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变频调速系统与高效电机的节能分析
内容简介:本文详细的分析了变频调速系统在风机与水泵负载中通过改变频率进行速度控制,达到节能的目的,高效电机降低损耗等措施,有效提高电动机效率。这对于我国贯彻节能减排国策,节约能源,提高企业经济效益无疑具有巨大的意义。
  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. 引言
  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%,全年至少可节电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%至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,目前用得最多的是对风机、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,运行能耗最省,节能效果非常明显。现在变频调速技术已成为最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完美运用到核心部件上,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。
  4. 结束语
  本文详细的分析了变频调速系统在风机与水泵负载中通过改变频率进行速度控制,达到节能的目的,高效电机降低损耗等措施,有效提高电动机效率。这对于我国贯彻节能减排国策,节约能源,提高企业经济效益无疑具有巨大的意义。
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