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    電動機的節能概念

    發布日期:2021-07-15

    電動機在將電能轉換為機械能的時候,本身也消耗一部分能量。這些損耗一般可分為繞組損耗、鐵芯損耗、風摩損耗和負載雜散損耗。電動機的效率是有效輸出功率與輸入功率之比。有效輸出功率是輸入功率與電動機本身功耗之差。有效地減少自身功耗可以達到提高電動機效率的目的。 
      電動機節能主要包括更新淘汰低效電動機及高耗電設備;節能電動機概念和技術,合理匹配電動機系統,提高電動機效率;以先進的電力電子技術傳動方式改造傳統的機械方式,實現被拖動裝置控制和設備制造;推廣軟啟動裝置、無功補償裝置、計算機自動控制系統技術、優化電動機系統的運行和控制。 
      提高電動機的效率已成為節能降耗、降低生產成本的重要手段,文章從分析電動機的選擇、啟動裝置、調速方式等方面入手,介紹了電動機在選擇及使用過程中采用的各種節能降耗方法。而其中的電動機耗能占總負荷90%以上,所以做好電動機運行的節能工作至關重要。不但可以減少電費開支,還可以挖掘配電系統的供電能力,有利于降低整個配電系統的電力損耗。 
      2.0電動機的合理選型 
      2.1選用高效節能型電動機。 
      高效電動機(YX、YX等系列)通常指高效率三相異步電動機。效率水平能達到或超過電動機能效國家標準(GB18613-2002)所規定的節能評價值的電動機。能效限定值是電動機最低效率允許值,是強制性指標;節能評價值是高效電動機的認定值,是推薦性指標。 
      下列情況下應該考慮選用高效電動機: 
      1)在新上項目需要新的電動機時; 
      2)舊電動機損壞或電動機需要進行重繞時; 
      3)在電動機長期運行于低負載或過負載狀態下需要更新電動機時。 
      高效電動機與普通電動機相比,優化了總體設計,選用了高質量的銅繞組和硅鋼片,降低了各種損耗,損耗下降了20%-30%,效率提高2%-7%;投資回收期一般為1-2年,有的短至幾個月。 
      2.2合理選用電動機類型。 
      選擇電動機類型除了滿足拖動功能外,還應考慮經濟運行性能。對于年運行時間大于3000h,負載率大于50%的場合,應選擇YX系列高效率的三相異步電動機。與Y系列相比,其效率平均高3%,損耗降低20%一30%,雖然價格高于Y系列電動機,但從長期運行考慮,經濟性還是明顯的。 
      同步電動機能提高企業電網的功率因數,降低供電線路損耗,但控制系統繁雜,價格較高。隨著異步電動機制造水平的提高,新設備已很少采用。 
      2.3合理選用電動機的額定容量。 
      國家三相異步電動機3個運行區域作了如下規定:負載率在70%-100%之間為經濟運行區;負載率在40%-70%之間為一般運行區;負載率在40%以下為非經濟運行區。若電動機容量選得過大,雖然能保證設備的正常運行,但不僅增加了投資,而且它的效率和功率因數也都很低,造成電力的浪費。因此考慮到既能滿足設備運行需要,又能使其盡可能地提高效率,一般負載率保持在60%一100%較為理想。對于負載率小于40%的三角形接法電動機可改為星型接法,以提高其效率。 
      3.0電動機的節能改造 
      電動機節能的原理是通過對電動機的電、磁、機械和通風的優化,優質材料及先進制造工藝的使用,并結合先進全面的試驗及測試手段,切實有效地降低電動機的各方面損耗。 
      3.1電動機Δ/Y改接降壓,提高電機的功率因數及效率。 
      異步電動機的總損耗中銅耗占總損耗的加20%~70%,鐵耗占25%~30%,此兩項是決定電動機效率的主要因素。鍋耗隨負載大小而變化,而鐵耗與電源電壓平方成正比。輕載時將電機繞組由Δ接改成Y接,則定子相電壓降低為原來的l/ 倍,鐵耗下降2/3,由于在輕負載時鐵耗起主要作用,因此效率隨鐵耗的大大減小而提高。電動機輕載時:用Y接法損耗較小,但負載增加到某一數值以后,由于轉子滑差加大較多,使轉子及定子電流迅速增加,造成電動機損耗與Δ接法時相等,此時應將定子改為Δ接線,否則,負載繼續增加將使損耗超過Δ接線,造成“倒節電”現象。 
      異步電動機在輕負載率時降低電壓運行是有利的,可以改善其功率因數和效率。當電動機負載率低于臨界負載率βC(一般為35%一50%)時,由Δ接線切換為Y接線可以節電,尤其是處于極輕載時(如β<10%),Δ/Y改接運行能夠更多提升效率,節能效果更明顯。異步電機運行Δ/Y改接節能的方法簡單易行,不額外消耗功率,對電流波形無影響。但轉換時會產生沖擊電流,不宜用于輕、重頻繁變動的負載。 
      3.2采用連續調速運行方式,提高電動機性能。 
      為了取得最大經濟效益,在選擇電動機調速方法時,應根據運行設備的性能、容量大小、流量變化幅度、調速裝置的效率、技術復雜程度、價格、維修難度程度、對電網的影響等諸多因素進行經濟比較后,確定適用的調速方法。 
      3.2.1調速方法 
      1)高效調速方法是指在調速過程中,沒有轉差損耗或對轉差損耗能夠進行回收,如變極電動機調速、變頻調速、串級調速等。該方法在調速過程中轉差變化小,但是為了實現調速,在系統中增加了相應的裝置,如變頻調速的變頻器及其控制回路,串級調速的整流裝置、逆變裝置、變壓器等,它們都要消耗電能。但這些裝置大都是電力電子元件,本身功耗很低,效率較高,在90%~95%之間。由于電動機的效率隨負載降低而下降,而風機、水泵負載是轉速3次方關系,因此電動機效率下降很多。整個調速裝置效率隨著轉速的下降而降低,如變頻裝置在高速運行時的效率為90%左右,串級調速在高速運行時的效率為92%左右。   2)低效調速方法(有轉差損耗調速方法) 
      低效調速方法是指在調速過程中有轉差損耗,如電磁調速電動機調速、調壓調速、液力耦合器調速等。采用此種方法時,離心式風機、水泵的流量Q與轉速n成正比;全壓、揚程H與轉速n的平方成正比;功率P與轉速n的3次方成正比。在電動機的部分損耗忽略不計的情況下,有轉差損耗調壓方法的效率為 
      η=(1-S)×100% 式中S—電動機的轉差率。 
      3.2.2變頻調速 
      在不同的工業領域中,變頻調速裝置具有精確、高效的特點,可滿足用戶的不同要求。變頻調速結構簡單,穩定可靠,調速精度高,啟動轉矩大,調速范圍廣,節能顯著。變頻器內部固有的軟啟動特性使得全部機組實現軟啟動,降低啟動電流和對電網及機械的沖擊,延長主設備的使用壽命。 
      通常情況下,可以利用變頻器+PLC的控制模式實現了電動機的節能運行,同時電動機從靜止到旋轉工作由變頻器來啟動,實現了軟啟動,避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊,降低了原系統噪音,減少了設備維修最等,該控制模式具有實用價值。 
      由于變頻器每kW的成本隨著其功率增大而減小,因此變頻調速裝置的經濟性也隨著電機功率的增大而提高。一般來講,變頻調速裝置回收期低于兩年,有時低于一年。 
      3.2.3液力耦合器 
      對于一些調速精度要求不高,調速范圍要求不寬,并且不頻繁調速的繞線式電動機,如風機、水泵等設備的大中型繞線式異步電動機采用液力耦合器來調速效果顯著。與變頻調速、可控硅串級讕速相比,該方式更經濟、可靠、實用,維護簡單,雖調速時效率稍低,但功率因數高,且全速時效率高于變頻調速,價格僅為變頻調速的幾分之一。 
      液力耦合器以液體為介質傳遞功率,液力偶合器相當于離心泵和渦輪機的組合,當動力機通過輸入軸帶動泵輪轉動時,充注在工作腔中的工作液體在離心力作用下,沿泵輪葉片流道向外緣流動,使液體的動量矩增大。當工作液體由泵輪沖向對面的渦輪時,工作液體便沿渦輪葉片流道做向心流動,同時釋放能量并將其轉化為機械能,驅動渦輪旋轉并帶動工作機做功??恐后w的傳動使動力機和工作機柔性地聯接在一起。 
      改變液力偶合器工作腔的充滿度,便可以調節輸出力矩和輸出轉速,充滿度升高則輸出轉速升高,反之則降低,并可實現無級調速。其特點為屬于無級調速,在液力偶合器輸入轉速不變的情況下,可以輸出無級連續變化的、且變化范圍很寬的轉速,當轉速變化較大時,與節流調節相比較,有顯著的節能效果??蛰d起動時,電動機可以在空載或輕載下啟動,減少對電網沖擊,因而可選用容量較小的電動機及電控設備,減少設備的投資,降低起動電流。 
      3.3采用新型節能風扇,降低電動機的機械損耗(風摩損耗)。 
      機械損耗是軸承摩擦損耗和冷卻風扇連同轉子一起旋轉時的風摩損耗之和,約占總損耗的5%~8%。在開啟式低速電動機中,這些損耗是微小的,但是在大型高速電動機或全封閉風扇冷卻型電動機中,這些機械損耗較大。2極電動機約占1/3,相當于電動機容量的3%;4極電動機約占電動機容量的1.5%,同時通風噪聲也大。 
      因此要大幅度提高風扇效率,應采用單方向旋轉的風扇,如軸流式或后傾葉式的離心風扇,使葉片間的流道與主氣流的形狀比較適配。另外,配以合適形狀的風罩,就可以使這兩項的主要損耗顯著降低。國際電工協會IEC推薦,高速異步電動機盡量優先采用單方向的電機冷卻風扇。更換電動機的外風扇,將電動機的外風扇改為節能型,對于不同型號的電動機,有對應的節能型風扇產品可供選用。主要用于單方向運轉的2極和4極電動機,改后可提高效率1.35%一2.55%。 
      對于封閉外扇冷卻的電機應推廣使用軸流風扇。這是因為封閉式電機外風路的風阻較小,機座散熱筋風溝內氣流主要沿軸向,宜采用壓頭低,風量大的軸流式風扇,其效率高、噪聲低,尤其是機翼型的葉片。另外,按比轉速特性參數的大小來選擇。當NS=90~300時,宜選用軸流式風扇;NS=15~100時,宜選用后傾葉片離心式風扇;根據實測核算,JO2系列22KW以上的異步電動機,其NS≤90,宜選用軸流式風扇,正好適用于高轉速、低壓頭、大流量的電機。試驗表明,2極電機的風扇外徑縮小14%~16%,風摩損耗下降20%~30%,電機效率可提高0.2%左右。 
      3.4采用磁性槽泥或槽楔改造低效電動機。 
      電動機旋轉時會周而復始地發生振蕩,產生脈振鐵耗。另外齒部表面的磁通在齒面掃動會產生表面鐵耗,它的本質是高頻渦流損耗和磁滯損耗,使鐵心發熱溫度升高,這種空載附加損耗約占電機額定容量的0.5%~2.3%。 
      應用磁性槽泥(低壓中小功率電動機)和磁性槽楔改造(高壓大功率電動機)對異步電動機進行節能改造,主要是消滅由電動機定子、轉子槽齒效應產生的高頻渦流損耗和磁滯損耗,從而起到節能的目的。 
      用磁性槽泥填平電動機定子鐵心槽口,以磁性槽泥代替原有的絕緣槽鍥,使它減少定子、轉子間磁阻的反復變化,亦即平伏磁通密度的脈振,減少齒簇磁通的掃描,以減少其空載附加損耗。磁性槽泥又使定子、轉子間有效氣隙減小,即使氣隙磁阻減小,磁導率增大,從而減小電動機勵磁電流,即減小了無功功率和空載銅損耗。 
      實踐證明,采用磁性槽泥或磁性槽鍥對舊式電動機進行改造,其節能效果顯著。雖然啟動轉矩會下降10%-20%,但很適應空載或輕載啟動的電動機改造。由于氣隙磁勢波形的改善,從而減少了空載電流,改善了功率因數,降低了鐵耗及溫升,并減少了電磁噪聲、振動,延長了電動機的使用壽命。 
      3.5對電動機繞組改接,減少電動機的雜散損耗與銅損。 
      通過改進電動機的繞組形式,可減少電動機的雜散損耗與銅損,提高電動機的效率。合適的繞組形式及槽配合,能夠消弱電動機的高次諧波,提高基波分布系數,提高繞組利用率,改善電動機的電磁性能,從而達到減少部分附加損耗、有功損耗的目的。實踐中采用以下方法對電動機繞組進行改造,可以收到很好的節電效果。   1)改同心繞組為等距鏈形繞組或叉式鏈形繞組。 
      將同心繞組為等距或叉式鏈形繞組后,由于其平均跨距比同心式繞組小,所以導線少,導線的有功損耗也就小,而導線把端部長度縮短后,漏磁場影響亦減小,因此其雜散損耗亦相應減少。 
      2)改單層繞組為雙層繞組 
      因雙層繞組產生的磁勢波形比單層繞組產生的磁勢波形更接近于正弦波,其產生的雜散損耗也就比單層繞組少,且改后的電動機的電磁性能,起動性能都比單層繞組電動機有所提高,故可將單層繞組的電動機改為雙層繞組的電動機,以達到降低損耗之目的。 
      3)縮小定子繞組的端部長度 
      定子繞組端部損耗約占電動機繞組總損耗的25%~50%。因此減少繞組端部長度,即可節約銅材,又可降低定子銅損。據測試,定子繞組端部長度減少20%,電動機效率可提高1.5%,為此設計繞線模時,應盡可能使繞線模端部尺寸短一些。 
      3.6對定子繞組重繞,降低老電機損耗。 
      1)老電機定子繞組的重繞 
      對于老電機產品,定子繞組重繞時,如按導線總截面積不變的原則去選擇代用導線時,由于槽內絕緣變薄,會使槽滿率大大降低,雖然嵌線容易,但會帶來不良后果。因此,老電機電子重繞時,應加粗導線線徑。由于電阻減小,會使銅耗降低,經計算加粗導線后,電機效率可提供1.5%~4%。 
      2)以銅線代替鋁導線的重繞 
      過去極小數電動機曾采用鋁導線,現在都改應改成銅導線重繞,一般可遵循保持定子銅損不變原則,即 
      式中:dcu,dAl-表示裸銅導線和裸鋁導線直徑,mm; 
      ρcu,ρAl-表示銅導線和鋁導線的電阻率,Ωm。 
      3)提高電機絕緣等級 
      老電機為A級絕緣,目前中小電機基本上為E級絕緣,隨著電機制造水平的提高,有必要把E級絕緣改為B級絕緣。這樣電機壽命延長了,電機安全可靠運行有了保障。另外,提高電機繞組絕緣等級可以顯著降低通風損耗,如由E級絕緣提高到B級,允許提高溫升5℃,可減少外冷卻風量20%左右,通風損耗將減半[Pf∝V3≈(0.8)3≈50%]。而由E級提高到F級,允許提高溫升25℃,風量幾乎可以減半,通風損耗降低更為顯著,僅是原來風耗的12.5%[Pf∝V3≈(0.5)3≈12.5%]。 
      4.0結束語 
      在我國電動機的實際應用中,由于設計余量、電機選型等方面的原因,電動機經常處于低負荷運行狀態,系統能效非常低,從節能降耗和工藝的要求上,均需要提高電機效能。降低電動機損耗,提高其效率是一個系統工程,要從設計、材料、合理使用等方面努力。實際上,某些措施往往受到相互制約,例如:為了降低銅耗,設計時力求電阻最小,但它反過來會影響電機的技術性能;為了降低鐵耗,一方面可增長鐵心,降低磁通密度,但受到起動性能的限制,另外一方面可采用優質和薄型硅鋼片作鐵心,但又會引起材料成本和制造成本的增加。因此,在確定電動機節能改造方案時,要兼顧各方面的因素。

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