机 5、开关磁阻永磁电机 6、矩阵电机 共同特点： * 突破了原来圆形旋转磁场的概念 * 电机本体与控制集成一体，高效，高可靠性 * 多个电磁力矩混合作用，高功率密度 新型电机的发展 40 同步磁阻永磁电机高效、高功率因数、高功率密度 新型同步磁阻永磁电机 41 可视化模块化高效电机及其系统仿真软件 异步电机 同步电机 开关磁阻电机 永磁电机 同步磁阻电机 电磁设计 发热与冷却 动态系统分析 电磁场分析 效率分析 42 ? 电机系统节能技术促使常规电动机的设计、制造和应用发生变化。电机系统节能技术促使常规电动机的设计、制造和应用发生变化。 ?

33、国际上高效电机、变频调速电机已形成系列。国际上高效电机、变频调速电机已形成系列。 ? 机电一体化将功率变换器和控制系统集成到电机上，形成智能电机、 电子电机等，广泛应用于中小功率传动和家用电器。 机电一体化将功率变换器和控制系统集成到电机上，形成智能电机、 电子电机等，广泛应用于中小功率传动和家用电器。 ? 永磁同步电机、开关磁阻电机、磁悬浮直线电机等新型调速电机应 运而生，在机车牵引、电动汽车、大型舰船驱动以及磁悬浮交通等 领域中得到应用。 永磁同步电机、开关磁阻电机、磁悬浮直线电机等新型调速电机应 运而生，在机车牵引、电动汽车、大型舰船驱动以及磁悬浮交通等 领域中得到应用。 电机系统节能技

34、术发展趋势 43 电机系统节能产业 ? 电机系统节能最主要的相关领域产业是电力电子及电气传动，特别 是交流电机变频调速产业。 电机系统节能最主要的相关领域产业是电力电子及电气传动，特别 是交流电机变频调速产业。 ? 我国交流电机变频调速市场发展迅速，每年以12%的速度迅速增长。 中国大量的基础设施建设，冶金、煤炭、化工、石油等制造业领域 的大量投资为中国电机系统市场创造了巨大的需求，该领域市场前 景广阔。 我国交流电机变频调速市场发展迅速，每年以12%的速度迅速增长。 中国大量的基础设施建设，冶金、煤炭、化工、石油等制造业领域 的大量投资为中国电机系统市场创造了巨大的需求，该领域市场前 景广阔

35、。 ? 国际电机系统技术开发和制造商主要集中在欧洲、美洲和日本。德 国西门子、瑞士ABB、日本东芝、美国罗克韦尔等电气公司的产品代 表电机调速技术和制造的世界水平。 国际电机系统技术开发和制造商主要集中在欧洲、美洲和日本。德 国西门子、瑞士ABB、日本东芝、美国罗克韦尔等电气公司的产品代 表电机调速技术和制造的世界水平。 44 电机系统节能技术发展趋势 ? 电机系统随着电力电子器件，功率变换器，电机制造，现代控制理 论及计算机技术的进步而迅速发展 电机系统随着电力电子器件，功率变换器，电机制造，现代控制理 论及计算机技术的进步而迅速发展。国际上交流电机变频调速是电 动机传动系统的主流，并形成电

36、力电子、电机及其控制系统的集 成，从设计、制造到运行更紧密地融为一体。 ? 现代电机系统技术的基础是电力电子技术现代电机系统技术的基础是电力电子技术。电力电子器件正向着大 功率、高电压、高频化和智能模块化方向发展。普通晶闸管逐步让 位于新型可关断电力电子器件。 ? 功率开关器件是电力电子技术的基础。功率开关器件是电力电子技术的基础。GTO ，IGCT，IGBT，IEGT， power IC，IPM，PEBB，碳化硅材料电力电子器件。 电力电子技术基础 电力电子技术定义及范畴 IEEE定义IEEE定义：电力电子技术是有效地使用半导体器件，应用电路和 设计理论以及分析方法工具，实现对电能的高效能变

37、换和控制的 一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。 ：电力电子技术是有效地使用半导体器件，应用电路和 设计理论以及分析方法工具，实现对电能的高效能变换和控制的 一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。 电力电子学 电力 电子 控制 静止装置 旋转装置 器件 电路 模拟 数字 以开关方式工作的电力半导体器件是电力电子技术 的核心和龙头，一代电力电子器件决定一代电力电子技术 历史回顾历史回顾 电力电子技术的纪元始于1956年普通晶闸管的问世 （美国GE公司），由于其功率处理能力的突破，从电子 技术中分离出来，形成电力电子技术（剩余的称为微电 子技术）。 两个阶段： 195

38、61980：以晶闸管为核心，半控型，移相控制， 分离元件；传统电力电子技术。 1980现在：以全控型器件为核心，集成化、高频化、 多功能化；现代电力电子技术。 电力电子技术的纪元始于1956年普通晶闸管的问世 （美国GE公司），由于其功率处理能力的突破，从电子 技术中分离出来，形成电力电子技术（剩余的称为微电 子技术）。 两个阶段： 19561980：以晶闸管为核心，半控型，移相控制， 分离元件；传统电力电子技术。 1980现在：以全控型器件为核心，集成化、高频化、 多功能化；现代电力电子技术。 47 ? 电机系统应用遍及工业、国防和家用电器等国民经济各领域电机系统应用遍及工业、国防和家用电器

39、等国民经济各领域。 主要有：主要有： ? 高精度、高性能的交流调速应用于钢铁、煤炭、造纸、起重等工业 机械调速，提高工艺设备能效； 高精度、高性能的交流调速应用于钢铁、煤炭、造纸、起重等工业 机械调速，提高工艺设备能效； ? 高性能、高效率、高集成的交流调速应用于电动汽车、电力机车牵 引、磁浮交通、船舶电驱动等，取代传统交通运输的燃机直接驱 动，实现快捷、安全、节能； 高性能、高效率、高集成的交流调速应用于电动汽车、电力机车牵 引、磁浮交通、船舶电驱动等，取代传统交通运输的燃机直接驱 动，实现快捷、安全、节能； ? 风机、泵类机械变速节能系统；风机、泵类机械变速节能系统； ? 机电一体化、智能

40、电机等家用电器节能传动。机电一体化、智能电机等家用电器节能传动。 电机系统节能技术发展趋势 48 德国楞茨公司集成式风机及其系统 49 丹麦Grundfos电子水泵 50 全电化舰艇系统 发电站 配电系统 负荷系统 推进负载 巡洋舰全景图 51 高功率密度和高可靠性电动舵机是全电飞控 系统发展的一个重要方面 美国FA18战斗机 苏-27“侧卫”(Flanker)战斗机 全电化飞机 52 PowerFlex 7000, Courtesy of Rockwell Automation 基于基于IGCT的电流型高压变频器（的电流型高压变频器（2.3 MW to 7MW） 功率元件串联二电平电流型高压

41、变频器 53 Perfect Harmony, Courtesy of ASI Robicon 基于IGBT的级联式H桥高压变频器 (4.16KV and 7.5MW) 54 ABB高压三电平变频器实物图 基于基于IGCT的三电平的三电平 NPC高压变频器（高压变频器（4.16KV and 1.2MW） 55 基于基于IGBT的三电平的三电平 NPC高压变频器高压变频器 西门子高压三电平变频器实物图 56 低压三电平变频调速系统 清华大学国电南自 M-ASD-III型交流电机变频调速控制 柜(30kW300kW, 0380V,355Hz) 三电平明显优于两电平的电压、电流波形比较 特点： 1.

42、 研制出低压三电平变频器及其变频调速电机。 2. 研究出有效的中点平衡方 法，运行可靠。 3. 采用了特殊的抗电磁干扰方法，效果显著。 4. 实现了PLC和DSP的直接通讯，提供了良好的 人机 界面和控制性能。 1. 研制出低压三电平变频器及其变频调速电机。 2. 研究出有效的中点平衡方 法，运行可靠。 3. 采用了特殊的抗电磁干扰方法，效果显著。 4. 实现了PLC和DSP的直接通讯，提供了良好的 人机 界面和控制性能。 57 ?基于IGCT的 ?大容量高压 ?变频器 ?1250kW/6000V 高压大容量三电平变频器 清华大学国电南自 58 富拉尔基发电总厂20万机组灰渣泵变频调速运行现场

43、 高压大容量三电平变频器 清华大学国电南自 59 我国电机系统节能产业存在的问题 ? 我国电机系统节能技术与装备水平距离节能的目标相差很远，采用 变频调速的电机系统仍为少数，不到总量的30 我国电机系统节能技术与装备水平距离节能的目标相差很远，采用 变频调速的电机系统仍为少数，不到总量的30；我国电力电子及 电气传动产业的技术水平落后，规模小，成本高，产品可靠性差， 技术与产品落后与迅速发展的节能市场需求反差巨大，严重制约了 我国电机系统节能目标的实现。 ；我国电力电子及 电气传动产业的技术水平落后，规模小，成本高，产品可靠性差， 技术与产品落后与迅速发展的节能市场需求反差巨大，严重制约了 我

44、国电机系统节能目标的实现。 ? 按照目前电机效率分类及国际IEC电机标准，高效电机的效率一般定 义为9196，低效电机的效率一般为7589。目前我国实际运 行中的电动机主要集中在为0.55kW100kW功率等级，为总运行台数 的95以上，平均效率为89.3% 按照目前电机效率分类及国际IEC电机标准，高效电机的效率一般定 义为9196，低效电机的效率一般为7589。目前我国实际运 行中的电动机主要集中在为0.55kW100kW功率等级，为总运行台数 的95以上，平均效率为89.3%。我国中小电机基本是通用常规类 型，还没能形成变频调速电机系列，变频器电机集成、智能电机、 。我国中小电机基本是通

45、用常规类 型，还没能形成变频调速电机系列，变频器电机集成、智能电机、 机电一体化技术差距很大。机电一体化技术差距很大。 60 我国电机系统节能产业存在的问题 ? 国产普通晶闸管的交交变频器虽已经成熟，但应用范围有限。国外变频调速国产普通晶闸管的交交变频器虽已经成熟，但应用范围有限。国外变频调速 技术与产品仍然占中国电机系统节能市场的相当份额。技术与产品仍然占中国电机系统节能市场的相当份额。特别是国家重大工程 项目的高性能、大功率变频调速系统基本上被国外产品占据。 特别是国家重大工程 项目的高性能、大功率变频调速系统基本上被国外产品占据。 ? 在电机系统节能领域还缺少系统节能的设计方法和评估手段

46、在电机系统节能领域还缺少系统节能的设计方法和评估手段，变频调速还没 有完善的测试规范和测试手段。 ，变频调速还没 有完善的测试规范和测试手段。 ? 电力电子及变频调速技术是高新技术，电力电子及变频调速技术是高新技术，先进国家在该领域的研究开发投入很 大。我国该领域技术在总体上与国际水平相差5-10年，精细化程度不够。尽 管我国政府对电机系统节能十分重视，但在该领域的基础，即电力电子及变 频调速技术的科研投入少，且有限的投入也大多是低水平的重复开发。 先进国家在该领域的研究开发投入很 大。我国该领域技术在总体上与国际水平相差5-10年，精细化程度不够。尽 管我国政府对电机系统节能十分重视，但在该

47、领域的基础，即电力电子及变 频调速技术的科研投入少，且有限的投入也大多是低水平的重复开发。 61 节能技术方面的研究工作 电机： 低耗钢材 铸铜转子 最小附加损耗设计 适应于变频调速控制的优化设计 低耗钢材 铸铜转子 最小附加损耗设计 适应于变频调速控制的优化设计 变速： 经济型的变频器 容易操作和装备 经济型的变频器 容易操作和装备 系统： 电力电子与电机一体化设计 新型电机驱动系统 采用蓝牙技术，无线实时监视电机效率 电力电子与电机一体化设计 新型电机驱动系统 采用蓝牙技术，无线实时监视电机效率 62 问题与建议 几点看法： 1、节能成本问题 几点看法： 1、节能成本问题节能不节钱（耗材多

48、，结构复杂等） 2、认知问题 节能不节钱（耗材多，结构复杂等） 2、认知问题测量仪器和方法（非正弦，杂散损耗等） 3、电机系统节能 测量仪器和方法（非正弦，杂散损耗等） 3、电机系统节能更是一个优化运行方式问题（高效 设备，低效运行） 4、对电机系统节能的认识仍在深化之中（系统运行模式， 运行时间，参数匹配，功率大小等） 更是一个优化运行方式问题（高效 设备，低效运行） 4、对电机系统节能的认识仍在深化之中（系统运行模式， 运行时间，参数匹配，功率大小等） 电机系统的效率测试 由于电力电子可控电源引进之后，电机系统的效率测试面临挑战： 1、由于可控电源采用PWM调制输出电量，存在很多的谐波，输

49、入输出的 电流电压已经不是正弦波，不能采用动圈式电流电压表进行量测； 2、由于谐波带来的各种杂散损耗难以计算和量测； 3、电机输出端的转矩难以量测，机械功率测不准。 三电平、两电平的电压、电流波形比较某一油田电网电压实测波形 64 问题与建议 两个建议： 1、研究测量方法，确定测量标准，提供测量工具， 以解决节能量的认知问题。 2、研究电机系统节能优化问题 （1）成本与节能量之间的关系 （2）容量大小与节能量之间的关系 （3）运行时间与节能量之间的关系 （4）运行模式与节能量之间的关系 （5）电机系统运行优化模式的设计与评估 两个建议： 1、研究测量方法，确定测量标准，提供测量工具， 以解决节

50、能量的认知问题。 2、研究电机系统节能优化问题 （1）成本与节能量之间的关系 （2）容量大小与节能量之间的关系 （3）运行时间与节能量之间的关系 （4）运行模式与节能量之间的关系 （5）电机系统运行优化模式的设计与评估 65 3、变频调速系统是否一定节能？ 电机系统能效评估软件开发电机系统能效评估软件开发 调速与控 制装置 电动机 传 动 泵 风机 管网及辅助 设备 工 质 使 用 设 备 或 排 出 端 （1）成本与节能量之间的关系，（2）容量大小与节能量之间的关系 （3）运行时间与节能量之间的关系，（4）运行模式与节能量之间的关系 （5）电机系统运行优化模式的设计与评估 （1）成本与节能量

51、之间的关系，（2）容量大小与节能量之间的关系 （3）运行时间与节能量之间的关系，（4）运行模式与节能量之间的关系 （5）电机系统运行优化模式的设计与评估 电机系统 66 3 3个问题：个问题： （1） 现行系统是否经济运行? （2） 如何提出节能改造方案? （3） 如何选择节能改造方案? （1） 现行系统是否经济运行? （2） 如何提出节能改造方案? （3） 如何选择节能改造方案? 现有系统 经济运行 评估软件 现有系统 经济运行 评估软件 节能改造方 案建议软件 节能改造方 案建议软件 经济效益评 估软件 经济效益评 估软件 电 机 系 统 节 能 评 估 软 件 电 机 系 统 节 能 评 估 软 件 3、变频调速系统是否一定节能？ 电机系统能效评估软件 变频设备选型与控制策略仿真 设备选型主要参数的确定原则 负载电动机调速控制器 设备选型主要参数的确定原则 负载电动机调速控制器 调速范围调速范围 功耗功耗 电压等级电压等级 额定功率额定功率 电压等级电压等级 额定电流额定电流 极对数极对数 额定容量额定容量 额定电流额定电流 运行工作制运行工作制工作制工作制工作制工作制 运行环境运行环境防