变频调速系统与高效电机的节能分析

 电机高效节能的两种重要方式：变频调速系统与高效电机。分析了变频调速系统在风机与泵类负载中的节能原理与特点；高效电机提高效率降低损耗的措施，与普通电机区别的特点。 　　

1. 概述　　

 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*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%*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*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*省，节能效果非常明显。现在变频调速技术已成为*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**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。