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变频调速系统与高效电机的节能分析

时间:2018/7/9 点击数:246

 随着环境恶化、资源匮乏,节能环保理念越来越深入到经济社会发展中,各国都在节能环保技术及推广方面加大投资。随着我国《“十二五”节能环保产业规划》的出台,节能环保被推上了一个新高度。据中投顾问发布的《2011-2015》年中国高效节能电机行业投资分析及前景预测报告显示,目前我国电动机装机总容量已达4亿多KW,年耗电量达1.2万亿KWh,占全国总用电量的60%,占工业用电量的80%,其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超过2亿KW,年耗电量达8000亿KWh,占全国总用电量的40%左右。这些电动机大多在较低的电能利用率下运行,只要将这些电动机电能利用率提高10~15%,全年至少可节电100亿KW以上。足以看出电机节能的市场巨大潜力和重要性。电机耗能现象严重,不仅增加了企业生产成本,造成了电力能源的极大浪费,更与我国推行的节能减排战略不相符。目前提高电机运行效率可以有效地改变电机的高能耗现象,节能效果十分明显,能耗可比普通电机降低20%至30%。电动机节能的主要途径,一是通过变频调速系统,改善变频电机的运行效率;二是使用高效电机。

2. 变频调速节能

变频调速技术用于节能,目前用得最多的是对风机、泵类负载设备的调速节能,原因是风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比。用调速的方法改变其负载流量,节电率可达20%~60%等。我国电厂大部分风机和水泵都采用定速驱动,靠调节风门、风道挡板或阀门的开度来调节风机风量,水泵流量来满足生产工艺对风量和水泵流量的要求,造成的电能浪费很严重。只有少数风机和水泵增设了液力偶合器等装置调速,虽然改变了负载转速,但是电动机转速不变,部分能量损耗在液力偶合器中,其运行效率较低,节能效果不明显。若采用高压变频器对风机水泵进行改造,通过改变风机水泵转速,从而改变风机风量,水泵流量以适应生产工艺的需要,运行能耗最省,节能效果非常明显。现在变频调速技术已成为最理想的一种调速节能方式。

2.1原理。

(1)变频调速就是通过改变输入电源频率来调节变频电动机的转速。

2.2特点。

(1)变频调速可以实现变频起动,启动时间短,启动电流小,拖动更大的负载转动惯量,并且启动平稳,可无极平滑调速,对电网及电机无损害,延长机电设备使用寿命。

(2)操作方便维护简单,无需设置调节挡板,避免了节流带来的能量损耗。需要调节流量、压力时,根据前面公式可知,只要改变频率来改变电动机转速即可。

(3)采用变频调速不仅降低风机水泵的故障率,减少维修费用及管理费用的投入,同时也提高系统自动调节品质,节电效果明显。

(4)采用变频恒压供水可消除水锤效应,实现闭环供水,用户可直接从管网取水,避免了高水位水箱、水塔储水的二次污染。不仅系统具有保护功能,自诊断和自处理能力强,实现楼宇智能化。

总之,变频调速作为新型调速节能手段,有利于风机、水泵的安全经济运行。不足之处是对电源的质量、变频器的工作环境以及电机要求比较高,维修费用高等。

3. 高效电机

高效电机是指效率较高的电机,其效率应该满足相关的能效等级要求。高效电机将新制造工艺及新材料完美运用到核心部件上,通过电机线圈优化设计,有效降低电磁能、热能和机械能的损耗,提升运转效率,电机发热量小、运行寿命长。

3.1降低损耗优化措施:

众所周知,电动机的损耗主要由定子铜耗、转子铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗组成,高效、超高效电动机的开发,必须从降低这五大损耗着手,采取多种措施,挖掘潜力,降低损耗,提高电动机的效率。

3.1.1增加有效材料,降低铜耗和铁耗。对于高效电机,由于效率指标提高较大,为降低绕组损耗和铁心损耗,需要适当降低电流密度和磁感应强度,因此相应放大了导线截面和增加了铁心长度,部分机座放大了冲片外径,从而相应增加了有效材料用量。

3.1.2采用相对较高牌号的磁性材料,降低铁耗。由于受到轴向尺寸和中心高的限制, 单纯的增加有效材料达不到大幅降低铁耗的目的,因此必须选用更低损耗的冷轧硅钢片,这对中、大功率规格的电动机尤为重要。

3.1.3合理控制电动机温升。由于温升受使用材料的多少和机械损耗的影响,在材料不变的情况下,通过增大冷却风量降低温升,随着温升的下降,定、转子铜耗下降,机械损耗上升,如果定、转子铜耗下降大于机械损耗上升,效率就会提高,反之,效率就会下降。因此合理控制温升对高效电机提高效率起到关键作用。

3.1.4降低杂散损耗的措施。

(1)改变槽配合当谐波磁场对铁心表面发生相对运动时,就在铁心钢片的表面层附近产生涡流损耗和磁滞损耗,因此称为表面损耗,其中主要是涡流损耗。这部分损耗与谐波磁场的幅值和频率有关,幅值和频率受槽数多少影响,因此这部分损耗与定、转子

槽数有关。

(2)增大电动机气隙,进而减小定、转子谐波磁通的幅值,可以有效地减少杂散损耗。

3.2高效电机特点:

(1)效率高,IE2 比IE1 平均高3%,IE3 比IE1 平均高近5%左右。

(2)需使用更多高质量的材料。IE2 比IE1 电机成本高25%~30%,IE3 比IE1 电机成本高40%~60%左右。

(3)由于运行温度较低,电机寿命更长,可降低维护成本。

(4)典型设计情况下起动电流较大些。

(5)转子惯量较大。

(6)额定负载下转速较高,转差率较小。

从节约能源、保护环境出发,高效电机是现今国际发展趋势。2013年工信部将从推广高效电机、淘汰低效电机以及既有电机系统节能技术改造等6个方面入手,推广、淘汰和节能改造电机及电机系统1亿千瓦,扩大高效电机市场份额,促进电机产品升级换代和产业升级。


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