《电机系统节能概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机系统节能概述（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、培训讲义 1电机系统节能概述赵昭电机作为水泵、风机、空压机、制冷压缩机等各种设备的动力，是一种将电能转换为机 械能的转换装置，广泛应用于冶金、化工、纺织、造纸、交通、建筑、矿山、食品等行业， 属于量大面广的通用标准产品。据业内有关专家估算，我国电机的总装机容量己达 5 亿多 kW年耗电量达1万亿kwh以上，约占全国用电量的10%,占全国工业用电量70%左右。 在我国大、中、小各类在用的电机中，三相异步电动机用电量占电动机总用电量的 90%左 右；37kW及以下电动机占电动机总装机数95%以上、占电动机总用电量的50%左右。我国电机的能效现状 我国有一定规模的中小电机生产企业有300家左右，生产
2、的中小型电机有300个系列， 1500个品种，产品以一般效率的Y、Y2、Y3系列和高效率的Y2-E、YX3系列，其中Y系 列电机为我国80年代产品，Y2系列为90年代产品，Y3系列基本达到了 21世纪初国际同 类的先进水平，可达到欧洲能效标准的eff2水平，目前属于全国推广产品。YX3系列基本 可达到欧洲能效标准的eff1水平，同时达到GB18613-2006中小型三相异步电动机能效限 定值及能效等级中能效等级1 级要求。我国可生产Y2-E、YX3系列及其它多种型号的高效电机，并能批量出口到欧美，说明 我国的电机制造水平目前大公司已达到世界先进水平。我国使用的电机 70%以上均是中小 交流电机
3、，主要集中在3kW至90kW，平均效率为89.3%。高效电机的平均效率可达94%。 我国中小型交流电机占电机总量的70%，每年新增中小型电机的损耗约为78.6亿kWh，如 使用高效电机，可节能950万kW；如将旧电机全换为高效电机，可节能550万kW。高效 电机的投资回报，以55kW电机为例，回收期为1.06 年;以22kW电机为例，回收期为1.48 年。我国于2002年出台第一部有关电机的能效标准：GB186132002中小型三相异步电 动机能效限定值及节能评价值， 2004年国家发展和改革委员会制定了节能中长期专项规 划，把高效节能电动机列入第十一个五年计划中的重点节能推广项目，同时于 2
4、005 年 6 月对GB18613标准进行修定。2006年8月发布了 GB186132006中小型三相异步电动机 能效限定值及能效等级标准。该标准参考了欧盟EUCEMEP协议、澳大利亚与新西兰AS/NZS 1359.5同类标准， 直接采用了欧洲eff1和eff2的效率标准。该标准根据我国电动机生产和使用的现状，对电 动机的效率水平进行了 3个等级的分级，即Eff1 ,Eff2和Eff3。标准规定Eff3为能效限定值 （最低效率值），效率Eff2值在GB186132006标准实施之日4年后开始执行（2010年12 月），并替代 Eff3 的电机能效限定值，成为我国电机最低效率保证值。电机系统包括
5、电动机、被拖动装置、传动系统、控制系统以及管网负荷等，电机系统 一首先是通过电动机将电能转化为机械能，再通过被拖动装置做功，实现所需的各种功能。 电机系统节能潜力大，主要表现为：（1）电机及拖动设备效率低；（2）系统运行效率低。系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重。四 电动机提高效率的措施电机的节能是一项系统工程，涉及电动机的全寿命周期，从电机的设计、制造到电动机 的选型、运行、调节、检修、报废，要从电机的整个寿命周期考虑其节能措施的效果，国内 外在这方面主要考虑从以下几个方面提高电机的效率。节能电机的设计是指运用优化设计技术、新材料技术、控制技术、集成技术、试验检测 技术等现代设计手段，减
6、小电动机的功率损耗，提高电动机的效率，设计出高效的电机。电机在将电能转换为机械能的同时，本身也损耗一部分能量,典型交流电机损耗的分布 见表 3，表 4。这些损耗一般可分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分。可变损耗是随 负荷变化的，包括定子电阻损耗（铜损）、转子电阻损耗和电刷电阻损耗；固定损耗与负荷 无关，包括铁芯损耗和机械损耗。铁损又由磁滞损耗和涡流损耗所组成，与电压的平方成正 比，其中磁滞损耗还与频率成反比；其他杂散损耗是机械损耗和其他损耗，包括轴承的摩擦 损耗和风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗；其主要提高效率的措施有：表3 交流电机的损耗及比例电机的损耗占总损耗的比例电机的损耗占总损耗
7、的比例定子绕组铜耗35 40通风摩擦损耗510转子绕组铜耗15 25杂散损耗10 15铁芯损耗15 25表 4 标准感应电机中满载时的损耗分布损耗分布50 hp感应电机标准电机的平均损耗（ ）W损耗（）标称损耗定子绕组铜耗1540380.0437转子绕组铜耗860220.0218铁芯损耗65200.0220机械损耗30080.019附加杂散损耗452120.0116电机总损耗39171000.01输出功率37300输人功率41272效率（）90.5电机定子绕组电阻损失：降低电机定子绕组的电阻是减少定子损失的主要手段，实践中 采用较多的方法是：（1）增加定子槽截面积，在同样定子外径的情况下，增加
8、定子槽截面积 会减少磁路面积，增加齿部磁密；（2）增加定子槽满槽率，这对低压小电机效果较好，应用 最佳绕线和绝缘尺寸、大导线截面积可增加定子的满槽率；（3）尽量缩短定子绕组端部长度， 定子绕组端部损耗占绕组总损耗的1/41 /2,减少绕组端部长度，可提高电机效率。实验表明, 端部长度减少 20%,损耗下降 10%。电机转子绕组电阻损失：电机转子的损失主要与转子电流和转子电阻有关，相应的节能 方法主要有：（1）减小转子电流，这可从提高电压和电机功率因素两方面考虑；（2）增加转 子槽截面积；（3）减小转子绕组的电阻，如采用粗的导线和电阻低的材料，这对小电机较有 意义，因为小电机一般为铸铝转子，若采
9、用铸铜转子，电机总损失可减少 1015，但 目前铸铜转子所需制造温度高且技术尚未普及，其成本高于铸铝转子1520.电机铁耗损失：电机铁耗损失可以由（1）减小磁密度，增加铁芯的长度以降低磁通密 度，但电机用铁量随之增加；（2）减少铁芯片的厚度来减少感应电流的损失，如用冷轧硅钢 片代替热轧硅钢片可减小硅钢片的厚度，但薄铁芯片会增加铁芯片数目和电机制造陈本（；3） 采用导磁性能良好的冷轧硅钢片降低磁滞损耗；（4）采用高性能铁芯片绝缘涂层；（5）热处 理及制造技术，铁芯片加工后的剩余应力会严重影响电动机的损耗，硅钢片加工时，裁剪方 向、冲剪应力对铁芯损耗的影响较大。顺着硅钢片的碾轧方向裁剪、并对硅钢冲
10、片进行热处 理，可降低10%20%的损耗等方法来实现。电机杂散损失：目前对电机杂散损失的认识仍然处于研究阶段，现今一些降低杂散损失 的主要方法有：（1）采用热处理及精加工降低转子表面短路；（2）转子槽内表面绝缘处理；（3）通过改进定子绕组设计减少谐波；（4）改进转子槽配合设计和配合减少谐波，增加定、 转子齿槽、把转子槽形设计成斜槽、采用串接的正弦绕组、散布绕组和短距绕组可大大降低 高次谐波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代传统的绝缘槽楔、用磁性槽泥填平电机定子铁芯槽 口，是减少附加杂散损耗的有效方法。电机摩擦损失及流动损失：摩擦损失和流动损失以往未得到人们应有的重视，它占电机 总损失的 25左右。摩
11、擦损失主要有轴承和密封引起，可由（1）尽量减小轴的尺寸，但需 满足输出扭矩和转子动力学的要求；（2）使用高效轴承；（3）使用高效润滑系统及润滑剂； （5）采用先进的密封技术，如有无弹簧的新密封使用情况的报道，称通过有效减少与轴的 接触压力，可使以6000 rpm转动的45mm直径的轴降低损耗近50 W；流动损失是由冷却风 扇和转子通风槽引起的，用于产生空气流动来冷却电机。流动损失一般占电动机总损失的 20左右。整个电动机的流体力学及传热学分析较复杂，其复杂程度甚至超过航天飞机部件 分析，好的流体力学和传热学设计会极大提高电机的冷却效率并降低流动损失。美国于本世纪初又出现了更高效率的所谓“超高效
12、电机”。一般而言，高效电机与普通电 机相比，损耗平均下降 20%左右，而超高效电机则比普通电动机损耗平均下降 30%以上。 因为超高效电机的损耗较高效电机有更进一步下降，因此对于长期连续运行、负荷率较高的 场合，节能效果更为明显。要实现从普通电机到超高效电机的效率提高，除了增加硅钢片和 铜线的用量以及缩小风扇尺寸等措施外，还必须在新材料的应用、电机制造工艺以及优化设 计等方面采取措施，以控制成本和满足电机结构尺寸的限制。国外很多企业在这些方面开展 了积极的研究，并取得了一些进展。一般电工钢片经加工成铁心压装入机座后，铁耗大幅度 增加，而英国 Brook Hansen 公司与钢厂合作，应用一新研
13、制成功的电工钢片，加工成铁心 制成电机，铁耗在加工前后变化不大。日本东芝公司是美国高效电机和超高效电机的主要供 货商之一。该公司声称由于改进了制造工艺和采用新材料，使高效电机的成本下降了30， 所采取的措施包括:应用特殊的下线工具，提高定子槽满率，增加铜线的截面积;提高制造精 度，缩短间隙长度，从而减小励磁电流及其所引起的铜损;采用转子槽绝缘工艺，降低杂散 损耗;采用激光铁心叠压工具，使铁损下降。由于铜比铝的电阻率降低 40%左右，所以如果 用铸铜转子代替铸铝转子，电机总损耗将可显著下降。近年来，国际铜业协会在美国能源部 的支持下，进行了压力铸铜工艺的研究，目前已解决高温模具的材料以及相关的压
14、铸工艺问 题，从而使得有可能较经济地批量生产铸铜转子电机。2003 年 6 月，德国 SEW Eurodrive 公司已运用此项压铸技术成功地推出了采用铸铜转子的齿轮电动机系列。意大利科技教育部 组织相关机构开展了铸铜转子和铸铝转子的性能数据对比试验项目。该项目由意大利 LAFERT电机公司、Thyssen Krupp钢铁公司和法国FAVI铸铜公司合作进行。试验在不改变 定、转子槽形，仅改变磁性材料和长度的情况下进行，所得的数据表明，采用铸铜转子，可 使电动机的能耗在原有基础上降低15%25%,电机效率可提高2%5%。但由于转子电阻 降低会引起启动转矩下降，因此在设计时应进行其他参数的调整，以
15、使之在提高效率的同时， 满足其他主要性能指标。目前国内电机系统节能改造的技术途径主要有以下几个方面：一是加速更新淘汰落后设 备；二是改进电机拖动系统调节方式,推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术,合理 匹配电机系统,消除“大马拉小车”现象；三是优化电机系统的运行和控制,推广软启动装 置和无功补偿装置,通过过程控制,合理配置能量,实现系统经济运行。一、普通电机的工作特性电动机应用广泛,种类繁多。按工作电源种类划分为直流电动机和交流电动机；按结 构和工作原理划分为异步电动机和同步电动机；按起动与运行方式划分为电容起动式单相异 步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步 电动机；按转子的结构划分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。从行业应用的角度出 发,可简单地将电机分成两类,即普通电机和专用特种电机。正确了解电机的特性曲线,保 证运行在最佳的工作状态,是减少损耗的重要措施。(一) 异步电动机的工作特性 异步电动机的工作特性是指电动机在额定电压和频率下的转速、电流、电磁转矩、功率 因数、效率等与电机的轴输出机械功率之间的关系，一般用曲线描述。1.转速特性 n=f(P)2电流特性曲线I=f (P),空载电流约占额定电流的1/51/3。3. 转矩特性曲线T=f (P)4. 功
