隨著電氣化和自動化程度的不斷提高,對電動機的整體運行要求也越來越嚴格,尤其是在對電動機各種性能的選擇上更是精細,它可以根據(jù)現(xiàn)場實際要求來選擇不同種類、不同規(guī)格、不同型號的電動機來滿足要求。而在眾多的電動機產(chǎn)品當中,三相異步電動機有著廣泛的應(yīng)用空間,它將作為電動機的代表有著越來越重要的地位。筆者認為,異步電機的節(jié)能降耗主要涉及合理選擇運行工況和如何進行節(jié)能降耗等應(yīng)用問題,本文從七個方面來分析一下目前企業(yè)在電機節(jié)能方面所面臨的一些問題,并從中摸索如何指導我廠熱電項目經(jīng)濟運行的思路。

1 采用高效電動機

1.1 必要性

國家發(fā)展和改革委員會在2006年至2020年的《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》中將電機系統(tǒng)節(jié)能工程列為十大節(jié)能重點工程之一。規(guī)劃指出,目前我國各類電動機總?cè)萘?.2億千瓦,用電量約占全國用電量的60%、“十一五”期間要重點推廣高效節(jié)能電動機等產(chǎn)品,使運行效率提高2個百分點,年節(jié)電200億kWh。因此,開發(fā)我國的高效電動機是提高能源利用率的重要措施,符合我國經(jīng)濟發(fā)展的需要。大多數(shù)的發(fā)達國家包括美國、英國、德國、日本等,正在強有力地推動高效電動機的應(yīng)用,正如他們所確信的那樣,這樣做能夠節(jié)約能源、保護環(huán)境。在其他一些國家里,如加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亞、新西蘭、印度等,也已經(jīng)開始推廣高效電動機。

1.2高效電機的特點及現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)研究部門統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,高效電動機較普通電機平均損耗減少30%,轉(zhuǎn)矩平均高30%,體積平均縮小15%,重量平均減輕12%,高效電動機效率曲線較平坦,負載率大于40%以上時,效率變化很小。按照美國“ 全國電氣設(shè)備制造商協(xié)會標準”(NEMA標準)規(guī)定,高效電動機要比標準電動機效率提高2%～ 6%,損耗下降20%～30%。美國通過1997年10月頒布的EPAct能源法桉開始使“NEMA標準”作為最低能效標準。此外,美國還出現(xiàn)了超高效電動機NEMA Premium,效率高于“NEMA標準”電動機0.8～4%?！皻W洲電動機和電力電子制造協(xié)會——歐盟能源組織協(xié)議”對每一個規(guī)格的電動機規(guī)定了高低兩檔效率指標。產(chǎn)品的效率值低于低指標的稱為eff3電動機,介于低指標和高指標之間的稱為eff2電動機(較高效率電機),高于高指標的稱為eff1電動機(高效率電動機)。中國國家標準電動機的效率規(guī)定了三個指標,即:等級1、2、3。等級3為能效限定值,相當于歐洲eff2標準,等級2為節(jié)能評價值,相當于歐洲eff1標準。等級1是在等級2的基礎(chǔ)上電動機損耗降低15%左右,效率最高。凡是達到節(jié)能價值的電動機可稱為高效電動機。

1.3國產(chǎn)高效電機的選用

高效電動機YX、Y2-E兩個系列與普通Y系列電動機相比,雖然制造的耗銅量、耗鋁量、鐵心的硅鋼片消耗量增多,費用有所增加,但效率高出0.58%～1.7%。YX系列電動機是Y系列電動機的派生產(chǎn)品,其總損耗平均較Y系列下降20%～30%,效率提高約3%。該系列電動機起動轉(zhuǎn)矩大、噪聲小、振動小、溫升低、壽命長,但價格比Y系列電動機約高30%。對年運行時間大于3000 h、負載率大于50%的情況,應(yīng)選用YX系列高效電動機。高壓異步電動機按照國家標準GB12497-1990《三相異步電動機經(jīng)濟運行》的要求,單臺容量200 kW以下的選用低壓電動機;容量200～355 kW之間的應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟分析后選用高壓電動機或低壓電動機;容量大于355kW的選用高壓電動機。

2合理選擇電動機功率和電壓等級

(1)避免長時間空載運行,空載運行時,基波功率因數(shù)只有0.2～ 0.3,但吸取的無功功率約為滿載的65%左右。
(2)平均負載率β應(yīng)大于50%,70%≤β≤100%為最佳負載率。
(3)合理地選擇電動機的電壓等級:供電線路短:電網(wǎng)容量允許,負載小于300 kW的一般選用低壓電動機;供電線路長,電網(wǎng)容量有限,負載大于500 kW的一般選用高壓電動機。
(4)電壓變化對異步電機性能的影響根據(jù)現(xiàn)場運行經(jīng)驗可總結(jié)如下(見表1)。三相感應(yīng)電機運行經(jīng)濟性取決于輸出功率與運行電壓的合理配合。輸出功率越小,經(jīng)濟運行電壓越低。對于輕載運行的電機,適當降低運行電壓可提高電機效率和
改善功率因數(shù)。

(5)當電動機負載率經(jīng)常在40%以下,應(yīng)選擇定子繞組接線Δ /Y的自動切換。以100kW異步電動機為例,設(shè)每天有10 h負載率在40%以下,設(shè)負載率低于40%時平均負載率為30%,電動機繞組為Δ 接法,電動機平均效率為85%左右,功率因數(shù)為0.65左右。若在負載率低于40%時,將電動機繞組切換為Y接法,則平均負載率提高到90%,電動機平均效率提高到93%左右,功率因數(shù)提高到0.85左右。由于電動機效率的提高,每天節(jié)電1 0 0 × 0 . 3 × ( 0 . 9 3 - 0 . 8 5 ) ×10=24 kWh。

3.電動機調(diào)速節(jié)電

三相異步電動機機構(gòu)簡單,成本低,運行維護方便,因此它使用廣泛,遍及各行各業(yè)的各個角落,在生產(chǎn)、生活過程中發(fā)揮著極其重要的作用。因此,選用經(jīng)濟、合理、高可靠性、高效的調(diào)速手段就能實現(xiàn)電動機正常運轉(zhuǎn)。三相異步電動機可采用多種方式來實現(xiàn)調(diào)速。根據(jù)電機調(diào)速經(jīng)典公式可知,調(diào)速方式大致可通過改變磁場極對數(shù)p,轉(zhuǎn)差率S,電源頻率f 都可以改變電動機的轉(zhuǎn)速n。因此,其調(diào)速方法有變極調(diào)速,變轉(zhuǎn)差率調(diào)速及變頻調(diào)速三種。

3.1變極調(diào)速

變極調(diào)速是改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)來實現(xiàn)調(diào)速,變極調(diào)速電動機其定子通常裝有1～ 2套三相交流繞組,可獲得2～ 4種成倍數(shù)的轉(zhuǎn)速,只能有級調(diào)速,而且等級有限。因此,三相異步電動機本省調(diào)速性能差。但具有接線簡單、控制方便、價格低;可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用,獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。該方法適用于不需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械,如金屬切削機床、升降機等。

3.2變頻調(diào)速方法

變頻調(diào)速是通過改變定子電源頻率來實現(xiàn)調(diào)速。變頻器實質(zhì)上是一種頻率可調(diào)的交流電源裝置,在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在水泥生產(chǎn)中,三相異步電動機變頻調(diào)速逐步替代了直流電動機調(diào)速方式。目前國內(nèi)大都使用交-直-交變頻器,主要具有調(diào)速平滑,啟動電流小,運行平穩(wěn);效率高,調(diào)速過程中沒有附加損耗;應(yīng)用范圍廣,可用于籠型異步電動機;調(diào)速范圍大,特性硬,精度高;技術(shù)復雜,造價高,維護檢修困難等特點。對于流量變化的離心式風機和泵類負載均具有轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比、功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比的機械特性。當流量變化時,調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可使軸上功率大大減小,從而獲得顯著的節(jié)電效益。

當風量與轉(zhuǎn)速下降到額定值的80%時,風機功率降低到額定功率的51%;當風量和轉(zhuǎn)速下降到額定值的60%時,風機功率則降低到額定值的21%。對于變頻器電壓選擇的問題,500 V以下小于300 kW的一般可選用低壓變頻器,3 kV以上大于500 kW一般選用高壓變頻器,300 kW～ 500 kW的,高、低壓變頻器都可以使用,低壓電網(wǎng)短路容量大的可選低壓變頻,低壓短路容量小的可選高壓變頻器。另外,變頻器持續(xù)低于25 Hz運行時會導致冷卻風扇風量不足,1/2轉(zhuǎn)速運行,輸出轉(zhuǎn)矩降10%,1/3轉(zhuǎn)速運行,輸出轉(zhuǎn)矩降20%;電磁噪聲和高次諧波含量增大等不利影響。對于工作頻率大于50 Hz;工作頻率小于10 Hz,長期工作,負載較大;調(diào)速比大于10,且變化頻繁;調(diào)速比較大,轉(zhuǎn)動慣量大,工作周期短,正反交替要求實現(xiàn)能量回饋制動的工作方式建議使用變頻調(diào)速電動機。

3.3變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

(1)繞線式異步電動機串電阻調(diào)速。

在繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路中通過滑環(huán)串接一只可變電阻器,增加轉(zhuǎn)子電阻式轉(zhuǎn)子電流減小,電動機的轉(zhuǎn)矩也隨之下降,同時也產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩,當反轉(zhuǎn)矩等于轉(zhuǎn)矩時,電動機便以某一轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行,在串接不同的電阻,改變了轉(zhuǎn)差率來達到調(diào)速的母的。繞線式轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻就是降低激磁電流,轉(zhuǎn)速下降,只能降速,不能提速。此方法設(shè)備簡單,控制方便,但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級調(diào)速,機械特性較軟。

(2)變定子電壓調(diào)速。

當異步電動機定子與轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)為恒定時,在一定的轉(zhuǎn)差率下,電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與加在其定子繞組上電壓的平方(即輸入電壓)成正比,因此,改變電動機的定子電壓就可改變其機械特性的函數(shù)關(guān)系,從而改變電動機在一定輸出轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。由于電動機的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比,因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多,其調(diào)速范圍較小,使一般籠型電動機難以應(yīng)用。為了擴大調(diào)速范圍,調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機,如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機,或者在繞線式電動機上串聯(lián)頻敏電阻。目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點是線路簡單,易實現(xiàn)自動控制;調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中,效率較低,一般適用于100 kW以下的生產(chǎn)機械。

(3)串級調(diào)速。

串級調(diào)速作為異步電動機十分經(jīng)典的調(diào)速方法之一,長期以來人們進行了大量研究與實踐。近年,隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的應(yīng)用,串級調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生飛躍的發(fā)展,在高壓大中型電動機節(jié)能調(diào)速應(yīng)用方面以其控制電壓低、控制功率小,系統(tǒng)簡單,運行可靠,節(jié)電率高而展現(xiàn)出光明的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)串級調(diào)速是將電機的轉(zhuǎn)子回路通過串級調(diào)速控制裝置及逆變變壓器與電網(wǎng)連接。為了便于在轉(zhuǎn)子回路中串入合適的附加電勢,往往將轉(zhuǎn)子交流整流成直流,在直流回路中串入可變直流電勢來實現(xiàn)。裝置將轉(zhuǎn)子三相交流整流成直流并平波后,由有源逆變器提供串入的直流反電勢同時將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率再逆變?yōu)楣ゎl交流,通過逆變變壓器回饋至電網(wǎng)吸收。由于傳統(tǒng)串級調(diào)速是通過調(diào)整逆變器的逆變角(移相觸發(fā))來實現(xiàn)對等效反電勢的調(diào)節(jié)的。這種移相觸發(fā)的方法存在著功率因數(shù)低及可靠性差的缺點?，F(xiàn)代串級調(diào)速則把逆變角固定下來并設(shè)在最小值,產(chǎn)生一恒定的附加直流反電勢,等效電勢大小的調(diào)節(jié)由斬波器來完成。通過調(diào)節(jié)斬波器導通時間與斬波周期的比率(即占空比或PWM調(diào)制脈寬),來改變串入轉(zhuǎn)子回路的等效電勢的大小,從而改變轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)差率,達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的?，F(xiàn)代串級調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速范圍寬,無級,平滑;具有良好的硬機械特性;電機轉(zhuǎn)子側(cè)施加控制,控制電壓低,變流裝置控制容量小,總控制容量僅為電機額定容量的14.815%;自身功耗小,諧波分量小,系統(tǒng)簡單等突出的優(yōu)點。

(4)電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速。

電磁調(diào)速電動機由籠型電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵磁電源(控制器)三部分組成。直流勵磁電源功率較小,通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成,改變晶閘管的導通角,可以改變勵磁電流的大小。運行時,電磁調(diào)速電機部分是全速運行的,輸出軸部分是通過電磁調(diào)速器調(diào)節(jié)改變可控硅的導通角,使輸出直流電壓的高低被改變,即控制了滑差離合器(與輸出軸相連)的激磁電流,滑差離合器的轉(zhuǎn)速隨著激磁電流(耦合)的改變而改變。電磁調(diào)速電動機的調(diào)速特點主要為裝置結(jié)構(gòu)及控制線路簡單、運行可靠、維修方便;調(diào)速平滑、無級調(diào)速,對電網(wǎng)無諧影響等特點,本方法適用于中、小功率,要求平滑動、短時低速運行的生產(chǎn)機械。

(5)液力耦合器調(diào)速。

液力耦合器是一種利用液體介質(zhì)傳遞轉(zhuǎn)速得機械設(shè)備,通過連續(xù)改變液體的壓力來進行調(diào)速。壓力越大,輸出轉(zhuǎn)速越高。這是高壓電機領(lǐng)域中最傳統(tǒng)的調(diào)速方式,但這種方式能耗大,效率低。原因是存在嚴重的耦合損失和轉(zhuǎn)差損失。耦合損失是由于液壓油內(nèi)摩擦造成的,轉(zhuǎn)差損失是由于調(diào)速時輸出軸和輸入軸存在轉(zhuǎn)差造成的。這種損失隨轉(zhuǎn)差的增加而上升,即效率η=1-S,其中S為轉(zhuǎn)差率,這兩部分都轉(zhuǎn)為熱量消失。另外,受執(zhí)行機構(gòu)和液壓機構(gòu)限制,調(diào)速精度差,同時還存在嚴重的非線性,只在15%-85%之間調(diào)節(jié)線性區(qū),但存在在增速與減速間逆差間隙,造成自動系統(tǒng)很難投入運行。并且需要一整套油系統(tǒng),維護工作量大。對于風機泵類負載,由于負載轉(zhuǎn)矩按轉(zhuǎn)速平方率變化,原傳動輸入功率則轉(zhuǎn)速的平方率降低,損耗功率相對小一些,但輸出功率是按轉(zhuǎn)速得立方率減小,調(diào)速效率仍然很低。液力耦合器的調(diào)速平均效率在50%左右。

4 降低電動機的基波與諧波損耗

由上式可看出:就地無功補償,降低無功電流,可以降低電動機的基波損耗;減少諧波電壓和負載諧波電流,選取高效電機,可降低電動機的諧波損耗。

5 減小三相電壓不平衡度

電動機的負序阻抗為正序阻抗的1.8～3.5倍,若電網(wǎng)三相電壓不平衡度εU=2%,則負序電流εI=3.6%～7%。負序電流產(chǎn)生使電動機發(fā)熱,降低電動機的輸出功率。按照GB/T三相電壓不平衡的要求,供電電壓的三相不平衡度應(yīng)不大于1.3%。

6 降低電動機運行溫度

7 電動機無功補償技術(shù)

電機功率因數(shù)降低原因可能由如下原因造成。

①電機安裝問題。

氣隙調(diào)整不均,空載電流增大,功率因數(shù)降低。中心定位不準,電機竄動引起磁場變化,使空載電流增大,功率因數(shù)降低。

②電壓質(zhì)量問題。

電壓過高,鐵芯飽和,空載電流增大,功率因數(shù)降低。電壓過低,對于恒負載電機,轉(zhuǎn)差率上升,功率因數(shù)降低。

③電機輕載運行。

空載時,功率因數(shù)0.2～ 0.3。額定負載時,功率因數(shù)0.7～ 0.9。輕載運行時,功率因數(shù)0.3～ 0.7。

④電機啟動。

電機啟動電流是額定電流的3～ 8倍,功率因數(shù)為0.15～ 0.30。

電機功率因數(shù)低的危害主要表現(xiàn)在增加變壓器和線路損耗,使線路末端電壓降低,影響供電質(zhì)量。當無功波動較大時,無功補償裝置則由若干支路濾波器組成,并根據(jù)無功大小自動控制各支路濾波器的投切。無功波動越大,濾波支路越多,在滿足無功波動時不過補和功率因數(shù)達到要求的前提下,濾波支路越少越好,自動投切頻度越低越好。(見圖1)

8 結(jié)論

積極發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)是節(jié)約能源、改善環(huán)境質(zhì)量的有效措施,由于熱電廠熱效率均能超過常規(guī)火電廠的熱效率一倍以上,那么熱電廠的經(jīng)濟運行主要表現(xiàn)在有效節(jié)能上,節(jié)能思想應(yīng)貫穿在熱電廠的規(guī)劃、設(shè)計、運行、管理等各方面,那么對于電機節(jié)能降耗的考慮在我廠熱電項目中也得到了很好的應(yīng)用。首先,項目設(shè)計綜合廠用電率為18.20%,供熱廠用電率為7.82 kWh/GJ,發(fā)電廠用電率為3.77%。電氣主接線為擴大單元接線,兩臺25 MW發(fā)電機組并列接至63 MVA主變,通過110 kV向外送電。廠用電系統(tǒng)采用10 kV中性點非有效接地方式,兩臺機組各自帶一段10 kV廠用電,中間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)進行兩段母線的聯(lián)絡(luò)。項目200 kW以上的主要工藝電機都采用10 kV電源,并按照實際工藝負荷要求分配在兩端廠用電母線上,盡可能地提高了電機的負荷率。同時在電機選擇和調(diào)速方式的問題上,給水泵電機(1600 kW)采用了湘潭電機YX系列高效電機,采用了液力耦合器調(diào)速, 主要考慮啟動性能的問題; 送風機(315 kW)調(diào)速范圍較廣,采用了高壓變頻調(diào)速方式,并配套采用了湘潭電機高效變頻電機;引風機(630 kW)調(diào)速范圍較窄,采用了內(nèi)饋式斬波串級調(diào)速方式,并配套采用了湘潭電機高效內(nèi)饋電機等,基本做到了按需規(guī)劃電機的運行工況及調(diào)速方式,并盡可能考慮以后運行維護的方便。由于發(fā)電機本身也是一個無功電源,所以在無功補償方面基本可以滿足要求。盡管我們提前做了一些工作,但是真正做到電機的節(jié)能降耗還在于以后加強生產(chǎn)管理,嚴格能源管理來實現(xiàn)降低廠用電率的要求。雖然熱電廠的經(jīng)濟運行不僅僅表現(xiàn)在異步電機的節(jié)能降耗上,還可以從改善燃煤質(zhì)量,降低制粉系統(tǒng)單耗,提鍋爐燃燒效率,提高汽輪機效率,改善蒸汽質(zhì)量和增加熱用戶等方面去實現(xiàn),但至少它是一條重要的實現(xiàn)途徑也是我們應(yīng)該重視的一項工作,對于提高企業(yè)的經(jīng)濟效益也有很大的作用。

作者：江煉強  來源：《科技資訊》