電機節(jié)能降耗技術發(fā)展探討范文

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摘要:針對工業(yè)電動機運行效率低，能源浪費嚴重問題，介紹了現(xiàn)有的電機節(jié)能技術，主要集中在電機自身降耗和先進的傳動控制技術及裝置兩方面。進一步地，從這兩方面分類詳細介紹了常用的電機節(jié)能方法，并分析總結了每種電機節(jié)能技術特點。最后給出了電機系統(tǒng)整體節(jié)能設計方法。

關鍵詞:電機節(jié)能；降耗；傳動控制；電機系統(tǒng)

0引言

全世界工業(yè)用電動機消耗了總發(fā)電量的30％～40％，2006年7月，國際能源署電動機工作組調(diào)查報告指出：通過提高電動機效率并采用變頻調(diào)速，每年可以降低7％的全球電能使用量［1］。據(jù)中電聯(lián)的數(shù)據(jù)，截至到2016年底，中國發(fā)電機裝機總容量為16．5億千瓦［2］，保守估算中國電動機裝機容量高達20億千瓦以上，并且其中90％以上都是普通效率電機，因此，對現(xiàn)有電機系統(tǒng)進行節(jié)能改造刻不容緩。電機系統(tǒng)是將不同裝置或器件集成在一起實現(xiàn)特定功能的機電系統(tǒng)，包括電源、電動機、傳動裝置、傳動控制系統(tǒng)及負載。據(jù)調(diào)查，通過改造或更換高效電機，可以節(jié)能2％～8％；高品質(zhì)供電電源，可以節(jié)能0．5％～3％；高效傳動裝置，可以節(jié)能2％～10％；先進傳動控制，可以節(jié)能10％～50％；合理地傳動設計，節(jié)能空間較大；良好地操作和維護，可以節(jié)能1％～5％［1］。往往出于改造工程量和成本方面考慮，現(xiàn)有電機節(jié)能技術主要集中在電機自身降耗和先進的傳動控制技術及裝置兩個方面。

1電機自身降耗

電機損耗主要包括定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、風摩耗及雜散損耗等。采用導磁性較好的磁性材料和低阻抗的導電材料，可以降低銅損和鐵損，同時通過優(yōu)化設計結構及制造工藝來降低雜散損耗［3］。對現(xiàn)有電機進行節(jié)能改造或選用新型節(jié)能電機，都可以有效降低電機自身損耗。

1．1電機硬件節(jié)能改造

電機硬件節(jié)能改造就是將低效電機通過重新設計，更換零部件等方法，將低效電機改造成高效率節(jié)能電機［4］。電機硬件節(jié)能改造是實現(xiàn)資源節(jié)約和循環(huán)經(jīng)濟的重要途徑，主要方法包括：更換磁性槽楔、改變定子繞組形式、更換合適規(guī)格風扇、增加有效材料用量等［5－6］。

1．1．1更換磁性槽楔上世紀八、九十年代，國內(nèi)一些工程技術人員使用磁性槽泥對電機進行節(jié)能改造。磁性槽泥成分主要包括還原鐵粉和環(huán)氧樹脂，將調(diào)制好的磁泥壓抹在電機定子槽口處，放置等其固化成型［7－8］。華平昌［9］利用磁性槽泥改造JO2、J2系列電動機，不僅可以有效降低電機損耗，而且電機的噪聲和振動也有所改善。磁性槽泥的涂抹量決定了電機磁楔導磁率，人工涂抹量及位置不宜精確控制，造成磁性不穩(wěn)定，節(jié)能效果不佳，并且槽泥機械強度不高，容易磨損和脫落［10］。磁性槽楔可由層壓、模壓和引拔等方法制備，容易制造和加工，特別是力學性能有大幅提升，并且具有良好的電介性能、耐熱性能和磁性能，成為提高電機效率非常有效且經(jīng)濟的方法［6，11－12］。Miyaji．T等［13］詳細研究了脈振損耗與定子槽數(shù)和磁楔磁性能之間的關系，發(fā)現(xiàn)磁楔可以減少電機脈振損耗；KagaA［14］認為楔入磁楔可以增加電機阻抗，從而有效地減小電機空載電流和起動電流；趙勇［15］研究發(fā)現(xiàn)采用磁性槽楔，可以減小定子槽口氣隙磁場的高次諧波，使電機振動和噪聲狀況得到有效地改善，從而提高電機效率；梁艷萍［16］建立了某型號電機二維瞬態(tài)場數(shù)學模型，通過計算仿真發(fā)現(xiàn)了磁性槽楔相對磁導率與電機轉(zhuǎn)矩間的關系，給出了磁性槽楔可以減小電機的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩的結論。磁性槽楔可以有效降低電機的空載附加損耗，減小電機振動和電磁噪聲，降低電機溫升，提高電機效率。但磁性槽楔的最大問題是使電機起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩下降，磁楔較低的電阻率導致電機渦流損耗上升。因此，存在一定轉(zhuǎn)矩裕量的電機，采用磁性槽楔不失為提高效率的一項有效且簡單的措施。

1．1．2改變定子繞組結構定子繞組的基波分布系數(shù)和諧波含量主要由定子繞組結構決定，也成為影響電機性能的主要因素之一。因此，采用合適的定子繞組結構改造原有電機繞組，可以提高電機的效率［5－6］。正弦繞組的主要特點是較高的基波分布系數(shù)和較低的諧波含量，相比于普通三相繞組，正弦繞組選取不同的繞組匝數(shù)，可以大大減小相帶諧波。黃堅［5］在某型號電機樣機上，開展了正弦繞組與普通繞組的對比試驗，得到結論：采用正弦繞組，可以一定程度上降低電機損耗，從而提高電機效率和功率因數(shù)。張書姣［6］介紹了Δ－Y接線的混合繞組的繞線方法，發(fā)現(xiàn)改繞組形式可以更有效地消除或削弱高次諧波，降低電機損耗，并指出Δ－Y繞組尤其適合2極、4極電機，效率可提高2％～4％。

1．1．3更換合適規(guī)格風扇秦和［17］研究表明：對于較大功率的2極、4極電機，風摩損耗占有相當大的比例，如90kW2極電機風摩耗可達總損耗的30％左右；風摩損耗主要是電機冷卻風扇所產(chǎn)生的損耗，風扇通風功率正比于風扇直徑的4次方～5次方，因此，在電機正常的運行溫度下，選用較小尺寸的風扇，可以進一步降低風摩損耗。黃堅［5］通過開展不同尺寸風扇的對比試驗，也得出相似的結論：風扇直徑是決定電機風摩損耗和溫升的主要因素，在選取風扇尺寸時，既要考慮電機的冷卻要求，同時又要保證電機的風摩損耗最小。選取合適風扇，可以有效降低通風損耗，而且硬件開銷較低，因此，合理的風扇設計成為提高電機效率的重要手段之一。

1．1．4增加有效材料用量電機繞組銅耗不僅造成電機運行溫度升高，影響電機的運行性能，而且繞組銅耗是電機損耗的主要組成部分，對電機效率有很大的影響［18］。電機繞組的銅損除了受到負載的影響外，還和繞組線圈自身的電氣性能有關。選取優(yōu)良的導線材料，降低電機繞組內(nèi)阻，可以進一步降低電機的能耗。將電機繞組絕緣材料從瀝青云母帶改為B級膠帶后，可增大15％～20％的繞組銅線截面積，電機發(fā)熱進一步降低。保持不變的槽滿率，適當增加導線截面，可提高1．5％～4％的電機效率［3，6］。效率較高的電機，單純增加材料的使用量，并不一定會取得合理的經(jīng)濟收益，應該采用技術經(jīng)濟指標綜合評價其經(jīng)濟性。

1．2新型節(jié)能電機對現(xiàn)有電機進行節(jié)能改造，受制于改造成本、機械結構、材料類型及用量、裝配工藝等限制，往往很難進一步提高電機效率。隨著電機制造新技術、新材料、新理念的發(fā)展，綜合考慮電機負載與運行工況，產(chǎn)生了稀土永磁電動機、開關磁阻電機、變極變?nèi)萘侩姍C等新型節(jié)能電機，已逐步進入工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場代替低效電機，取得了不錯的效果。

1．2．1稀土永磁電動機稀土永磁材料具有優(yōu)良的磁性能，無需要外部激勵，充磁后能夠產(chǎn)生很強的永磁場，從而可以替代傳統(tǒng)電機的電勵磁場。因此，稀土永磁電機具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點［19］。異步起動高效永磁同步電動機使用較為廣泛，可以有效替代異步電機。相比于普通異步電動機，稀土永磁同步電動機轉(zhuǎn)速無滑差，沒有轉(zhuǎn)子基波鐵耗和銅耗；在各種負載工況場合，其功率因數(shù)穩(wěn)定在1附近，無功功率很小，電機定子電流明顯下降，從而降低電機損耗和線路損耗；稀土永磁電動機具有高而平的效率特性曲線，在很寬的負載工況區(qū)間，稀土永磁電機依然能夠保持很高的效率，因此，在相同負載下，稀土永磁電機效率遠高于較異步電動機，特別在低負載工況下稀土永磁電機效率高的優(yōu)勢更加明顯［20］。盡管稀土永磁電機在性能上具有許多優(yōu)勢，仍然存在一些問題亟待解決。稀土永磁材料存在高溫退磁現(xiàn)象，退磁曲線非線性，并且在起動、剎車以及故障時，引起線圈電流激增，可能造成不可逆退磁，因此，提高永磁材料熱穩(wěn)定性是國內(nèi)外學者和生產(chǎn)企業(yè)研究的重要內(nèi)容；稀土永磁電機異步起動過程中，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動對負載設備造成機械沖擊，需要加以抑制；成本高，裝配難度大，生產(chǎn)費時費力。

1．2．2開關磁阻電機開關磁阻電機（SRD）主要包含電動機和控制器兩部分。其電動機具有定子、轉(zhuǎn)子雙凸極、磁阻可變等特點。轉(zhuǎn)子上沒有繞組和永磁體，集中繞組分布在于定子鐵芯上，且徑向的兩個繞組串聯(lián)，構成一個兩極磁極，簡述為一相。通過設計各種不同的相數(shù)結構，結合不同的定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)，可以得到不同的開關磁阻電動機［21］。開關磁阻電機的旋轉(zhuǎn)方向可以通過控制繞組通斷的順序來改變，而其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以通過控制繞組的電流大小來實現(xiàn)。相比交流異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，SRD整體效率至少提高3％，在低速工況下，其效率提升高達10％以上，效率高節(jié)能效果好；起動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的3～4倍，而起動電流小于30％額定電流，低速性能好；調(diào)速范圍廣，調(diào)速比大于20∶1，調(diào)速平滑無級；功率因數(shù)高，適合于頻繁啟動，頻繁正、反轉(zhuǎn)；負載特性好，穩(wěn)定精度高，在負載大小變化時，轉(zhuǎn)速可保持不變［19，21，22］。SRD采用脈沖供電，瞬時轉(zhuǎn)矩脈動大，造成較大的機械震動和噪聲，需要從電機內(nèi)部結構和控制方法兩個方面對轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲進行抑制；SRD通常運行于深度磁飽和狀態(tài)，導致SRD電機數(shù)學模型存在非線性和不確定性，給SRD精準建模制造了不小的難度；SRD需要實時檢測轉(zhuǎn)子位置來控制其繞組的通斷，位置檢測器增加了系統(tǒng)體積和成本，降低了系統(tǒng)可靠性，目前國內(nèi)外也成功地開發(fā)出無位置檢測器的SRD，但距實際應用還需要進一步地研究優(yōu)化；大功率SRD的發(fā)熱較嚴重，限制了其向大容量發(fā)展［23－25］。

1．2．3變極變?nèi)萘侩姍C變極電機是指可以通過改變電動機定子繞組的極對數(shù)來改變電動機轉(zhuǎn)速的電動機，包含多繞組式和單繞組式。繞組連接形式是變極電機設計的核心，并且還需要選取合適的槽楔結構，以減小電機諧波磁場的影響［26－27］。繞組設計主要原則是選擇合適磁通密度的定子勵磁，防止過勵出現(xiàn)鐵心嚴重飽和。曹鵬［28］詳細分析了抽油機負載特性及工況，參照變?nèi)萘侩姍C結構特點，對抽油機三相異步電機進行了變?nèi)萘扛脑欤涸谄胀ㄈ喈惒诫姍C機殼內(nèi)，設計2套獨立的定子線圈和轉(zhuǎn)子，并且2個轉(zhuǎn)子共同安裝在一根輸出轉(zhuǎn)軸上，從而實現(xiàn)對電機容量的拆分，使普通異步電機獲得3種工作容量。如55kVA的電機按1∶2的比例拆分，可以獲得18kVA、37kVA和55kVA三種固定工作容量，從而可以根據(jù)抽油機工況切換合適的電機容量，減小電機能耗，提高抽油機效率。變極變?nèi)萘侩姍C通過輔助控制改變定轉(zhuǎn)子結構來適應不同負載工況，雖然在一定程度上可以提高電機效率，實現(xiàn)電機速度調(diào)節(jié)，但是電機繞組設計復雜，鐵心容易飽和，調(diào)速范圍有限且不平滑，應用場合有限。

2先進的傳動控制技術及裝置

電動機傳動節(jié)電技術主要可以劃分為兩類：一類是調(diào)節(jié)端電壓頻率節(jié)能；另一類是調(diào)節(jié)端電壓幅值節(jié)能。前者適合于風機、泵等對電動機轉(zhuǎn)速無具體要求的場合；后者適合于起重機、抽油機等要求電動機工作在額定轉(zhuǎn)速下的空載或輕載場合［29］。

2．1調(diào)壓節(jié)能

電動機工頻恒壓運行時，負載減小，其輸出功率也會減小，轉(zhuǎn)子電流下降使轉(zhuǎn)子銅耗降低，此時，定子電壓保持不變，從而使定子損耗、雜散損耗、機械損耗保持不變，導致電動機功率因數(shù)和效率降低。因此，輕載時，可以通過降低定子電壓，以減小勵磁電流，從而降低定子損耗，提高電機效率及其功率因數(shù)［30］，并且調(diào)壓裝置相對變頻節(jié)能裝置結構和控制簡單、成本低，在輕載或空載工況下得到了廣泛地應用［31－36］。馬新春［32］開發(fā)了一套三相異步電動機的調(diào)壓節(jié)能控制裝置，該裝置通過晶閘管調(diào)壓實現(xiàn)軟啟動，降低了電動機啟動過程中的電流沖擊，并且在電動機運行時，通過調(diào)壓控制，保證電機具有最優(yōu)的可測功率因數(shù)；甘世紅［33］設計了一種基于PIC16F877單片機的異步電動機節(jié)能控制裝置，該裝置具有軟起動功能，以恒定的功率因數(shù)為控制目標，通過實時調(diào)節(jié)電動機的輸入電壓來跟隨負載的變化，進而實現(xiàn)節(jié)能；徐杭田［34］開發(fā)了一套三相交流異步電動機的調(diào)壓節(jié)電控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)選取功率因數(shù)作為系統(tǒng)的一個反饋控制量，同時增加電流反饋控制環(huán)節(jié)，檢測電流變化量，設置負載突變診斷以及快速升壓環(huán)節(jié)，解決了電機節(jié)能控制器輸出穩(wěn)定性和快速性之間的矛盾。當在重載運行時，若電壓降低很大，電機的電磁轉(zhuǎn)矩無法克服空載轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)速急劇下降，電機無法穩(wěn)定運行而最終停轉(zhuǎn)。因此，降壓程度受到電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速兩方面的制約［31，37］。為保證電機能夠正常工作，電機端電壓不能下降過大，必須保證電動機所提供的最大電磁轉(zhuǎn)矩大于空載轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩之和；電機端電壓不能下降太多，必須保證定轉(zhuǎn)子電流不能超過額定值，勵磁電流不能進入飽和區(qū)。電機穩(wěn)定運行的條件是轉(zhuǎn)差率S必須在0～Smax（最大轉(zhuǎn)矩對應轉(zhuǎn)差率）范圍內(nèi)變化。

2．2變頻節(jié)能

隨著電力電子和計算機技術的高速發(fā)展，變頻調(diào)速技術廣泛應用于電機系統(tǒng)，大大降低了異步電動機能耗［38］。常用的變頻控制方法包括恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等，恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)差率控制都是基于電機的靜態(tài)模型，控制方法比較簡單；而矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制基于電機的動態(tài)模型，雖然可以獲得良好的調(diào)速特性，但其控制方法較為復雜［39］。恒壓頻比控制保持電機的額定電壓與額定頻率之比不變，控制電壓頻率的同時相應地調(diào)整電壓幅值，從而實現(xiàn)調(diào)速，運行時電機磁通保持恒定，該方法適用于恒轉(zhuǎn)矩負載。鄒德蘊［40］針對礦井主通風機系統(tǒng)運行效率低的問題，采用交流變頻調(diào)速技術來控制礦井主通風機的運轉(zhuǎn)。為了保證定子氣隙磁通量恒定，在改變f0時應同時改變U0，即U0與f0的變化量要同步控制與調(diào)節(jié)，使U0／f0為恒定常數(shù)。變頻調(diào)速起到了無級調(diào)速的作用，且調(diào)速范圍大、精度高，在保證礦井所需風量的條件下，電機有用功率和無用功率比工頻恒速時有了極大的降低。轉(zhuǎn)差率控制基于恒壓頻比控制，并引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，在電機的穩(wěn)態(tài)運行范圍內(nèi)，可以獲得轉(zhuǎn)差率與輸出轉(zhuǎn)矩之間近似的正比關系，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率就可以調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)調(diào)速的目的。李陽［41］基于感應電機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，設計了一種能量優(yōu)化控制方法：在恒壓頻比控制的基礎上，構造負載電磁轉(zhuǎn)矩觀測器來估計轉(zhuǎn)矩值，從而獲取最優(yōu)轉(zhuǎn)差率，通過轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)器來調(diào)整定子電壓。矢量控制通過3／2變換，將三相定子電流分解為二相的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，勵磁電流為電機的額定勵磁電流，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流就可以實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。陳帥［42］在異步電動機的穩(wěn)態(tài)簡化等效電路基礎上，獲得功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差角頻率間的數(shù)學描述，設計了一種異步電動機矢量控制系統(tǒng)，通過現(xiàn)場試驗表明：該系統(tǒng)適用于空載和輕載工況，可以取得明顯的節(jié)能效果；而重載工況下，該系統(tǒng)節(jié)能效果不佳。直接轉(zhuǎn)矩控制分別對電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行獨立控制，以提高電機的動態(tài)特性。薛朝妹［43］開發(fā)了一種游梁式抽油機直接轉(zhuǎn)矩節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術，選取定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩兩個控制變量，無需進行變換控制，實現(xiàn)電機的輸出轉(zhuǎn)矩對電機負載變化的快速響應，具有控制手段簡單、轉(zhuǎn)矩響應速度快、動態(tài)特性優(yōu)異等優(yōu)點，系統(tǒng)測試表明節(jié)電效果顯著，適用于電壓或負載突變等場合。變頻裝置自身存在損耗，會額外增加整個電機系統(tǒng)損耗。在變頻裝置控制下，感應電機將增加1％～2％損耗，電機系統(tǒng)總損耗將增加4％～8％。因此，采用變頻調(diào)速系統(tǒng)需要綜合考慮節(jié)能收益和硬件購置維護成本［19］。此外，電機本身存在非線性耦合和參數(shù)不確定性，難以建立精確的動靜態(tài)模型，影響后續(xù)電機的變頻控制效果。

3電機系統(tǒng)節(jié)能設計

電機系統(tǒng)節(jié)能是指提高整個電機系統(tǒng)的效率，既要保證電機自身效率和拖動裝置效率的最優(yōu)化，還要追求系統(tǒng)整體與子單元效率的最優(yōu)化。首先，必須了解被改造電機系統(tǒng)核心的工藝參數(shù)、工藝流程、設備參數(shù)以及目前運行狀況的記錄數(shù)據(jù)等。其次，需要了解被改造電機系統(tǒng)現(xiàn)有的能耗情況，通過現(xiàn)場調(diào)查，制定詳細的測試方案，分析測試數(shù)據(jù)，計算結果，并根據(jù)測試結果，分析出設備運行狀態(tài)，找出影響其效率的主要因素。再次，根據(jù)主要影響因素以及該電機系統(tǒng)運行特點，針對性地制定適合該電機系統(tǒng)節(jié)能改造方案，初步估算每個改造方案設備硬件成本，并且深入分析計算每個改造方案的節(jié)能效率。最后，對每個改造方案在其壽命周期內(nèi)的各項成本進行綜合考慮，包括硬件采購成本、安裝調(diào)試成本、維護成本和電能成本等，選擇經(jīng)濟、安全、可靠的最優(yōu)方案，將電機系統(tǒng)整個安全使用壽命內(nèi)的成本降到最低。

4結語

電機節(jié)能技術應用可以節(jié)約設備運行開支、降低資源消耗、保護環(huán)境。通過電機自身改造來提高現(xiàn)有電機效率，既可以使原有電機性能得到有效改善，又可以大大降低資金開銷，實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。通過先進的傳動控制技術和裝置，可以使電機運行在合理的區(qū)間內(nèi)，不僅可以實現(xiàn)與負載工況的良好匹配，而且可以降低電機起停過程中的沖擊，調(diào)速范圍廣且平滑，節(jié)能效果顯著。最后對電機系統(tǒng)進行整體節(jié)能設計，最終確保電機系統(tǒng)安全壽命周期內(nèi)各種成本最小化。

作者：鄧攀；魯新義；李華 單位：寶鋼股份中央研究院武漢分院（武鋼有限技術中心）