節能降耗的“長電方案”：變頻調速系統與高效電機
發布時間：
2020-08-06
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隨著環境惡化、資源匱乏，節能環保理念越來越深入到經濟社會發展中，各國都在節能環保技術及推廣方面加大投資。隨著我國《“十二五”節能環保產業規劃》的出臺，節能環保被推上了一個新高度。
電機高效節能的兩種重要方式：變頻調速系統與高效電機。
本文闡述了變頻調速系統在風機與泵類負載中的節能原理與特點；高效電機提高效率降低損耗的措施；高效電機與普通電機區別的特點。
1.引言
隨著環境惡化、資源匱乏，節能環保理念越來越深入到經濟社會發展中，各國都在節能環保技術及推廣方面加大投資。隨著我國《“十二五”節能環保產業規劃》的出臺，節能環保被推上了一個新高度。
目前我國電動機裝機總容量已達4億多KW，年耗電量達1.2萬億KWh，占全國總用電量的60%，占工業用電量的80%，其中風機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過2億KW，年耗電量8000億KWh，占全國總用電量的40%左右。這些電動機大多在較低的電能利用率下運行，只要將這些電動機電能利用率提高10～15%，全年至少可節電100億KW以上。足以看出電機節能的市場巨大潛力和重要性。
電機耗能現象嚴重，不僅增加了企業生產成本，造成了電力能源的極大浪費，更與我國推行的節能減排戰略不相符。目前提高電機運行效率可以有效地改變電機的高能耗現象，節能效果十分明顯，能耗可比普通電機降低20%至30%。
電動機節能的主要途徑，一是通過變頻調速系統，改善變頻電機的運行效率;二是使用高效電機。
2.變頻調速節能
變頻調速技術用于節能，目前用得最多的是對風機、泵類負載設備的調速節能，原因是風機、泵類負載的轉矩與轉速的平方成正比。用調速的方法改變其負載流量，節電率可達20%～60%等。
我國電廠大部分風機和水泵都采用定速驅動，靠調節風門、風道擋板或閥門的開度來調節風機風量，水泵流量來滿足生產工藝對風量和水泵流量的要求，造成的電能浪費很嚴重。只有少數風機和水泵增設了液力偶合器等裝置調速，雖然改變了負載轉速，但是電動機轉速不變，部分能量損耗在液力偶合器中，其運行效率較低，節能效果不明顯。若采用高壓變頻器對風機水泵進行改造，通過改變風機水泵轉速，從而改變風機風量，水泵流量以適應生產工藝的需要，運行能耗最省，節能效果非常明顯。現在變頻調速技術已成為最理想的一種調速節能方式。
2.1原理。
(1)變頻調速就是通過改變輸入電源頻率來調節變頻電動機的轉速。
2.2特點。
(1)變頻調速可以實現變頻起動，啟動時間短，啟動電流小，拖動更大的負載轉動慣量，并且啟動平穩，可無極平滑調速，對電網及電機無損害，延長機電設備使用壽命。
(2)操作方便維護簡單，無需設置調節擋板，避免了節流帶來的能量損耗。需要調節流量、壓力時，根據前面公式可知，只要改變頻率來改變電動機轉速即可。
(3)采用變頻調速不僅降低風機水泵的故障率，減少維修費用及管理費用的投入，同時也提高系統自動調節品質，節電效果明顯。
(4)采用變頻恒壓供水可消除水錘效應，實現閉環供水，用戶可直接從管網取水，避免了高水位水箱、水塔儲水的二次污染。不僅系統具有保護功能，自診斷和自處理能力強，實現樓宇智能化。
總之，變頻調速作為新型調速節能手段，有利于風機、水泵的安全經濟運行。不足之處是對電源的質量、變頻器的工作環境以及電機要求比較高，維修費用高等。
3.高效電機
高效電機是指效率較高的電機，其效率應該滿足相關的能效等級要求。高效電機將新制造工藝及新材料完美運用到核心部件上，通過電機線圈優化設計，有效降低電磁能、熱能和機械能的損耗，提升運轉效率，電機發熱量小、運行壽命長。
3.1降低損耗優化措施
眾所周知，電動機的損耗主要由定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗組成，高效、超高效電動機的開發，必須從降低這五大損耗著手，采取多種措施，挖掘潛力，降低損耗，提高電動機的效率。
3.1.1增加有效材料，降低銅耗和鐵耗。
對于高效電機，由于效率指標提高較大，為降低繞組損耗和鐵心損耗，需要適當降低電流密度和磁感應強度，因此相應放大了導線截面和增加了鐵心長度，部分機座放大了沖片外徑，從而相應增加了有效材料用量。
3.1.2采用相對較高牌號的磁性材料，降低鐵耗。
由于受到軸向尺寸和中心高的限制， 單純的增加有效材料達不到大幅降低鐵耗的目的，因此必須選用更低損耗的冷軋硅鋼片，這對中、大功率規格的電動機尤為重要。
3.1.3合理控制電動機溫升。
由于溫升受使用材料的多少和機械損耗的影響，在材料不變的情況下，通過增大冷卻風量降低溫升，隨著溫升的下降，定、轉子銅耗下降，機械損耗上升，如果定、轉子銅耗下降大于機械損耗上升，效率就會提高，反之，效率就會下降。因此合理控制溫升對高效電機提高效率起到關鍵作用。
3.1.4降低雜散損耗的措施。
(1)改變槽配合當諧波磁場對鐵心表面發生相對運動時，就在鐵心鋼片的表面層附近產生渦流損耗和磁滯損耗，因此稱為表面損耗，其中主要是渦流損耗。這部分損耗與諧波磁場的幅值和頻率有關，幅值和頻率受槽數多少影響，因此這部分損耗與定、轉子槽數有關。
(2)增大電動機氣隙，進而減小定、轉子諧波磁通的幅值，可以有效地減少雜散損耗。
3.2高效電機特點：
(1)效率高，IE2 比IE1 平均高3%，IE3 比IE1 平均高近5%左右。
(2)需使用更多高質量的材料。IE2 比IE1 電機成本高25%～30%，IE3 比IE1 電機成本高40%～60%左右。
(3)由于運行溫度較低，電機壽命更長，可降低維護成本。
(4)典型設計情況下起動電流較大些。
(5)轉子慣量較大。
(6)額定負載下轉速較高，轉差率較小。
從節約能源、保護環境出發，高效電機是現今國際發展趨勢。2013年工信部將從推廣高效電機、淘汰低效電機以及既有電機系統節能技術改造等6個方面入手，推廣、淘汰和節能改造電機及電機系統1億千瓦，擴大高效電機市場份額，促進電機產品升級換代和產業升級。
4.結束語
本文詳細的分析了變頻調速系統在風機與水泵負載中通過改變頻率進行速度控制，達到節能的目的，高效電機降低損耗等措施，有效提高電動機效率。這對于我國貫徹節能減排國策，節約能源，提高企業經濟效益無疑具有巨大的意義。
附表：國內外電機能效標準對應關系
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