《电机节能技术论》word版.doc

电机节能控制技术摘要：随着应用的时间推移更新淘汰低效电动机及高耗电设备；节能电动机概念和技术，合理匹配电动机系统，提高电动机效率；以先进的电力电子技术传动方式改造传统的机械方式，实现被拖动装置控制和设备制造；推广软启动装置、无功补偿装置、计算机自动控制系统技术、优化电动机系统的运行和控制。关键字：电机节能控制 节能 电动机1.感应电动机的轻载调压节能1.1调压节能原理及条件大部分异步电动机运行点并不在额定工况，有些负载是变动的，运行点常偏离额定点，有些由于选择电机容量偏大，长期运行于轻负荷工况。当负载小于额定值三分之一时,即俗称大马拉小车”，这时电机的效率和功率因数都很低而一般系列异步电机都是根据满载或四分之三负载的效率值作为设计的依据并没有顾及轻载点，因而轻载节能问题近年来为广大电机技术工作者所重视将对机床等负载的节电，提供了条件。调压节能的基本原理是利用电机轻载时效率很低这一点，降低输入电机端的电压运行，来提高电机效率。电压降低后，气隙主磁通大体上成正比下降，电机定子电流中的励磁分量电流a也随着下降，由于饱和程度的下降。1.2相控电动机节电器由于电动机在轻载或空载运行时，电动机电流主要是励磁电流，这时功率因数比额定负载时低。相控电动机节电器就是通过测量负载的功率因数，在电动机轻载时通过降低电压，减少励磁电流，从而达到节能的目的。根据三相电动机功率公式 ，要降低功率消耗可以通过减少电动机的U和来实现。实际上由于电度表安装在节电器的前端，因此测量的电压实际上并没有变化，因此要减少功率消耗，电动机电流和功率因数的乘积一定要下降，才能节电。由于在降低电压，减少励磁电流的同时，功率因数会上升，因此，电流降低的程度一定要大干功率因数上升的幅度，才能实现节能。从相控电动机节电器的原理来说，节电主要是降低电动机在低负载时的空载损耗，因此，空载损耗所占比例的大小就直接影响节电率的高低。因此（1）电动机效率越低，电动机的损耗就越大，则电动机的节电空间越大。（2）电动机功率与效率的关系 以Y系列电动机为例。电动机越小，效率越低，电动机越大，效率越高。同样功率的电动机转速越低，效率越低，转速越高，效率越高。由于电压降低，电动机鱼载不变，转差率增大，电动机输出功率也会有所减少，因此在实际测量过程中，节约的有功会比理论计算的要偏大。由于电动机的转矩与电压平方成正比，若电动机的转矩不变，则转差率近似地与电压的平方成正比。在采取降压节电时，只要转差率不超过电动机的临界转差率，将不会对电动机运行产生影响。2. 大型电动机的起动与电力系统稳定2.1大型电动机起动方式作为电动机起动问题的研究，在过去多数着眼于电动机的保护，与此不同的是，如今大型电动机从本体设计与制造而言，大多是允许全电压直接起动的， 因此对大型电动机起动的研究着眼点放在电机起动对电力系统的影响方面。目前还有些行业因特殊原因必须采用全压直接起动，这种情况一般都会配置非常大的电力供电系统或者是高阻抗的变压器电机机组。2.2 热变电阻降压起动方式热变电阻软起动器是一种新型的高压大功率电动机软起动装置。其主要技术特性是：电阻器是由具有负温度系数的电阻材料制成。电阻器串于电机定子回路，当电机起动，电阻体通过起动电流时，电阻体温度升高而阻值随之减小，从而使电动机端电压逐步升高，起动转矩逐步增加，以实现电机的平稳起动。起动电阻值，可以根据电动机参数和负载要求的起动转矩，能方便地配制到最佳的起动参数。即在较小的起动电流下，获得足够大的起动转矩。2.2.1采用高压热变电阻器降压起动的电动机有以下显著的起动特性：（1）恒电流软起动特性：在电机起动过程中，电流基本保持不变，数值在2.5Ie以下，且有显著的软起动特性。（2）起动过程中系统功率因数高且接近恒定：一般采用热变电阻降压起动的电动机系统功率因数都在0.8以上，且整个起动过程接近于恒定不变的。（3）母线压降低：由于上述1、2特性，使电机起动对电力系统的影响降到最低，母线压降在5%左右。2.3高压变频软起动装置在石化、冶金、电力等工业领域的大型电动机或抽水蓄能的大型电动发电机常采用变压变频软起动方式。高压变频软起动方式主要还是针对风机、压缩机及泵类设备的电动机起动而研制的，起动过程中这些机械阻力矩较低，或者可以通过调节风门、阀门来改变降低起动阻力矩，从而可以降低对电机起动力矩的要求，一般情况下，要求电机起动力矩为额定的50%左右就足够了。高压变频软起动装置实际上是一个直接转矩控制的交直交电流型VVVF变频器。 当输出频率从0Hz（同步起动）或5 Hz（异步起动）逐步升高到50 Hz，电机转速从0转速逐步升高到额定转速，实现电动机的软起动。一般情况，起动电流控制在额定电流的50%以内。3. 感应电动机的变频软起动技术3.1同步电动机软起动原理下面以西门子公司高压变频软起动为例介绍. 控制系统采用SIMADYN D计算机控制系统。SIMADYN D是西门子变频器的核心技术。同步电动机软起动原理是采用交一直一交变频技术。变频设备为电流型，即在直流环节有一个较大电感的直流电抗器，既有滤波功能又能当逆变侧发生短路故障时， 由于电抗器的存在，电流不会发生突变，而电流调节器会迅速响应，使整流电路的晶闸管触发角后移， 电流将被限制在安全范围内。由于电源采用三相桥式整流电路，逆变器输出电流的谐波成份很大，会引起电机额外的发热和转矩的脉动。另外变频装置还会产生较大的共模电压，进而影响电机的绝缘。为解决上面问题，该系统采用l 2脉冲整流技术。在软起动过程中，还采用了直流脉动技术。同步电动机的转子中由于外加励磁电流，在转子转动时电机定子中将产生感应电势， 当这个电势反向作用于逆变侧的晶闸管时，晶闸管会关断，利用这个电势就可实现逆变晶闸管的自然换相。但是在当电机转速很低时(例如5ne以下)，电机的定子电势很低，不能使晶闸管关断实现自然换相。为了解决这个问题，采用了直流脉动技术。也就是说电动机启动初期，电机转速低于5n e期间，当逆变器的晶闸管需要换相时，设法使逆变器的电流降低到零，使逆变器的晶闸管暂时全部关断，然后将根据触发的顺序给应导通的晶闸管加上脉冲。恢复直流电流时， 电流将按触发的顺序流经新导通的晶闸管，从而实现从一相到另一相的换相。由于逆变器晶闸管顺序导通， 直流电流顺序地流过电动机定子的相应绕组，并产生合成磁场，这样绕组电流不断的变化必将在电机中产生一个旋转磁场，带动转子旋转， 转子旋转的速度由逆变器的触发周期确定， 当电机转速达到5n e以上时， 电机定子产生的电势足够大时， 逆变器的晶闸管采用自然换相，这样电机转子产生的启动转矩将使电机继续不断地提高转速，一直到9 5n e时，电机将并网拉人同步(符合并网条件时)。变频器退出系统，从而实现同步电机的软启动。32变频器及其功率部分组成主要包括：(1) 进线侧的整流器和电机侧的逆变器，使用的都是全控三相桥；(2) 变频器的整流侧与逆变侧都无熔断器；(3) 晶闸管用光纤间接触发，每个晶闸管都有反馈信号；(4) 逆变器侧装有LEM 的电子互感器(在各频率范围内都有高精度的直流电流互感器)；(5) 直流环节的电抗器具有足够大的电感量，用以降低电流的纹波和限制电流变化率；(6) 在变频器的进线和出线端都装有过电压限制器；(7) 启动变频变压器，为与电网电压和电机电压有一个优化的匹配，需在变频器的输入与输出端配置变频变压器，其中：降压变压器(进线侧)，树脂浇注干式三绕组变压器， 10.OkV229kV，50Hz，U l35：升压变压器(电机侧)，树脂浇注干式三绕组变压器， 2 x 29kV100kV，50Hz，Uk=85。系统的控制器使用的SIMADYN D控制系统，该系统是一个全数字化可自由配置带多微机系统，专门用于系统的计算和快速的开闭环控制。5高效电动机节能原理和技术措施5.1降低发热损耗：（1）优化电机内电与磁的合理匹配；（2）选用优质的绕组材料；（3）选用损耗与磁性能匹配合理的铁芯材料；（4）有效增大铜面积。5.2降低杂散损耗：（1）合理设计齿槽关系和气隙；（2）可靠的制造工艺减少磁场琦变。5.3降低风磨损耗：降低风磨损耗合理的轴承结构和滑设计；降低通风损耗：（1）提高热传导效率；（2）提高自然对流散热能力，减小通风量需求；（3）提高冷却与热的交换效率；（4）提高冷却风扇的效率。电动机节能的原理是通过对电动机的电、磁、机械和通风的优化，优质材料及先进制造工艺的使用，并结合先进全面的试验及测试手段，切实有效地降低电动机的各方面损耗。6.电动机的节能措施6.1开关磁阻调速电机系统SRD特点：效率高，节能效果好。在所有的调速和功率范围内，SRD整体效率比交流异步电动机变频调速系统（简称变频调速）至少高3%以上，在低速工作的状态下其效率能够提高10%以上。与直流调速、串级调速、电磁调速等系统相比，SRD节电效果更明显。 起动转矩大，特别适合于那些需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合。SRD控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧可得到较大的起动转矩，起动转矩达额定转矩的150%时、起动电流仅为额定电流的30%，比之交流电动机的300%电流获得100%的转矩的性能，优势非常明显。 调速范围广。SRD电机可以在低速下长期运行。由于效率高，在低速下的温升程度比额定工况时还要低，解决了变频调速低速运行下电机发热问题。此外，SRD电机最高转速不会像交流电动机那样受极数的限制，可以根据实际需要灵活地设定最高转速。可频繁正、反转，频繁起动、停止，系统调控性能好，四象限控制灵活，因此，非常适合于龙门刨床、可逆轧机、油田抽油机、螺旋压力机等应用场合。制动性能好，能实现再生制动，节约电能效果显著。（1）新购电动机，应首先考虑选用高效节能电动机，然后再按需考虑其他性能指标，以便节能电能。（2）提高电动机本身的效率，如将电动机自冷风扇。可在负荷很小或户外电动机在冬季时停用冷风扇，有利于降低能耗。（3）将定子绕组改线成星三角形星混合串接绕组，按负荷大小转换星形接法或三角形接法，有利于改善绕组产生的磁动势波形及降低绕组工作电流，达到高效节能的目的。（4）采油其他连续调速运行方式，如使用调速器、变极电动机、电磁耦合调速器、变频调速装置等。（5）更换“大马拉小车”电动机，电动机“大马拉小车”除了浪费电能外，极易造成设备损坏。另外，合理调整电动机配套使用，可使电动机运行在高效率工作区，达到节能的目的。（6）合理安装并联低压电容器进行无功补偿，有效地提高功率因数，减少无功损耗，节约电能。（7）从接火处通往电能表及通往电动机的导线截面应满足再流量，且导线应尽量缩短，减小导线电阻，降低损耗。（8）缺相与过负载时仍可工作。出现电源缺相、电机或控制器任一相出现故障时，SR电动机输出功率减小，但仍然可以运行。当系统超过额定负载120%以上时，转速只会下降，而不会烧毁电机和控制器。 以上措施可以分别采用，也可以多项采用。总之，对电动机采取一些必要的技术节能措施，有利于电网的承荷能力，也有利于用户节省电费。电动机在将电能转换为机械能的时候，本身也消耗一部分能量。这些损耗一般可分为绕组损耗、铁芯损耗、风摩损耗和负载杂散损耗。 电动机的效率是有效输出功率与输入功率之比。有效输出功率是输入功率与电动机本身功耗之差。有效地减少自身功耗可以达到提高电动机效率的目的。高效电动机（YX、YX 等系列）通常指高效率三相异步电动机。效率水平能达到或超过电动机能效国家标准（GB18613-2002）所规定的节能评价值的电动机。电动机能效国家标准是“中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值”，国标号为GB18613-2002。由国家质量监督检验检疫总局于2002年1月10日发布，2002年8月1日实施。能效限定值是电动机最低效率允许值，是强制性指标；节能评价值是高效电动机的认定值，是推荐性指标。1 陆安定，陈渭电动机节能改造实用手册M. 上海上海科学技术出版社，1994 2 雷铭等.节约用电手册M.北京:中国电力出版社,2005. 3 张自学，兆文清，王钢国内外新型抽油机M.北京:石油工业出版社，1994 4 刘洪智，兆文清异形游梁式抽油机M.北京石油工业出版社，1997.