电机节能改造技术

电机节能改造技术调速节能原理从二个方面来说明： 1、风机水泵的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量，这是一个节电的有效途径。在用档风板控制额定风量Q1=100%输出时，则轴功率N1与面积AH1 OQ1成正比，若风量减半Q2 =50%输出时，则轴功率N2与面积BH2 OQ2成正比，它比N1减少不多，这是因为需要克服档风板阻力增大风压所致。如果采用调速控制同样风量减半输出时，转数由n1降至n2，按风机参数比例定律画出n2时的特性曲线，C点为新的工矿点，这时轴功率N2与面积CH3OQ2成正比，在满足同样风量Q2情况下，轴功能降低很多，节省的功率耗损N与面积BH2H3C成正比，可见节电效果十分显著。 2、流体力学的观点 流量转速，压力转速2，轴功率转速3，若转速下降20%，则功率下降到51.2% ；若转速下降50%，则轴功率下降到12.5% ，即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。 为此，许多行业、如钢铁、有色、石油、石化、化工、纺织、机械、电力、建材、医药、煤炭、造纸、卷烟、酒店、自来水等行业都在许多设备中采用交流电机变频调速技术，产生节电及增产的效果，下面举几个例子： 实例 1、空调类负载 家庭用空调只有0.5HP、1HP、2HP、3HP等，而工厂和宾馆的空调容量要大的多，节电明显。北京丽都假日饭店动力中心是一个集中供冷、供热的工厂，安装有 20吨/小时蒸汽锅炉3台，300万大卡溴化锂制冷机4台，负责动力厂周围的丽都假日饭店、燕翔饭店、新万寿宾馆、国际学校、日本学校、德国学校及丽都饭店宿舍、托儿所、公园等涉外饭店、宾馆、公寓、学校的供热、供冷，供热面积30万平方米、供冷面积20万平方米。91年，对水泵制冷机、引风机采用变频控制，节电明显，一般在3060%，年节电17.5万KW，优于其他调速方式。广州市鸣泉居度假村在冷热水、喷泉等设施上采用了变频调速控制，节电效果非常好。我们深圳市的东华假日酒店的空调也采用了变频调速，节电显著、房间温度适度。 实例 2、泵类负载 泵类负载，量大面广，包括水泵、油泵、化工泵、泥浆泵、沙泵等，有低压中小容量，也有高压大容量。 茂名石化公司炼油厂从1990年开始先后在蒸馏、裂解、加氢、糠醛、酮笨等20多条生产线上使用161台变频调速装置。变频器总功率达8091KW。1990年10月至1992年2月对其中30台泵进行测试，在同等工艺下，采用调节阀控制耗电999.9KW，而采用变频调速电耗为396.7KW，节电603.2KW,节电率60.3%。采用变频控制时，电机和泵的转数下降，轴承等机械部件磨损减低，泵端密封系统不易损坏，电机故障率降低，维修工作量大为减少。94年后，该厂又采用了14套6KV大容量变频装置，节电40%到70%。1995年11月14日中国石化报第一版“茂名石化公司炼油节能居同行前面”文章称“仅通过变频调速技术一年就节电2000万千瓦时”。深圳梅林水厂首期设计日供水能力为60万立方米，八套离心水泵有4套采用了高低高型变频调速装置，95年节电83万度。深圳市益力矿泉水公司也在水泵上安置变频调速装置，取得了较好的节电效果。实例 3、电梯高架游览车类负载 由于电梯是载人工具，要求拖动系统可靠，又要频繁的加减速和正反转，电梯动态特性和可靠性的提高，便增加了电梯乘坐的安全感、舒适感和效率。过去电梯调速直流居多，近几年逐渐转为交流电机变频调速，无论是日本，还是德国。我国不少电梯厂都争先恐后的用变频调速来装备电梯。如上海三菱、广州日立、青岛富士、天津奥的斯均采用交流变频调速。不少原来生产的电梯也进行变频改造。许多人坐过深圳世界之窗的单轨高架游览车，该车行驶中频繁起动、停车、上坡、下坡，并要求起停平稳，车速恒定。由于是载人车，运行必须安全可靠，常年日晒雨淋，环境恶劣。以往要求调速性能高的传动装置，多采用带测速反馈的矢量控制系统，价格较高。为了降低价格，并维修方便，我们采用了通用型变频器转矩矢量控制方式，成功解决了起动 /加速、停车/减速、恒速/变速行驶等，并防止了“下滑”、“冲站”现象的产生，达到了安全可靠，用户非常满意。这次改造是由我们深圳华能电子有限公司完成的。案例 4、搅拌机类负载 化工、医药行业搅拌机非常之多，采用变频调速取代其他调速方式，好处特多。东北制药厂氢化发酵岗位共有 8台6.5吨发酵罐，电机功率为18.5KW，原为齿轮调速，如遇搅拌速度变化需拆卸三角皮带，既笨重又不安全。改用变频调速后，年节电8.6万KW，发酵过程明显好转，提高了产品质量，减少了维修，仅减少三角带费用就节省3万元，减少了工人劳动强度，有益于工厂，有益于工人。又如：石家庄华曙制药厂用10套315KW变频器拖动搅拌机在制药工艺中生产土霉素。 实例 5 、注塑机类负载 注塑机是塑料加工成型的关键设备，数量多，耗电大。过去的节电方式多为通过型转换 Y 型（星型）来节电的，效果一般。采用变频器调速不改变注塑机原来的结构，控制油泵几个过程的压力或流量（如锁模、合模、射胶、保压、脱模、退模等），可节电20%52%，较好的取代过去的比例阀节流调速方式，大幅度降低能耗，珠三角的不少注塑厂都进行了变频改造。改造注塑机时，要注意合模加速，否则产量降低；注意输入端和输出端的谐波干扰。 实例 6 、污水处理等环保类负载 环境保护越来越被重视，它关系到人类赖以生存的环境，连申奥也有环境指标。于是乎清洁能源、绿色城市均出现了。变频调速可用在三个方面的环保类负载。一是工业污水处理，二是垃圾电厂，三是工业排烟、排气、除尘的控制。如广州炼油厂，改用曝气机污水处理的搅拌设备，采用笼式电机变频调速后，提高产品可靠性，节电40%以上，同时提高了活性污泥微生物群的寿命，提高了污水处理的效果。再如佛山垃圾电厂在工艺中选用52台变频器。可见变频调速已成为环境保护的主要设备。中国石化总公司制定一个熄灭火炬（主要指大炼油厂的可烧气体）计划，即是把可燃气体输送到用变频调速的压缩机柜回收。实例7、音乐喷泉类负载 非常招揽游人的音乐喷泉，其水的高低和量的大小是靠变频控制的。亚洲喷水最高的广东河源市音乐喷泉和规模很大的山东济南泉城广场音乐喷泉均属于此，即节电又效果颇佳，在施工音乐喷泉时，要注意变频器谐波对控制系统的干扰。实例 8、卷烟机类负载 卷烟行业过去进口的卷烟机，不论莫林8、还是莫林10，均非无级调速。因而，在卷烟行业主要是解决无级调速和可靠性问题，技术简单，变频器用法简单，收效极大。 昭通卷烟厂十九台进口的格兰特4卷接包装联合机组采用变频调速后，日增产香烟200 箱，200箱香烟的利税相当19台变频器的价格，即一天收回投资。因而，卷烟机改造迅速，受益很大。现在国产的烟机大部分都装备了变频调速功能。实例 9 、大型窑炉煅烧类负载 冶金、建材、烧碱等大型工业转窑（转炉）以前大部分采用直流、整流子电机、滑差电机、串极调速。由于这些调速方式或有滑环、或效率低，近年来，不少单位采用交流变频控制，效果很好。 株州冶炼厂锌浸出渣挥发回转窑是回收锌的主体设备，共有三台。窑外径2.8米，长44 米，原用正流子电机和滑差电机拖动，故障多，经常跳闸，维修量极大。由于现场环境恶劣，导电尘埃多，电机火花不断。刷握、碳刷更换不断，90年小修56 次，更换碳刷1670只，刷握647只，严重的影响了生产。91年6月该厂完成了回转窑的变频调速改造。运行平稳、可靠、操作简单，没有发生因电机拖动故障而影响生产。年节电12万度，超产117.82万元。唐山碱厂轻灰煅烧炉是纯碱生产关键设备，直径3.6米，炉身长30米，总重266 吨，采用 220KW变频器拖动，低频启动好，旋转稳定，可靠性高，提高了产品质量，使该煅烧炉的生产进入全国先进行列。 实例 10 、吊车、翻斗车类负载吊车、翻斗车等负载转矩大且要平稳，正反频繁且要可靠。变频装置控制吊车、翻斗车满足这些要求。 独子山石化厂酮苯车间为三台过滤器的安装而设置一台20吨桥式起重机，工艺要求防爆，采用防爆笼型电机。原生产的吊车主钩、辅钩、大车、小车无调速功能，不能定位。力矩小，吊起物体下滑，无法吊装19吨重的过滤器机座，使该车间晚开工一年多，损失千万元。91年7月采用变频调速加制动功能，使主钩、辅钩、大车、小车五台电机由一台变频器控制，效果很好。过载试验吊起22吨，很快把3台各重40吨的过滤机安装在10米高二层平台的机位上。 码头港机、车站龙门吊、货场堆取料机等都可以采用变频调速装置，以达到可靠、平稳、节电、少维修的目的。 变频调速装置，除节电显著外，还是某些生产工艺中必需的设备。变频调速除节电外，还有增产、降耗、优质的效果。由于它具有体积些重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便等优点，深受使用人员欢迎，变频调速确是节能、降耗、优质、高产的理想设备，是迈入21世纪的首要的传动技术，利国利民。五、电机节能改造带来的效益中国的电能以火电为主，而火电燃料中煤炭占到75%，所以，这条项目线实施获得的环境效益是按照节约煤炭的折算量计量，虽然比直接节约煤炭燃烧污染物减排量稍小，但仍可减排大量温室气体CO2，有益于缓解全球气候变暖，还可以减排大量酸雨气体SO2和总悬浮颗粒物，可以改善地区的生态环境。对以高耗能电机为主要产品的企业来说，日子开始变得越来越艰难。一个月后开始实施中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级标准意味着只有达到相关节能标准的电机企业才能拿到市场的通行证。这项强制性标准规定了中小型三相异步电动机的能效等级、能效限定值、目标能效限定值、节能评价值和试验方法。 调查了解到，目前中国电动机消耗的电量约占全国用电量的，而中小型电动机占到全国电动机功率的，若把中小型电动机的效率平均提高一个百分点，一年可节电多亿。由此可见，电动机的节能潜力巨大，提高中小型电动机的能源效率是工业终端设备节能的一个重要方面。 除此之外，电动机能效水平的提高所带来的电能节约还可以大大减少温室气体的排放，因此电动机节能工作对于环境和自然资源的保护将发挥重要的作用。平均每三年举办一次的全球电机系统能效论坛第一次把会议的地点选在中国，表明了中国电机产品耗能问题正在引起世界的关注。第五届全球电机系统能效论坛（）给笔者提供的资料显示，如果在年全部使用高效电动机，我国每年可以减少向大气排放亿吨，万吨。电动机能效水平的提高不仅能够带来电能的节约，还可以提升电动机制造厂商的产品竞争力，扩大出口，促进电动机行业的发展；推动技术与装备的科技进步，拉动国民经济的增长。 有关专家透露，在这样的形式下，中国的电机生产企业必须要了解到关于提高能源利用效率的更多知识及其行业的发展方向。在我国，电动机系统是一个面广量大的应用产业。其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的、和。从全球范围看，电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的左右。因此，电机系统效率的提高，对节约电能意义十分一、概述 电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国的总装机容量约为4亿千瓦，年耗电量约为6000亿kwh，约占工业用电的7080%。我国以中小型电机为主，约占80%，而中小型电机耗损的电量却占总损耗量的90%。电机在我国的实际应用中，同国外相比差距很大，机组效率为75%，比国外低10%；系统运行效率为3040%，比国际先进水平低2030%。因此在我国中小型电机具有极大的节能潜力，推行电机节能势在必行。 由于异步电机结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠，可用于恶劣的环境等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。特别是对各行各业的泵类和风机的拖动上非彼莫属，因此，拖动泵类和风机的电机节能工作倍受重视。 随着科学技术的飞速发展，特别是电力电子技术、微电子技术、自动控制技术的高度发展和应用使变频器的节能效果更为显著。它不但能实现无级调速，而且在负载不同时，始终高效运行，有良好的动态特性，能实现高性能、高可靠性、高精度的自动控制。相对于其它调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、交流串级调速等），变频调速性能稳定、调速范围广、效率高，随着现代控制理论和电力电子技术的发展，交流变频调速技术日臻完善，它已成为交流电机调速的最新潮流。变频调速装置（变频器）已在工业领域得到广泛应用。 使用变频器调速信号传递快、控制系统时滞小、反应灵敏、调节系统控制精度高、使用方便、有利于提高产量、保证质量、降低生产成本，因而使用变频器是厂、矿企业节能降耗的首选产品。 变频电机节电器是一种革命性的新一代电机专用控制产品，基于微处理器数字控制技术，通过其内置的专用节电优化控制软件，动态调整电机运行工程中的电压和电流，在不改变电机转速的条件下，保证电机的输出转矩与负荷需求精确匹配，从而有效避免电机因出力过度造成的电能浪费。 交流电动机是当前应用最广泛的电机，约占各类电动机总数的85%，它具有结构简单、价廉、不需维护等优点，但它的弱点是调速困难，因而在许多应用场合受到限制或借助机械方式来实现调速。 变频器就负载类型而言主要有两方面的典型应用：1、恒转矩应用；2、变转矩应用。就应用的目的而言主要有：1、以改进工艺为主要目的，确保工艺过程中的最佳转速、不同负载下的最佳转速以及准确定位等。以其优良的调速性能，提高生产率、提高产品质量、提高舒适性，使设备合理化，适应或改善环境等。2、以节能为主要目的以流量或压力需要调节的风机、泵类机械的转速控制来实现节能，改造效果非常显著。 二、 变频调速的原理 在企业所使用的耗电设备中风机、水泵、空压机、液压油泵、循环泵等电机类负载占绝大多数。由受到技术条件限制，这类负载的流量、压力或风量控制系统几乎全部是阀控系统，即电机由额定转速驱动运转，系统提供的流量、压力或风量恒定，当设备工作需求发生变化时，由设在出口端的溢流、溢压阀或比例调节来调节负载流量、压力或风量、从而满足设备工况变化的需要。而经溢流溢压阀或比例调节阀溢流溢压后，会释放大量的能量，这部分耗散的能量实际上是电机从电网吸收能量中的一部分，造成了电能极大的浪费。从这类负载的工作特性可知，其电机功率与转速立方成正比，而转速又与频率成正比。如果我们改变电机的工作方式，让它不总是在额定工作频率下运转，而是改由变频调整控制系统进行启停控制和调整运行，则其转速就可以在02900r/min的范围内连续可调，即输出的流量、压力或风量也随之可在0100%范围内连续可调，使之与负载的工作需要求精确匹配，从而达到节能降耗的目的。 交流电机转速如下：n=60f(1-s)/p 式中：n=电机转速 f=电源频率 p=电机的极对数 s=转差率 由式可见，交流电动机的同步转速n与电源频率f成正比，所以改变电源频率就能改变电机转速，从而实现调速的目的。 三、 变频调速节电原理 变频调速节电，顾名思义，变频调速才能节电。下面主要对两类典型负载应用的节电原理作一下分析。 （1）、恒转矩负载类应用 恒转矩负载即不管转速如何变化，负载转矩是恒定的。 如下公式：P=K*T*N K=系数 P=轴功率 T=负载转矩 N=转速 从上述公式可以看到，轴功率与电机的转速成正比，当由于工艺的需要而调整电机速度时，自然可以达到相应比例节电的目的。 （2）、变转矩负载类应用 离心风机、泵类是属于典型的变转矩负载，其工作特点是：大多数是长期连续运行，由于负载转矩与转速的平方成正比，所以一旦转速超过额定转速，就会造成电机的严重过载，因此风机、泵类一般不超过额定频率运行。 四、产品特性 节电效益显著，节电率高达20%60%； 平滑启动，消除启动时的冲击电流，启动时电机电流可限制在其额定电流的150%之内； 减少电机发热及运动部件的磨损程度，有效延长电机使用寿命，降低维修成本； 微电脑智能控制，自动适应、自动跟随，无需人工调整； 市电及节电状态自动转换，故障自动报警，不影响正常工作。 适用范围： 注塑机、空压机、立窑风机、水泵等流量、压力及风量需要调节的电流电动机； 冲床、流水线、传送带、起重机等可以调节转速的交流电动机； 其他由于工艺需求需调节转速的交流电动机。 不改变电机转速，完全不同于变频器的新型节能装置 五、变频调速在不同行业的典型应用对象 变频调速技术以其优异的调速性能、高效率、高可靠性在各行各业有着广泛的应用，现举例如下： 冶金轧钢机、辊道、高炉风机、泵、起重机械、高炉送料、钢厂抛光等。 轧钢制线拉线机、卷绕机、鼓风机、泵、起重机械、定长剪切、自动送料 钢铁轧机、辊道、风机、泵、起重机、钢包车、转炉倾动等。 电线业拉丝机、卷绕机、鼓风机等。 化工挤压机、胶片传送带、搅拌机、离心分离机、压缩机、鼓风机、喷雾器、泵等。 石油输油泵、电潜泵、注水泵、抽油机等。 化纤和纺织纺纱机、精纺机、织机、梳棉机、浆纱机、中央空调、鼓风机、泵类等。 汽车制造业传送带、搬运车、涂料搅拌、中央空调、电瓶车等。 机床制造业车床、龙门刨、铣床、磨床、机械加工中心、剃齿机等。 电子制造业中央空调、风机、泵、空压机、注塑机、传送带等。 造纸业造纸机、造纸机械、风机、泵、粉碎机、搅拌机、鼓风机等。 食品制面机、制点心机、传送带、搅拌机等。 煤气、自来水压缩机、鼓风机、泵、搬运机等。 水泥回转窑、起重机械、鼓风机、泵、主传动电机、传送带、振动给料机、立窑风机等。 矿业泥浆泵、传送带、提升机、切削机、掘削机、起重机、鼓风机、泵、压缩机等。 交通电动汽车、电力机车、船舶推进、装卸机械、空压机、电缆车等。 装卸搬运自动仓库、搬运车、粉体运送器、输出传送带等。 建筑电梯、传送带、空调设备、鼓风机、泵等。 塑胶橡胶截断机、注塑机、压出机、塑料薄膜生产线等。 生活、服务空压机、缝纫机、电风扇、工业及家庭用洗衣机等。 物流立体车库、自动仓库、传送带等。 电力锅炉鼓用鼓风机、给水泵、离心混料机、传送带、扬水发电站、飞轮等。 宾馆酒店、大厦中央空调系统、电梯等。 农业制茶机、水泵、离舍通风、粮库通风等。 试验研究电机对拖试验实验装置、主轴实验装置、离心分离机等。 六、关于变频调速节电的几点注意事项 变频调速节电，调速才能节电，如果一台设备在实际应用的过程中根本都不需要或不能调速，装了变频器，不但达不到节电效果反而会增加能耗。现就离心风机、泵类负载作以下说明。 风机、泵类采用变频调速调节流量的方法，是一种有效且节能的方法，这已被许多工程实例所证明，也被普遍接受。然而需要说明的是，并不是任何风机、泵类负载使用变频调速均可实现节能。一台风机或泵能否节能，节能多少，变频调速投资有没有价值，这都与风机或泵组实际运行工况有关。由前所述，要实现变频调速节能的必备条件是：在风机或泵的整个工作周期中，存在比较大的富裕流量。 有些系统运行时负荷就比较满，没有多少溢流或放空的情况，此时采用变频装置就不仅达不到节能的目的，还会由于是变频器的自身功率损耗而增添系统损耗。 虽然风机，泵类是平方律负载，其轴功率与转速的立方成正比，但在实际应用中并不是转速越低系统就越节能。主要是因为风机或泵与电机连成一体，在低速区系统的效率会大大降低，所以在进行变频调速范围不宜太大，一般在额定转速的50%以上。 另外，不管采取何种调速方式，都要以满足生产工艺要求为前提，特别是风机、泵类负载进行变频调速时需要考虑系统对维持生产所需的最小扬程、压力或流量的要求。 七、 应用环境对变频器的要求 虽然变频器有很多优点，但由于变频器使用电力电子器件如：整流桥、GTR、IGBT、IGCT等，在运行时会产生高次谐波、电磁辐射、传导、射频发射等电力电子污染。随着电力电子设备的大量应用，电力电子污染问题越来越大，如果不从根本上加以解决，必将造成诸如控制系统瘫痪、频繁误动作等不良后果。 所以，对变频器的应用也提出了必须满足一些行业标准的要求。 如对于是谐波污染问题有IEEE519-1992和国标GB加以规范。解决谐波污染问题的办法主要有增加交流进线电抗器、采用多脉冲整流技术等。 对于电磁辐射、传导、射频发射等电力电子污染有EMC标准EN61800-3加以规范。EMC产品标准EN61800-3定义了第一类和第二类环境的概念，第一类环境指的是民用建筑以及不经过变压器而直接从民用设施上引出低压供电电源的工业环境。第二类环境指的是不直接从民用设施引出低压供电电源的工业环境。变频器在第一类环境（如：机场、医院、电视台、广播中心等）应用时，需要选用第一类环境EMC滤波器；变频器在第二类环境应用时需要满足二类环境EMC标准，变频器需要采用EMC封装技术或选配第二类环境EMC滤波器。 八、 相应的节电率 （1）、 以改进工艺为主要目的的，节电率只有030%。 （2）、 以节能为主要目的的，节电率有20%60%。 空压机改造螺杆式空压机一、螺杆式空压机工作原理简述：工作原理是由一对相互平行齿合的阴阳转子(或称螺杆)在气缸内转动，使转子齿槽之间的空气不断地产生周期性的容积变化，空气则沿着转子轴线由吸入侧输送至输出侧，实现螺杆式空压机的吸气、压缩和排气的全过程。空压机的进气口和出气口分别位于壳体的两端，阴转子的槽也阳转子齿被主电机驱动而旋转。原空压机的主电机运行方式为星-角或自藕减压起动重于后全压运行。具体操作程序为：按下启动按钮，控制系统接通启动器线圈并打开断油阀，空压机在卸载模式下启动，这时进气阀处于关闭位置，而放气阀打开以排放油气分离器内的压力。等降压2秒后空压机开始加载运行，系统压力开始上升。如果系统压力上升到压力开关上限值，即起跳压力，控制器使进气阀关闭，油气分离器放气，压缩机空载运行，直到系统压力跌到压力开关下限值后,中央空调系统，即回跳压力下，控制器使进气阀打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机打开，油气分离器放气阀关闭，压缩机满载运行。二、活塞式空压机的工作原理简述 工作原理是当储气罐(风包)内空气压力超过设定压力(Xmpa)时，压缩机进气管上碟阀自动关闭，压缩机进入空转卸荷状态。当储气罐内空气压力低于设定压力(yMPA)时，压缩机进气管碟阀自动开启，压缩机又进入满载工作状态。空气压缩机的排气量和压力，在运转中也不是不变的,常因所使用风动机械和风动工具的台数多少而变化，所以空气压缩机工作时总是在重复满载-卸荷工作方式.满载时的工作电流接近电动机的额定电流;卸荷时的空转电流约为30-50%电动机额定电流. 三、原系统工况存在的问题1、 主电机虽然自藕降压