電機(jī)高效節(jié)能的兩種重要方式：變頻調(diào)速系統(tǒng)與高效電機(jī)。分析了變頻調(diào)速系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)與泵類負(fù)載中的節(jié)能原理與特點(diǎn);高效電機(jī)提高效率降低損耗的措施，與普通電機(jī)區(qū)別的特點(diǎn)。
1. 引言
隨著環(huán)境惡化、資源匱乏，節(jié)能環(huán)保理念越來(lái)越深入到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，各國(guó)都在節(jié)能環(huán)保技術(shù)及推廣方面加大投資。隨著我國(guó)《“十二五”節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》的出臺(tái)，節(jié)能環(huán)保被推上了一個(gè)新高度。據(jù)中投顧問發(fā)布的《2011-2015》年中國(guó)高效節(jié)能電機(jī)行業(yè)投資分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，目前我國(guó)電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)4億多KW，年耗電量達(dá)1.2萬(wàn)億KWh，占全國(guó)總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%，其中風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)的裝機(jī)總?cè)萘恳殉^(guò)2億KW，年耗電量達(dá)8000億KWh，占全國(guó)總用電量的40%左右。這些電動(dòng)機(jī)大多在較低的電能利用率下運(yùn)行，只要將這些電動(dòng)機(jī)電能利用率提高10～15%，全年至少可節(jié)電100億KW以上。足以看出電機(jī)節(jié)能的市場(chǎng)巨大潛力和重要性。電機(jī)耗能現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅增加了企業(yè)生產(chǎn)成本，造成了電力能源的極大浪費(fèi)，更與我國(guó)推行的節(jié)能減排戰(zhàn)略不相符。目前提高電機(jī)運(yùn)行效率可以有效地改變電機(jī)的高能耗現(xiàn)象，節(jié)能效果十分明顯，能耗可比普通電機(jī)降低20%至30%。電動(dòng)機(jī)節(jié)能的主要途徑，一是通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)，改善變頻電機(jī)的運(yùn)行效率;二是使用高效電機(jī)。
2. 變頻調(diào)速節(jié)能
變頻調(diào)速技術(shù)用于節(jié)能，目前用得最多的是對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載設(shè)備的調(diào)速節(jié)能，原因是風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。用調(diào)速的方法改變其負(fù)載流量，節(jié)電率可達(dá)20%～60%等。我國(guó)電廠大部分風(fēng)機(jī)和水泵都采用定速驅(qū)動(dòng)，靠調(diào)節(jié)風(fēng)門、風(fēng)道擋板或閥門的開度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量，水泵流量來(lái)滿足生產(chǎn)工藝對(duì)風(fēng)量和水泵流量的要求，造成的電能浪費(fèi)很嚴(yán)重。只有少數(shù)風(fēng)機(jī)和水泵增設(shè)了液力偶合器等裝置調(diào)速，雖然改變了負(fù)載轉(zhuǎn)速，但是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，部分能量損耗在液力偶合器中，其運(yùn)行效率較低，節(jié)能效果不明顯。若采用高壓變頻器對(duì)風(fēng)機(jī)水泵進(jìn)行改造，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，水泵流量以適應(yīng)生產(chǎn)工藝的需要，運(yùn)行能耗最省，節(jié)能效果非常明顯?，F(xiàn)在變頻調(diào)速技術(shù)已成為最理想的一種調(diào)速節(jié)能方式。
2.1原理。
(1)變頻調(diào)速就是通過(guò)改變輸入電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)變頻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2.2特點(diǎn)。
(1)變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)變頻起動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間短，啟動(dòng)電流小，拖動(dòng)更大的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且啟動(dòng)平穩(wěn)，可無(wú)極平滑調(diào)速，對(duì)電網(wǎng)及電機(jī)無(wú)損害，延長(zhǎng)機(jī)電設(shè)備使用壽命。
(2)操作方便維護(hù)簡(jiǎn)單，無(wú)需設(shè)置調(diào)節(jié)擋板，避免了節(jié)流帶來(lái)的能量損耗。需要調(diào)節(jié)流量、壓力時(shí)，根據(jù)前面公式可知，只要改變頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即可。
(3)采用變頻調(diào)速不僅降低風(fēng)機(jī)水泵的故障率，減少維修費(fèi)用及管理費(fèi)用的投入，同時(shí)也提高系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，節(jié)電效果明顯。
(4)采用變頻恒壓供水可消除水錘效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)供水，用戶可直接從管網(wǎng)取水，避免了高水位水箱、水塔儲(chǔ)水的二次污染。不僅系統(tǒng)具有保護(hù)功能，自診斷和自處理能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)樓宇智能化。
總之，變頻調(diào)速作為新型調(diào)速節(jié)能手段，有利于風(fēng)機(jī)、水泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。不足之處是對(duì)電源的質(zhì)量、變頻器的工作環(huán)境以及電機(jī)要求比較高，維修費(fèi)用高等。
3. 高效電機(jī)
高效電機(jī)是指效率較高的電機(jī)，其效率應(yīng)該滿足相關(guān)的能效等級(jí)要求。高效電機(jī)將新制造工藝及新材料完美運(yùn)用到核心部件上，通過(guò)電機(jī)線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低電磁能、熱能和機(jī)械能的損耗，提升運(yùn)轉(zhuǎn)效率，電機(jī)發(fā)熱量小、運(yùn)行壽命長(zhǎng)。
3.1降低損耗優(yōu)化措施：
眾所周知，電動(dòng)機(jī)的損耗主要由定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗和雜散損耗組成，高效、超高效電動(dòng)機(jī)的開發(fā)，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(dòng)機(jī)的效率。
3.1.1增加有效材料，降低銅耗和鐵耗。對(duì)于高效電機(jī)，由于效率指標(biāo)提高較大，為降低繞組損耗和鐵心損耗，需要適當(dāng)降低電流密度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此相應(yīng)放大了導(dǎo)線截面和增加了鐵心長(zhǎng)度，部分機(jī)座放大了沖片外徑，從而相應(yīng)增加了有效材料用量。
3.1.2采用相對(duì)較高牌號(hào)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(dá)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(duì)中、大功率規(guī)格的電動(dòng)機(jī)尤為重要。
3.1.3合理控制電動(dòng)機(jī)溫升。由于溫升受使用材料的多少和機(jī)械損耗的影響，在材料不變的情況下，通過(guò)增大冷卻風(fēng)量降低溫升，隨著溫升的下降，定、轉(zhuǎn)子銅耗下降，機(jī)械損耗上升，如果定、轉(zhuǎn)子銅耗下降大于機(jī)械損耗上升，效率就會(huì)提高，反之，效率就會(huì)下降。因此合理控制溫升對(duì)高效電機(jī)提高效率起到關(guān)鍵作用。
3.1.4降低雜散損耗的措施。
(1)改變槽配合當(dāng)諧波磁場(chǎng)對(duì)鐵心表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就在鐵心鋼片的表面層附近產(chǎn)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(chǎng)的幅值和頻率有關(guān)，幅值和頻率受槽數(shù)多少影響，因此這部分損耗與定、轉(zhuǎn)子
槽數(shù)有關(guān)。
(2)增大電動(dòng)機(jī)氣隙，進(jìn)而減小定、轉(zhuǎn)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(jī)特點(diǎn)：
(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(zhì)量的材料。IE2 比IE1 電機(jī)成本高25%～30%，IE3 比IE1 電機(jī)成本高40%～60%左右。
(3)由于運(yùn)行溫度較低，電機(jī)壽命更長(zhǎng)，可降低維護(hù)成本。
(4)典型設(shè)計(jì)情況下起動(dòng)電流較大些。
(5)轉(zhuǎn)子慣量較大。
(6)額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)差率較小。
從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境出發(fā)，高效電機(jī)是現(xiàn)今國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)。2013年工信部將從推廣高效電機(jī)、淘汰低效電機(jī)以及既有電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造等6個(gè)方面入手，推廣、淘汰和節(jié)能改造電機(jī)及電機(jī)系統(tǒng)1億千瓦，擴(kuò)大高效電機(jī)市場(chǎng)份額，促進(jìn)電機(jī)產(chǎn)品升級(jí)換代和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
4. 結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)的分析了變頻調(diào)速系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)與水泵負(fù)載中通過(guò)改變頻率進(jìn)行速度控制，達(dá)到節(jié)能的目的，高效電機(jī)降低損耗等措施，有效提高電動(dòng)機(jī)效率。這對(duì)于我國(guó)貫徹節(jié)能減排國(guó)策，節(jié)約能源，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益無(wú)疑具有巨大的意義。
