电力需求侧管理(DSM)

电力需求侧管理（DSM）目录TOC\o"1-3"\h\z第一章概论 1第一节综合资源规划基本思路 1第二节电力需求侧（方）管理概述 1一、电力需求侧（方）管理基本概念 1二、运营特点 1第三节供应方资源与需求方资源 2一、供应方的资源 2二、需求方资源 2第四节效益分析 2第五节实施环境 3一、政府的作用 3二、电力公司的作用 3三、能源服务公司类中介机构的作用 4四、电力用户的作用 4第二章管理的技术手段 6第一节改变用户的用电方式 6一、电力系统的负荷特性 6二、负荷整形技术 8第二节提高终端用电效率的一般途径 13第三章照明节电 15一、电光源的种类与特性 15二、电光源的技术特性参数 18三、电子镇流器 21四、高效照明电光源的节电量 21第四章电力拖动简介 25一、电力拖动系统和电动机的分类 25二、感应电动机的运行特性 28第五章电力拖动的调速技术 34一、电力拖动的节电途径 34二、调速方式的类别 34三、调速方式的技术特性 35第六章风机和泵类节电技术 43一、工作机械的负载特性 43二、风机和泵类拖动调速的节电效果 43三、单位千瓦节电量 45第七章蓄冷空调节电技术 47一、空气调节的工作原理 47二、蓄冷系统的类别 49三、蓄冷系统的工作循环 52四、蓄冷系统的工作模式 56五、蓄冷空调的实践分析 58电力需求侧管理（DSM）第一章概论第一节综合资源规划基本思路电力需求侧管理来自综合资源规划的基本思路，是电力资源规划的主要内容。综合资源规划是将供应方和需求方各种形式的资源作为一个整体进行的资源规划。概括地说，它的基本思路是：除供应方资源外，还把需求方提高资源使用效率减少消耗视为一种资源同时参加规划。旨在通过需方管理更合理配置和有效地利用能源资源、控制环境质量，减少投资和成本，形成对社会和供、需各方都有利的情况。所以综合资源管理建立了以提高需求方终端利用效率所节约的资源同样可以作为供应方最合适的替代资源这样一个新概念，对资源配置及管理产生了变革性的影响。资源观点、效益观点、实施观点是综合资源规划的基本观点。第二节电力需求侧（方）管理概述一、电力需求侧（方）管理基本概念电力需求侧管理（DemandSideManagement）简称DSM,它是综合资源规划方法在电力资源规划上的运用。即除电力供应方资源外，还把需求方提高用电效率减少的电量消耗和改变用电方式降低的电力需求视为一种资源同时参与电力规划。因此它和综合资源规划方法一样具有下列基本观点：（1）改变了传统的资源观念，把节电作为资源与供电资源置于同等地位参与规划，目的是最经济、有效地利用电力资源。（2）改变了传统的规划模式，把综合经济效益置于突出地位，以成本效益为准则，以社会效益为主要评价标准，注意协调供、需双方的贡献和利益，达到改善社会整体环境为目的。（3）把终端节电的实施作为一个重要的规划领域。把节电的落脚点放置在终端的具体用能技术设备上，关注的是实实在在的节能节电活动，防止以往规划与实施脱节的倾向。二、运营特点需求方管理与电力部门传统的用电管理相比本质上不是一码事，而是管理方式的一种演进和变革。（1）需求侧管理非常强调在提高用电效率的基础上取得直接的经济效益。需求方管理是一种运营活动，它既求效率，更追求效益。任何一项节电措施，都要给社会、电力公司和用户带来经济效益，使电力公司和用户都有利可图。电力公司在运营过程中，在获得允许的节电收益前提下，要采取以鼓励为主的市场手段推动用户主动节能节电。（2）需求侧管理也非常强调建立电力公司与用户之间的伙伴关系。改变过去用电户对电能使用无选择余地的求助地位。电力公司要调动用户节电的主动性。需求侧管理要求电力公司和用户间建立起融洽的合作感情，为供电和用电效益上共同承担风险，共同争得利益。（3）需求侧管理还非常强调基于用户利益基础上的能源服务。电力公司必须树立优质能源服务观点，摒弃不顾用户承受能力和经济利益强行限电等做法去减少用电需求。更多的是鼓励采用科学的管理方法和先进的技术手段，促使用户主动改变消费行为和用电方式，提高用电效率和减少电力需求，做到既提高电网运行的经济性，又节省了用户的电费支出。第三节供应方资源与需求方资源为便于规划和运营管理，必须划清双方的资源。供需双方资源的界定和划分，是以用户计费电能表为界限。计费电表以上为供应方，以下为需求方。一、供应方的资源（1）各种类型的电厂；（2）外购电；（3）电力系统节省的电力和电量。二、需求方资源需求方资源指的是用户潜在的节电资源，大体上包括：（1）提高照明、空调、电动机、电热、冷藏、电化学等设备用电效率所节约的电力和电量；（2）蓄冷、蓄热、蓄电等改变用电方式所节约的电力；（3）能源替代、余能回收减少和节约的电力和电量；（4）合同约定可中断负荷所节约的电力和电量；（5）建筑物保温等完善用电环境条件所节约的电力和电量；（6）用户改变消费行为减少用电所节约的电力和电量；（7）自备电厂参与调度后减供的电力和电量。第四节效益分析由需求方管理采取的节电措施，只有在社会、电力公司、用户等各方收益大于成本时，才能被接受。所以为获得最好的综合经济效益和群体效益，各方均会进行成本效益分析来评价。对需求方管理效益的评价指标，根据国外的经验和我们的试点研究，主要有：（1）可避免电量。指由于节电使电力系统避免的新增电量。（2）可避免峰荷容量。指由于节电使电力系统避免的新增装机容量。（3）可避免电量成本。指由于节电使电力系统避免的新增电量成本。（4）可避免峰荷容量成本。指由于节电使电力系统避免的新增装机容量的成本。（5）单位节电成本。指节电项目在寿期内节约单位电量的支出费用。（6）节电峰荷容量成本。指节电项目在电厂寿期内的支出费用与可避免峰荷容量之比。（7）年纯收益。指实施节电项目的收益与成本之差，系节电项目能否获利的指标。（8）投资回收期。是节电项目以各年获利偿还原始投资所需要的年数。第五节实施环境电力需求方管理的开展，必须发挥政府、电力公司、用户和中介服务部门各方的作用。一、政府的作用开展电力需求方管理需要法制和政府的支撑，它是一个社会行为，只有在宏观调控指导下充分发挥市场调节的基础作用，才能争得最佳经济效益。这就需要政府发挥主导作用，在法制和政府等方面采取强有力手段。政府要将实施需求方管理纳入法制轨道并建立相应的体制保障。在节电领域实行以鼓励性为主的政策，在财政、货款、税收、价格等方面制定鼓励性条款。对各方在节电效益的分配上进行协调和在实施中进行监督指导。二、电力公司的作用电力公司是电力需求方管理的主体，要与电源开发和供电一样把节电纳入日常运营活动。（1）体制上要明确地把节电列入电力公司的职能范围。电力公司要突破只管建厂供电的传统职能领域，它一方面要实施电源开发规划，投资于开发销售电力；另一方面要实施需求方管理计划，投资于节电销售效率。因为电力公司将从需求方管理中得到延缓投资和减少建设高成本电厂容量的得益。（2）法制规定应鼓励电力公司主动承担实施需求方管理计划。凡是电力公司投资于终端节电，应与供电一样以同等利润计入电费。作为对电力公司的鼓励措施，实施需求方管理的投资回报率应允许略高于投资电源开发的回报率。这不会使电价提高，因节电成本远低于新增供电成本。（3）政策上要允许电力公司以财政激励手段推动需求方管理归划的实施。财政激励是需求方管理对用户节电响应能力最主要的手段。财政激励手段主要按制订:1）制订多种可供选择的电价。如峰谷电价、容量电价、季节性电价、可中断负荷电价等等；2）采用节电技术设备的折让销售、节电设备的免费安装、节电设备租赁、节电招标等；3）提供低息无息节电贷款、节电效益还贷、节电特别奖励等手段。这部分激励资金通过供电电价给予回收，实质上是以节电收益推动节电，可理解为电力公司用这笔激励资金在“负瓦”市场上向用户购电。这笔花费只要低于新增电量成本即可获利。4）在电源开发的审批制度中把需求方管理计划纳入法定的审批程序。把电源开发和电力节约视为一个整体纳入审批程序，把需方管理计划列入其中的审批内容并参加电力电量平衡，使开发与节约紧密联系在一起，统一筹划，同步实施，把节约落在实处。三、能源服务公司类中介机构的作用能源服务公司一类的中介机构，可向用户提供有关需求方管理内容的各种形式的中介服务，协助政府和配合电力公司实施需求方管理计划。各种服务包括能源审计、节能诊断、筹集节能投资、节能设计、安装和操作培训到获得节能节电收益的一条龙服务。四、电力用户的作用用电是终端节能节电的主体，只有用户的积极参与才能提高终端用电效率节约能源，移峰填谷减少发电装机容量。由此不但减少了包括发电和输配电在内的电力建设投资，降低了供电成本，而且还减少了与其相关的燃料开采、运输投资以及环保控制费用。所以用户是节能节电整体增益的贡献者。因此要根据政府的决策和电力公司的经营策略来调动用户节电的积极性、主动性，使其也能从中得益。图1-1是综合资源规划与需求方管理的职能和服务对象简图。

第二章管理的技术手段电力需求方管理的目标，主要集中在用户电力和电量的节约上。（1）通过负荷管理技术改变用户的用电方式，降低电网的最大负荷，取得节约电力、减少电力系统装机容量的效益。（2）通过用户采用先进技术和高效设备提高终端用电效率，减少电量消耗，取得节约电量效益，同时获得节约电力减少系统装机容量的效益。第一节改变用户的用电方式一、电力系统的负荷特性电力系统的负荷特性又称电力系统的负荷方式，它每时每刻都在发生变化，通常是用负荷特性曲线来表示。主要包括负荷特性曲线和日负荷特性曲线两种来表示，有的还有周、月和季负荷特性。年负荷特性基本上有两种：一种是负荷峰期出现在冬季（见图2-1），另一种是负荷峰期出现在夏季（见图2-2）。日负荷特性也有两种：一种是峰期最大负荷出现在夜晚（见图2-3），另一种是峰期最大负荷出现在白天（见图2-4）。它们的负荷谷期均出现在后夜。电力系统的负荷特性与一系列因素有关，主要取决于电网所在地区的经济结构和用户的生产特点，当地的气候条件、生活水平和风俗习惯，以及电网规模等。对一个具有一定规模的电网来讲，电力系统的负荷方式主要是由终端用电方式决定的，要改变电力系统的负荷方式就要改变终端用电方式。由于供电能力不足和线路容量堵塞等拉闸停电的影响，图示的负荷特性不是完全满足终端用电需求的自然负荷特性，否则还要拉大电网负荷的峰谷差距。随着市场经济的发展和人们生活素质的不断提高，电网负荷的峰谷差还有进一步拉大的趋势。二、负荷整形技术改变用户的用电方式是通过负荷管理技术来实现的，负荷管理技术就是负荷整形技术。它是根据电力系统的负荷特性，以某种方式将用户的电力需求从电网负荷高峰期削减、转移或增加在电网负荷低谷期的用电，以达到改变电力需求在时序上的分布，减少日或季节性的电网峰荷，以期提高系统运行的可靠性和经济性。在规划中的电网，主要是减少新增装机容量和节省电力建设投资，从而降低预期的供电成本。负荷整形主要有削峰、填谷、移峰填谷三种。（1）削峰（见图2-5）削峰是在电网高峰负荷期减少用户的电力需求，避免增设边际成本高于平均成本的装机容量，并且由于平稳了系统负荷，提高了电力系统运行的经济性和可靠性，降低了平均发电成本。另一方面，削峰会减少一定的峰期售电量，也降低了电力公司的部分收入。削峰的控制手段主要有两个：一个是直接负荷控制，另一个是可中断负荷控制。直接负荷控制是在电网峰荷时段，系统调度人员通过远动或自控装置随时控制用户终端用电的一种方法。由于它是随机控制，常常冲击生产秩序和生活节奏，大大降低了用户峰期用电的可靠性，大多数用户不易接受，尤其是那些可靠性要求很高的用户和设备，负荷的突然甩减和停止供电有时会酿成重大事故和带来很大经济损失，即或采用降低直接负荷控制的供电电价也不太受用户欢迎，限制了这种控制方式的应用范围。在电力供应严重短缺、大量外购峰荷电力的电网，在失去电力平衡时往往采用这种方法削减峰荷，然后对用户予以电价补偿。直接负荷控制多于城乡居民的用电控制，对于其他用户以停电损失最小为原则进行排序控制。可中断负荷控制是根据供需双方事先的合同约定，在电网峰荷时段系统调度人员向用户发出请求信号，经用户响应后中断部分供电的一种方法。它特别适合可以放宽对供电可靠性苛刻要求的那些“塑性负荷”，主要应用于工业、商业、服务业等，如有工序产品或最终产品存储能力的用户，可通过工序调整改变作业程序来实现躲峰；有能量（主要是热能）贮存能力的用户，可利用贮存的能量调节进行躲峰；有燃气供应的用户，可以燃气替代电力躲避电网尖峰；那些用电可靠性要求不高的用户，可通过减少或停止部分用电躲开电网尖峰，等等。不难看到，可中断负荷控制是一种有一定准备的停电控制，由于这种电价偏低或给予中断补偿，有些用户愿意以较少的电费开支降低有限的用电可靠程度。它的削峰能力和终端效益，取决于用户负荷的可中断程度和这种补偿是否不低于用户为躲峰所支出的费用。利用时间控制器和需求限制器等自控装置实现负荷的间歇和循环控制，是对电网错峰比较理想的控制方式。它虽然改变了用户的发电方式，但通常并不或较少影响用户的用电模式和服务质量。如空调、风机、水泵、大耗电工艺设备等的间歇和循环控制。但是，它需要有完善的控制系统。削峰控制不但可以降低电网峰荷，还可以降低用户变压器的装置容量。（2）填谷（见图2-6）填谷是在电网低谷时段增加用户的电力电量需求，有利于启动系统空闲的发电容量，并使电网负荷趋于平稳，提高了系统运行的经济性。由于它增加了销售电量，减少了单位电量的固定成本，进一步降低了平均发电成本，使电力公司增加了销售收入。尤其适用于电网负荷峰谷差大、低负荷调节能力差又压电困难，或新增电量长期边际成本低于平均电价的电力系统。比较常用的填谷技术措施有：1）增加季节性用户负荷。在电网年负荷低谷时期，增加季节性用户负荷；在丰水期鼓励用户多用水电，以电力替代其他能源。2）增添低谷用电设备。在夏季尖峰的电网可适当增加冬季用电设备，在冬季尖峰的电网可适当增加夏季用电设备。在日负荷低谷时段，投入电气锅炉或蓄热装置采用电气保温，在冬季后夜可投入电暖气或电气采暖空调等进行填谷。3）增加蓄能用电。在电网日负荷低谷时段投入电气蓄能装置进行填谷，如电气蓄热器、电动汽车蓄电瓶和各种可随机安排的充电装置等。填谷非但对电力公司有益，用户利用廉价的谷期电量可以减少电费开支。但是，由于填谷要部分地改变用户的工作程序和作业习惯，也增加了填谷技术的实施难度。填谷的重点对象是工业、服务业和农业等部门。（3）移峰填谷（见图2-7）移峰填谷是将电网高峰负荷的用电需求推移到低谷负荷时段，同时起到削峰和填谷的双重作用。它既可减少新增装机容量、充分利用闲置容量，又可平稳系统负荷、降低发电煤耗。移峰填谷一方面增加了谷期用电量，从而增加了电力公司的销售电量；另一方面却减少了峰期用电量，又减少了电力公司的销售电量。电力系统的销售收入取决于增加的谷电收入和降低的运行费用对减少峰电收入的低偿程度。在电力严重短缺、峰谷差距大、负荷调节能力有限的电力系统，一直把移峰填谷作为改善电网经营管理的一项主要任务。对于拟建电厂，移峰填谷可以减少新增装机容量和电力建设投资。比较主要的移峰填谷技术措施有：1）采用蓄冷蓄热技术。中央空调采用蓄冷技术是移峰填谷最为有效的手段，它是在后夜电网负荷低谷时段制冰或冷水并把冰或水等蓄冷介质贮存起来，在白天或前夜电网负荷高峰时段把冷量释放出来转化为冷气空调，达到移峰填谷的目的。蓄冷中央空调比传统的中央空调的蒸发温度低，制冷效率相对低些，再加上蓄冷损失，在提供相同冷量的条件下要多消耗电量，但它却是有利于电网的填谷电量。蓄冷技术是一种在用的成熟技术，1993年深圳中电大厦冰蓄冷中央空调首次投入运转，实践证明它特别适用于商业、服务业和工业部门，以及居民楼区的集中空调。如大型商厦、贸易中心、酒楼宾馆、公寓、写字楼、娱乐中心、影视院、体育馆、健身房、大型住宅区以及大面积使用空调的电子、医药、纺织、化工、精密制造、食品加工、服装等生产企业。

采用蓄热技术是后夜电网负荷低谷时段，把电气锅炉或电加热器生产的热能存储在蒸汽或热水蓄热器中，在白天或前夜电网负荷高峰时段将其热能用于生产或生活等来实现移峰填谷。用户采用蓄热技术不断减少了高价峰电支出，而且还可以调节用热尖峰、平稳锅炉负荷、减少锅炉新增容量。当然，它也要多消耗部分电量。蓄热技术也是一种在用的成熟技术，是移峰填谷有效的技术手段，对用热多、热负荷波动大，锅炉容量不足或增容有限的工业企业和服务业尤为合适。用户是否愿意采用蓄冷和蓄热技术，主要取决于它减少高峰电费的支出是否能补偿多消耗低谷电量支出电费，并获得合适的收益。2）能源替代运行。在夏季尖峰的电网，在冬季用电加热替代燃料加热，在夏季可用燃料加热替代电加热；在冬季尖峰用电，在夏季可用电加热替代燃料加热，在冬季可用燃料加热替代电加热。在日负荷的高峰和低谷时段，亦可采用能源替代技术实现移峰填谷，其中燃气和太阳能是易于与电能相互替代的能源。3）调整作用程序。调整作业程序是一些国家曾经长期采取的一种平仰电网日内高峰负荷的常用办法，在工业企业中把一班制作业改为二班制，把二班制作业改为三班制。作用制度大规模的社会调整，对移峰填谷起到了很大作用，但却也在很大程度上干扰了职工的正常生活节奏和家庭生活节奏，也增加了企业不少的额外负担，尤其是在硬性电价下，企业这种额外负担不能得到任何补偿，不易被社会所接受，也是电力部门能力不足的表现。实践证明：随着市场经济的发展，不顾及用户接受能力强制推行多班连续作用的办法将逐渐失效。对那些客观上不需要多班连续作业的企业，要它以调整作业程序来移峰填谷必须采取更有力的市场手段。4）调整轮休制度。调整轮休制度也是一些国家长期采取的一种平仰电网日间高峰负荷的常用办法，在企业间实行周内轮休来实现错峰，取得了很大成效。由于它改变了人们早已规范化了的休整习惯，影响了社会正常的活动节奏，冲击了人们的往来交际，又没有增加企业的额外效益，一般难于被广大用户所乐意接受。电网应服务于社会大众，不该影响甚至左右人们的正常活动习惯。尤其是随着社会的进步和不断增长的物资与精神文明，那种使社会的运转步调去屈从于电网调荷需要的概念将逐步消失殆尽。然而，在一些严重缺电的地区，在已经实行轮休制度的企业，采取必要的市场手段仍然可能为移峰填谷做出贡献。第二节提高终端用电效率的一般途径提高终端用电效率是通过改变用户的消费行为，采用先进的节能技术和高效设备来实现的，其根本目的是节约用电、减少电量消耗，其中包括直接节电和间接节电。直接节电是采用科学的管理方法和先进的技术手段来节电；间接节电是依靠改善经济管理，采取调整和控制手段后少用的电能。它要依靠调整经济结构、生产力合理布局、节约原材料、提高产品质量。最终产品的节约利用、增加高能耗产品的进口等等的经济管理来实现。本章主要介绍直接节电的一般途径：（1）照明方面:采用紧凑型荧光灯替代普通白炽灯，用细管荧光灯替代普通粗管荧光灯，由钠灯替代汞灯，用高效电感镇流器替代普通电感镇流器，用电子镇流器替代普通电感镇流器，用高效反射灯罩替代普通反射灯罩等高效节电灯具，以及采用声控、光控、时控、感控等智能开关和钥匙开关控制等实行照明节电运行等等。（2）电动机方面：选用高导电、高导磁性能的电动机替代普通电动机，选用与生产工艺需要容量相匹配的电动机提高运行的平均负载率，应用各种调速技术实现电动机节电运行，实现流水作业降低电动机空载率等等。（3）在制冷空调方面：应用溴化理吸收式制冷减少用电，应用智能控制高效空调器节约用电，利用热泵替代电阻加热的取暖空调节约用电，建立适应人体生理条件的消费行为降低用电等等。（4）在变配电方面：采用低铜铁损的高效变压器，减少变电次数，实行变电器节电运行，配电线路合理布局和采用无功就地补偿减少配电损失等等。（5）在余能余热回收方面：应用干法熄焦高温余热回收发电、工业炉窑高温余热回收发电、高炉炉顶排气压力发电、工业锅炉余压发电等可用来提高能源利用率和增加终端用户自给电量，采用热泵、热管和高效换热器等热回收和热传导设备能直接或间接地减少用电消耗。（6）在作用合理调度方面：实行专业化集中生产，提高炉窑地装载率，降低单位产品电耗；实行连续作业，减少开炉停炉损失，提高设备的用电效率；风机、泵类、压缩机实行经济运行等等。（7）在建筑方面：采用绝热性能高的墙体材料和门窗结构，充分利用自然光和热等。（8）在能源替代方面：要把太阳能和燃气作为与电能相互替代的主要对象，更经济合理地利用能源资源。

第三章照明节电电气照明是最先进的现代照明方式，它是由电能转化为可见光能而发出光亮。电气照明灯具，包括电光源和照明器具两个部分。电光源指发光的器件，如灯泡和灯管等，器具指包括引线、灯头、插座、灯罩、补偿器、控制器等等，照明节电与整个照明灯具的选择、安装和使用都有直接的关系，这里重点讨论电光源，它是照明节电的主要器件。一、电光源的种类与特性照明电光源的分类方式有多种，按电光转换机理分类有两种：一种是热辐射光源，另一种是气体放电光源，如图3-1所示。1.热辐射光源热辐射光源是依靠电流通过灯丝发热到白炽灯程度而发光的电光源。（1）白炽灯：普通白炽灯是利用最早最多的一种电光源，几乎遍及了照明的各个领域。普通白炽灯的显色性好、光谱连续、结构简单、易于制造、价格低廉、使用方便，是应用最广的灯种。但它的能量转换效率低，大部分能量转化为红外辐射损失，可见光不多，发光效率低和使用寿命短是它的主要缺点。近些年发展起来的涂白白炽灯、氪气白炽灯和红外反射膜白炽灯，在提高发光效率和延长使用寿命方面有了进一步的改善。涂白白炽灯是在灯泡的玻璃壳上涂以白色的无机粉末，可提高5％的发光效率，还比普通白炽灯发光柔和、感觉舒适。氪（Kr）气白炽灯是以导热率低的氪气替代普通白炽灯的氩（Ar）气和痰（N）气等惰性气体作为充填气，可减少灯丝的热损失和气化速率，发光效率可提高10％，使用寿命能延长一倍。红外线反射膜白炽灯是在灯泡玻璃表面镀上透光的红外线反射膜，把灯丝反射的红外线再反射回灯丝，借提高灯丝温度来提高发光效率，可节电1/3以上。这些新的白炽灯种，依靠在光效和寿命方面的优势，正在部分地取代普通白炽灯。（2）卤钨灯：卤钨灯是在灯泡内含有一定比例卤化物地一种改进型白炽灯。普通白炽灯在使用过程中，由于从灯丝蒸发出来的钨（W）沉积在灯泡内壁上导致玻璃壳体黑化，降低了透光性，使发光效率逐步下降，也减少了钨丝的使用寿命。卤钨丝在灯泡内除充填惰性气体外，还充入少量的卤族光素，如氟（F）、氯(Cl)、溴（Br）、碘（I）或与其相应的卤化物，使它在灯泡内形成卤钨再循环过程，以防止钨沉积在玻璃内壳上，降低灯丝的老化速度。卤钨灯与普通白炽灯相比，发光效率可提高到30％左右，高质量的卤钨灯寿命提高到普通白炽灯寿命的3倍左右。在公共建筑、交通和影视照明等方面得到了广泛的应用。

2.气体放电光源气体放电光源是电极在电场作用下，电流通过一种或几种气体或金属蒸气而发光的电光源，气体放电光源的电弧具有负的伏安特性，即电压随电流的增加而下降，为使灯稳定地工作，在电路上安装了镇流器，它要同时消耗有功和无功功率，为灯的启动还加装了启辉器等电气附件。值得重视的是，要减少和防止它在生产过程中和在灯泡灯管废弃物中汞等重金属对环境的污染。气体发电光源的种类繁多，按充气压力大小可分为两大类：一类是低压气体放电灯，另一种是高压气体放电灯。高压气体放电灯主要有高压汞灯和高压钠灯，高压汞灯中使用最多的是荧光高压汞灯和金属卤钨物灯两种。低压气体放电灯主要有荧光灯和低压钠灯，在荧光灯中使用最多的是直管型、环管型和紧凑型荧光灯三种。气体放电光源比热辐射光源的发光效率高得多，应用广泛，市场占有率还在不断提高。（1）荧光灯：荧光灯是利用低压汞（Hg）蒸气放电产生的紫外线，去激发涂在灯管内壁上荧光灯而转化为可见光的电光源，又称日光灯。它的发光效率上普通白炽灯的3倍以上，使用寿命差不多是普通白炽灯的4倍，而且灯壁温度很低，发光比较均匀柔和。它的缺点是在使用电感镇流器时的功率因数颇低，还有频闪效应。荧光灯的应用领域极为广泛，仅次于白炽灯，在住宅、办公、商场、宾馆、车间、医院、展示厅等很多场所得到了广泛应用，它也是替代低效白炽灯的主要灯种。直管荧光灯有两种类型：一种是粗管灯，也就是普通直管灯，灯管标称直径38mm；另一种是细管灯，它是一种新型管灯，标称直径26mm的细管灯是应用最多的细管灯种。粗管灯的灯管内壁一般涂以卤磷酸盐荧光粉，细管灯的灯管内壁涂以三基色荧光粉，三基色荧光粉能把紫外线转换成更多的可见光，因而细管灯比粗管灯的发光效率高，在提供相同的光通量条件下，装灯效率减少10％。标称直径26mm的细管灯可直接使用标称直径38mm粗管灯的灯头插座，可以用电感镇流器，也可以用电子镇流器，用细管灯来替代粗管灯非常便利，是替代普通粗管灯进一步提高光效的直管灯种。紧凑型荧光灯是镇流器和灯管一体化的新型电光源，由于灯管造型和结构紧凑而得名。它可以配电感镇流器，也可以配电子镇流器，我国常把配上电子镇流器的紧凑型荧光灯称为电子节能灯。这种灯使用三基色荧光粉，可获得很高的发光效率，再配上低功耗的电子镇流器，可获得明显的节电效果。它的显色性好，大幅度地改善了频闪效应，提高了启动性能，兼有白炽灯和荧光灯的主要优点。紧凑型荧光灯可直接安装在白炽灯的灯头上，在同样光通量下可节电70％～80％，是替代白炽灯最理想的电光源。（2）高压汞灯：高压汞灯是利用汞放电时产生的高气压获得可见光的电光源，它在发光管的内部充有汞和氩气，有的在内壳上涂以荧光粉，有的是完全透明的。它的发光效率与普通荧光灯差不多，使用寿命却比较长。它的缺点是显色性差些，发出蓝绿色的光，缺少红色成份，除照到绿色物体上外，其他多呈灰暗色，而且不能瞬时启动。高压汞灯多应用在高照度的照明场所，如高大厂房、体育场馆、仓储货栈、公路街道、广场、车站、码头、停车厂、立交桥、交易市场等等，是在公共场合应用很广的一个灯种。

（3）金属卤化物灯：金属卤化物灯是通电后，使金属汞（Hg）蒸气和钠（Na）、铊（Tl）、铟（In）、钪（Sc）、镝（Dy）、铯（Cs）、锂（Li）等金属卤化物分解物的混合体辐射而发光的电光源。它是在高压汞灯的基础上发展起来的一个新灯种，在高压汞灯内添加金属卤化物，结构与高压汞灯相似。金属卤化物灯比高压汞灯的发光效率高得多，显色性也比较好，使用寿命也比较长，为避免影响光电特性，使用中有位置朝向要求。金属卤化物灯除可替代高压汞灯外，还可以用在要求显色性较好的场所，如展示厅、美术馆、康乐中心、大型公园、宾馆酒楼的室外照明等。小功率的金属卤化物灯也可作为在没启动性能要求的居宅和办公楼的室内照明，用以替代低效白炽灯。（4）高压钠灯：高压钠灯是利用高压钠蒸气放电发光的电光源。它在发光管内除充有适量的汞和氩气或氙（Xe）气外，并加入过量的钠，钠的激发电位比汞低，以钠的放电发光为主，所以称为钠灯。高压钠灯发出的是金黄色的光，是电光源中发光效率很高的一种电光源。它的发光效率比高压汞灯要高出1倍左右，使用寿命也比高压汞灯要长些。它的主要缺点是显色性差，但已有比普通型高压汞灯显色性好的改进型和高显色性钠灯问世。普通高压钠灯主要用于对光色要求较低的场所，已被广泛地应用在道路、隧道、港口、码头、车站、广场、大桥等地方，在某些工厂厂房、体育和康乐场馆等地方亦多被采用，不断扩大了高压钠灯的使用范围。在许多场合，高压钠灯可替代高压汞灯来节约照明用电。（5）低压钠灯：低压钠灯是利用低压钠蒸气放电发光的电光源，在它的玻璃外壳内涂以红外线反射膜，是光衰较小和发光效率最高的电光源。低压钠灯发出的是单色黄光，显色性很差，用于对光色没有要求的场所。但它的透雾性好，能使人清晰地看到色差比较小的物体。为保证正常工作和避免减少使用寿命，点燃时不宜移动，尽量减少开闭次数。低压钠灯也是替代高压汞灯节约用电的一种高效灯种，应用场所也在不断扩大。二、电光源的技术特性参数在选择、替代和使用电光源时，必须掌握评价电光源的技术特性参数。从照明节电角度出发，主要有：发光效率、光源寿期、光源颜色和有关的电气性能。1.发光效率发光效率，简称光效。它是电光源发出的光通量和它用电功率之比，单位是流明/瓦（lm/W），是评价电光源用电效率最主要的技术参数。光通量是指单位时间内光辐射量的大小，用流明来表示。光源单位用电功率发出的光通量越大、则电能转换光能的效率越高，即光效越高。电光源是照明节电的主体部件，在能完成相同的照明功能条件下，要优先选用光效高的电光源替代光效低的电光源。2.光源寿命光源寿命，又称光源寿期。电光源的寿命通常用有效寿命和平均寿命两个指标来表示。（1）有效寿命：指灯开始点燃至灯的光通量衰减到额定光通量的某一百分比时所经历的点灯时数。一般这一百分比规定在70％～80％之间。（2）平均寿命：指一组试验样灯，从点燃到其中的50％的灯失效时，所经历的点灯时数。寿命是评价电光源可靠性和质量的主要技术参数，寿命长表明它的服务时间长，耐用度高，节电贡献大。对照明用户来讲，他们希望购置有效寿命比较长的灯种。3.光源颜色光源的颜色，简称光色。它用色温和显色指数两个指标来度量。（1）色温：当光源的发光颜色与把黑体（能全部吸收光能的物体）加热到某一温度所发出的光色相同（对于气体放电等为相似）时，该温度称为光源的色温。色温用热力学温度来表示，单位是开尔文，符号为K。光源的色温是灯光颜色给人直观感觉的度量，与光源的实际温度无关。不同的色温给人不同的冷暖感觉，高色温有凉爽的感觉，低色温有温暖的感觉。一般地说，在低照度下采用底色温的光源会感到温馨快活；在高照度下采用高色温的光源则感到清爽舒适。在比较热的地区宜采用高色温冷感电光源，在比较冷的地方宜采用低色温暖感的电光源。因此，可根据各自的环境条件和爱好，选择适宜色温的电光源（见表3-1）。表3-1色温与感觉的关系注：资料来源，见参考文献[20]。（2）显色指数：显色指数是指在光源照到物体后，与参照光源相比（一般以日光或接近日光的人工光源为参照光源）对颜色相符程度的度量参数，是衡量光源显色性优劣或在视觉上失真程度的指标。参照光源的显色指数定为100，其他光源的显色指数均小于100，符号是Ra。Ra越小，色差越大，显色性也越差，反之显色性越好。国际照明委员会（CIE）用显色指数把光源的显色性分为优、良、中、差四组作为判别光源显色性能的等级标准（见表3-2）。表3-2显色性的等级标准注：资料来源，见参考文献[15]。显色性是择用电源的一项重要因素，对于显色性要求很高的照明用途更是如此。例如，美术品、艺术品、古玩、高档衣料等的展示销售，为避免颜色失真，就不宜采用显色性比较差的电光源。但是，在显色性能要求不高，而要求彩色调节的场所，可利用显色性的差异来增加明亮提神的气氛。如汞灯以绿色为主，白炽灯以红光为主，它们分别照到绿色和红色物体上就更加鲜艳，对于追求装饰性和娱乐性的某些场合，可选择与装饰色调相匹配的灯种，或采用混合照明。4.光源启动性能光源的启动性能是指灯的启动和再启动特性，它用启动和再启动所需要的时间来度量。一般地讲，热辐射电光源的启动性能最好，能瞬时启动发光，也不受再启动时间的限制；气体发电光源的启动特性不如热辐射电光源，不能瞬时启动。除荧光灯能快速启动外，其他气体放电灯的启动时间最少在4min以上，再启动时间最少也需要3min以上。不能承受启动和再启动约束的场合，像住宅、商厦、宾馆、酒楼、康乐场所等的室内照明只能择用普通白炽灯、卤钨灯和荧光灯。5.普通照明灯电光源技术特性参数表表3-3是为照明节电技术经济分析提供参考的电光源技术性能参数，它指的是合格的一般产品，不是具体的产品指标，在编制需求方管理计划缺少必要的计算和评估参数时可参酌使用。表3-3普通照明电光源性能参数表（参考值）注：资料来源，见参考文献[15]和[20]。三、电子镇流器镇流器是气体放电灯用于启动和限流的控制器件，由于气体放电灯具有负伏安特性，要配以镇流器来启动灯的放电和限定灯内惰性气体电离升温并使水银蒸气压上升，当电子轰击汞蒸气放电后生成的紫外线激发荧光灯而发光，启动完成后镇流器起限流器的作用，使灯开始正常工作。常用的镇流器是电感镇流器。电感镇流器是一个高感抗和高电阻的器件，一直串联在电路中与灯一起工作，不但要消耗有功功率，还要消耗无功功率，功率因数也很低，致使照明用电效率下降。电子镇流器与普通电感镇流器相比，具有有功消耗少、功率因数高、点燃速度快、无噪声干扰等优点，节电率高达75％左右，功率因数可由0.5左右提高到0.9以上。同时，由工频50Hz提高到25～40kHz高频供电，频闪效应微乎其微，有利于视力保护和生产安全，极大地减轻了视力疲劳和减少了人身伤害机会。在视力健康要求较高的场合或在旋转机械作业的场所，最好不用电感镇流器。值得注意的是：市场上销售的产品优劣并存，良莠不齐，使用电子镇流器，特别是紧凑型荧光灯，除要关注有效寿期外，还要防止高次谐波，尤其是防止三次谐波对电网地污染，大量使用质量低劣的产品有可能烧毁灯具，威胁其它用电设备的安全运行。四、高效照明电光源的节电量电光源的节电量是指在提供相同光通量条件下，用高效电光源替代相对低效电光源所节约的电量，那种降低照明服务水平和关灯不用等少用的电量不包括在照明节电讨论之内。在需求方管理的电光源节电分析中最为关心的节电量有两个，一个是寿命节电量，另一个是年节电量。1.寿期节电量△Wz.s=[（Pd+△Pd）—（Pg+△Pg）]·hg.s(3-1)或△Wz.s＝λz·hg.s·（Pd+△Pd）(3-2)式中△Wz.s——寿期节电量，kW·h；Pd——原用灯功率，kW；Pg——高效灯功率，kW；△Pd——原用灯镇流器功耗，kW；Pg——高效灯镇流器功耗，kW；hg.s——高效灯寿期，h；λz——照明电光源节电率。2.年节电量△Wz.n＝[（Pd+△Pd）—（Pg+△Pg）]·h.z.n（3-3）或△Wz.n＝λz·hz.n·（Pd+△Pd）（3-4）式中△Wz.n——年节电量，kW·h；hz.n——年照明时数，h。照明用电的负荷特性与其他一些用电设备有所不同，基本上属于恒额定功率负荷，在不考虑光衰的情况下，一旦接通电源正常工作就满负荷运行，所以电光源的照明节电率λz可以认为是个固定值，在节电计算时要包括镇流器的功率损耗在内。3.算例【例3-1】如果用一只11W紧凑型荧光灯替代一只60W的普通白炽灯，认为它们可以提供相同的光通量，假定紧凑型荧光灯的有效寿期是2500h，电子镇流器功耗是3W，年照明时数为2000h，节电率为0.75，问它们的寿命节电量和年节电量各是多少？根据式（3-1）的寿命节电量为△Wz.s=[（Pd+△Pd）—（Pg+△Pg）]·hg.s＝[(0.06＋0)－(0.011+0.003)]×2500＝115（kW·h）根据式（3-2）的寿命节电量为△Wz.s＝λz·hg.s·（Pd+△Pd）=0.75×2500×(0.06+0)=112.5（kW·h）根据式（3-3）的年节电量为△Wz.n＝[（Pd+△Pd）—（Pg+△Pg）]·h.z.n=[(0.06＋0)－(0.011+0.003)]×2000＝92（kW·h）根据式（3-4）的年节电量为△Wz.n＝λz·hz.n·（Pd+△Pd）=0.75×2000×(0.06+0)=90（kW·h）△Wz.s和△Wz.n的两种算法所得的结果大体相等。【例3-2】如果用一只36W细管荧光灯和与其匹配的电子镇流器替代一只附有电感镇流器的40W粗管荧光灯，并且认为它们可以提供相同的光通量，假定电子镇流器的功耗为2W，电感镇流器功耗的功耗为8W，细管荧光灯的有效寿命为3000h，年照明时数为2000h，节电率为0.21，问它们的寿命节电量和年节电量各是多少？根据式（3-1）的寿命节电量为△Wz.s=[（Pd+△Pd）—（Pg+△Pg）]·hg.s＝[(0.04＋0.008)－(0.036+0.002)]×3000＝30（kW·h）根据式（3-2）的寿命节电量为△Wz.s＝λz·hg.s·（Pd+△Pd）=0.21×3000×(0.04+0.008)=30.24（kW·h）根据式（3-3）的年节电量为△Wz.n＝[（Pd+△Pd）—（Pg+△Pg）]·hz.n=[(0.04＋0.008)－(0.036+0.002)]×2000＝20（kW·h）根据式（3-4）的年节电量为△Wz.n＝λz·hz.n·（Pd+△Pd）=0.21×2000×(0.04+0.008)=20.6（kW·h）△Wz.s和△Wz.n的两种算法所得的结果彼此接近。4.普通照明电光源和镇流器的替代节电率参数表表3-4是为照明节电计算提供的电光源和镇流器的各种替代方案及其相应的节电率，它是指合格的一般产品，不是具体的产品指标，在制定需求方管理计划缺少必要的计算和评估参数时可参酌使用。表3-4电光源和镇流器替代节电率与寿命比（参考值）

第四章电力拖动简介电力拖动是以电动机作为原动机拖动机械做功的一种作业方式，电力拖动又称电气拖动或电力转动。1995年我国用于电力拖动作业的电动机总容量在350～450GW，其中交流电动机占90％左右，1995～2000年交流电动机的预期产量达30GW，每年用于电动机的电费开支是电动机造价的10～20倍，是用电量最大和电费开支最多的终端用电设备，也是需求方管理的一个重点终端设备。一、电力拖动系统和电动机的分类1.电力拖动系统电力拖动系统主要由电动机、传递机构和工作机械等装置组成的机电系统（见图3-2）。电力拖动的任务就是使电动机实现由电能向机械能的转换，完成工作机械启动、运转、调速、制动工艺作业的要求，因此如何选择和运用好电动机是电力拖动节电的中心环节。按供电制式的不同，可分为直流电力拖动和交流电力拖动两种，交流电力拖动节电是本节讨论的重点。图3-2电力拖动系统简图2.电动机的类别电动机的分类方式有多种，按电源使用的种类划分主要有两大类：一类是直流电动机，另一类是交流电动机（见图3-3）。图3-3电动机分类简图直流电动机是依靠直流电源供电运转的电动机，按励磁方式可分为他励和自励两种（见图3-3和图3-4）。他励直流电动机的励磁电流由单独的直流电源供给，励磁绕组与电枢绕组不相连接；自励直流电动机的励磁电流由电机本身供给，励磁绕组与电枢绕组的连接方式，一般分为并励、串励和复励三种。直流电动机的调速性能好，启动、制动、过载转矩大，容易控制是它的突出优点，但它的结构复杂、制造成本高、维护量大，还需配置直流电源，使它的应用受到一定的限制，多用于对启动和调速等性能要求比较高的场所。交流电动机是依靠交流电源供电运转的电动机，与直流电动机相比，它具有结构简单、制造成本低、维护方便、运行效率高、工作可靠等优点，尤其是交流电动机调速技术的快速发展，使它得到了更广泛的应用。交流电动机包括同步电动机和异步电动机两大类。同步电动机运行时的转速与电源的供电频率有严格不变的关系，它恒等于旋转磁场的转速，即电动机与旋转磁场两者的转速保持同步，并由此而得名。同步电动机多应用在中大容量恒速运行或不需要速度调节的生产机械上，它们的单机容量可达数千至数万千瓦。按转子结构的不同，同步电动机可分为两种类型：一种是凸极式，另一种是隐极式（见图3-5）。凸极式比隐极式的构造简单，多极低速同步电动机通常是凸极式的。与异步电动机相比，同步电动机最显著的优点是：它可以通过调节转子的直流励磁电流来调整电动机的功率因数，既可在滞后功率因数下运行，亦可在超前功率因数下运行，有利于提高电网的功率因数，改善电网的运行状态。不带机械负载，只向电网提供感性或容性无功功率的同步电动机称为同步调相机或同步补偿机，实际上是无功功率发电机，专门用于调整电网的功率因数，维持电网的电压水平，保持电力系统的稳定运行。异步电动机在运行时的转速总是略低于旋转磁场的转速，即两者转速不能保持同步，故称异步电动机。由于它的转子是通过定子绕组旋转磁场所感生的电流而转动，又称感应电动机。基于转子构造的不同，感应电动机又分为笼型和绕线型两种。笼型是在其转子铁芯中用铜条插入铁芯槽内，再用端环把这些铜条两端短路，就构成了转子绕组，若抽去铁芯其绕组形似一个笼子，故叫笼型绕组（见图3-6），又称鼠笼绕组。小容量的笼型感应电动机的转子绕组不用铜条，而采用铸铝替代铜条和端环（见图3-6）。笼型电动机又称鼠笼电动机。普通笼型感应电动机的转子是单笼的，为了改善启动特性，利用集肤效应原理设计制造了特殊笼型转子绕组，即深槽和双笼转子（见图3-7）。双笼转子有内外两个笼子，外笼导体有较大的电阻和较小电抗，叫启动绕组，内笼导体有较大的电抗和较小电阻，叫运行绕组。它们与普通单笼感应电动机相比，启动转矩大而启动电流小，效率差不多，但功率因数和过载能力稍有下降，多用于要求重载启动的工作机械上。绕线型是在其转子铁芯线槽内嵌入三相对称绕组，它们多接成星形（Y）,将三相绕组的端头分别接在转轴的三个彼此绝缘的集电滑环上，再通过电刷把转子绕组与外电阻相接，就构成了转子绕组电路（见图3-8），外接电阻是为改善电动机的启动特性或用以调节转速。绕线型与普通笼型相比，它的启动特性好，具有调速特性，但其结构比较复杂，造价相对较高，维护量也较大，多用于要求启动电流小和启动转矩大或需要调速的场合。普通笼型电动机的启动性能差，本身不能调速运行，但它的结构简单、制造方便、可靠性高、价格便宜，且对环境的适应性强和易于维护，得到了最广泛的应用。交流电动机，尤其感应电动机是电力拖动的主力，它是需求方管理在电力拖动领域中的一个重点选择目标。二、感应电动机的运行特性从节能角度看，电动机的运行特性主要有效率、功率因数和转速，它们均是电动机负载率的函数（见图3-9）。1.电动机负载率电动机的负载率是指其负载功率与额定功率之比。（3-5）式中β——电动机负载率；P——电动机负载功率，kW；PN——电动机额定功率，kW。当β＝1时称为额定负载率。如果P指某一时段的平均负载功率，则b称该时段的平均负载率。从效率和功率因数来看，电动机的负载率β＝0.75～0.85范围内为最佳运行工况，当β<0.45时电动机运行工况将急剧恶化，导致了用电的浪费，就是轻载的“大马拉小车”了。2.电动机效率电动机效率是指其输出功率与输入功率之比。对电动机本身而言，输出功率就是它的有效功率，输入功率就是它的供给功率。电动机的效率有两种：一种是额定效率，它是指额定负载时的效率，又称铭牌效率，一般标注在电动机铭牌上；另一种是运行效率，它是指运行负载时的效率，一般载于产品样本之中。电动机效率可以用正、反平衡两种形式来表述。电动机的额定效率为（3-6）（3-7）式中ηN——电动机额定效率；PN——电动机额定功率，kW；Pi——电动机额定输入功率，kW；△PN——电动机额定功率损耗，kW。电动机的运行效率（3-8）（3-9）式中η——电动机运行效率；P——电动机运行负载下的输出功率，kW；Pi——电动机运行负载下的输入功率，kW；△P——电动机运行负载下的功率损耗，kW。如果P指某时段的平均负载功率，则η称为该时段的平均运行效率。电动机的损耗包括铁损耗、铜损耗、机械损耗和附加损耗。铁损和机械损为固定损耗，不随负载的变化而变化，机械损耗所占份额不大；铜损和附加损为可变损耗，随负载的变化而变化，附加损耗所占份额很小。额定效率是电动机性能的一个重要参数，从节电角度要选择额定效率高的电动机。电动机极少长期在额定负载下运行，在节电核算中更注意运行效率，特别是平均运行效率。在一个运行周期内，完成某一作业任务的平均运行效率越高，用电量就越少。3.电动机功率因数感应电动机除消耗有功电力外，还要消耗无功电力。电动机拖动工作机械做功要用电厂的燃料来低偿，这部分做功的电力叫做有功功率。感应电动机是在受旋转磁场感应作用下转动的电动机，为建立磁场所消耗的功率与有功功率不同，它是一种不做功的电力，不需要电厂的燃料来补偿，称为无功功率。无功功率不是无用功率，没有它感应电动机就不能转动做功。在交变磁场下工作的用电设备，同时存在有功与无功两种功率。其总功率称为视在功率，在数量上等于用功功率和无功功率的几何和，即（3-10）式中S——视在功率，kV·A；P——有功功率，kW；Q——无功功率，kvar。有功功率与视在功率的比值就是功率因数，又称力率，它等于有功功率与视在功率夹角的余弦（见图3-10），即（3-11）式中COSj——功率因数。当所需的有功功率一定时，无功功率越小，功率因数越高；无功功率等于零，功率因数最高，等于1。通常把功率因数的高低，作为衡量无功功率所占份额大小的尺度。感应电动机的运行功率因数，等于其输入功率和输入视在功率之比，即（3-12）式中U——电动机线电压，kV；I——电动机线电流，A。电动机在额定负载PN下的功率因数称为额定功率因数COSjN，一般它标注在电动机的铭牌上。与效率相似，运行功率因数亦随负载率的降低而下降，而且负载率越低下降越快。感应电动机是消耗无功功率最多的用电设备，它要占电力系统无功功率的70％左右。无功功率的存在，对电力系统的运行和电力用户均有不利影响。增加无功功率消耗将导致功率因数下降，从而限制电力系统发电和输配电提供有功功率的能力，并增加了包括用户供电网络在内的电网输配电有功损耗和降低了供电电压。由于无功功率消耗的增加，在技术上和经济上对电力系统产生了不利影响，所以在电价制度中对用户规定了标准功率因数，超过或低于标准功率因数的用户将按规定比例减少或增加应收电费。这种电价制度，旨在鼓励用户采取降低无功消耗的措施，以保证电力系统发挥更大的整体效益。电力用户的电费是按月收缴，月平均功率因数通过消耗的有功电量和无功电量来计算（3-13）式中WP——月有功电量，kW·h；WQ——月无功电量，kvar·h。4.电动机转速旋转磁场的转速称同步转速，同步转速只与供电频率和极对数有关（3-14）式中n0——同步转速，r/min；f——供电频率，Hz，f＝50Hz；p——极对数。如前所述，感应电动机转子的旋转方向和定子旋转磁场的方向是一致的，但总是小于旋转磁场的转速，两者之间的差称为转差或滑差，转差与同步转速之比称为转差率。转差率是感应电动机性能的一个重要参数，它可用下式表示（3-15）或

（3-16）式中s——转差率n——异步转速，即转子转速，r/min。因此，转子转速为n＝n0（1-s）（3-17）或（3-18）当转子以速度n在一个转速等于n0的旋转磁场内旋转时，旋转磁场与转子之间的相对速度等于n'＝n0－n，在转子绕组内的感应频率是（3-19）（3-20）式中f'——转差频率，即转子绕组频率，一般f'＝1～3Hz。从式（3-18）可以看到，感应电动机的调速方法只有三种：一种是改变供电频率f，二是改变磁极对数p，三是改变转差s。

第五章电力拖动的调速技术一、电力拖动的节电途径电动机的旋转，是建立在电磁理论基础之上的。感应电动机既消耗有功功率，把电能转换成机械能；又消耗无功功率，建立必要的旋转磁场。所以电动机节电一方面要提高它的运行效率，减少有功消耗；另一方面要提高它的运行功率因数，减少无功消耗。电动机的节电途径主要有两个：一是提高电动机的制造效率，采用高效电动机替代相对低效的普通电动机，它是提高运行效率和功率因数的基础，也是长期以来通行的一个主要节电技术措施；二是提高电动机的运行效率，采用调速技术改善启动性能和运行特性，提高电力拖动的系统效率。电力拖动存在的问题有两个：一个是运行中电动机的大多数，其平均负载率比较低，即使是高效电动机也经常处于低效区运转，导致电动机本身功效下降；另一个是恒速电动机不能满足工作机械的调速要求，采用低效耗能方式完成工艺作业，使整个拖动系统功效下降。它们是电力拖动在提高能效方面的主要技术障碍，也是需求方管理关注的重点领域。平均负载率过低的原因很多。比如选用电动机时不太了解负载工况，不注意电动机和工作机械的容量匹配，认为容量大总比容量小好；有的投产后长期达不到设计能力，负载太轻又总达不到预期负载；有的经过工艺改革或技术改造，工作机械负载下降，却没及时更换电动机等等，这就需要以与负载匹配的高效电动机来替代。还有些需要重载启动的电动机，使用与负载相匹配的普通电动机达不到启动转矩的要求，只有牺牲容量效益获得较高的启动转矩，致使电动机的负载率下降，采用启动性能好的调速技术是提高电动机负载率的一个有效办法。交流调速技术的快速发展，开辟了感应电动机调速节电应用的新领域。从调速技术用途观察，一类是生产工艺过程控制，另一类是调速拖动节电。生产工艺过程控制主要为了达到改善工艺和提高工效的目的，以获得产品质量和产量的效益，有些还兼得一定的节电效果，它广泛应用在国民经济各个部门的生产工艺设备的控制上。调速拖动节电的主要目的是提高电力拖动系统的整体用能效率，从而获得节电效益，主要应用在用电负载率低和工况变动较大的风机和泵类等流体设备的拖动上，部分用在用电负载率低和需重载启动的工作机械上，它们的节电效果最为显著，已经成为交流调速技术节电的首要应用领域。二、调速方式的类别根据感应电动机的转速特性表达式（3-18）可知，它的调速方式有三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节，比较成熟和广泛应用的有8种通用调速技术（见图3-11）。图3-11交流电动机主要调速方式分类图基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电动机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效调速方式的主要滑差调速（包括电磁离合器调速、液力偶合器调速、液粘离合器调速）、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力偶合器调速和和液粘离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。变极调速和滑差调速方式适用于笼型异步电动机，串级调速和转子串电阻调速方式适用于绕线型异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于笼型，也适用于绕线型异步电动机。变频调速和机械调速还可用于同步电动机。三、调速方式的技术特性（1）变极调速：变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数p是整数，它不能实现平滑调速，只能有级调速。根据式（3-14）可知，在供电频率f＝50Hz的电网，p＝1、2、3、4时，相应的同步转速n0＝3000、1500、1000、750r/min。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（见图3-12），图3-12中（a）的p＝2，（b）和（c）的p＝1。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制线路很简单，容易维护，对电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。适合于按2～4档固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。（2）串级调速：串级调速是在绕线型感应电动机的转子电路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势，用以减少转子电流，降低转子的转矩，从而达到调速的目的。这时，转子电路内不再串入外接附加电阻产生转差损耗，而是将转子的转差功率回馈电网或机轴，是一种高效调速方式。串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是电机串级调速系统（见图3-13）。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电机串级调速电路是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流器的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电动机，使系统复杂化，应用不多。电气串级调速系统比较简单，控制方便，应用比较广泛。串级调速的主要优点是调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大。缺点是对电网干扰大，调速范围窄，功率因数也比较低，与转子串电阻相比，主要是它的效率优势。（3）变频调速：变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。变频调速系统的关键装置是频率变换器，即变频器，由它来提供变频电源。变频器的变流元件目前主要有大功率三极管、晶闸管和可关断晶闸管三种。变频器可分为交－直－交（交流－直流－交流）变频器和交－交（交流－交流）变频器两大类。变频调速的突出优点是调速效率高，启动能耗低，调速范围宽，可实现无级调速，动态响应速度快，调速精度很高，操作简便，且易于实现生产工艺控制自动化。此外，在装置发生故障后能自动投入人工频运行，不会影响生产作业是它最显著的优点。由于它的调速性能优于其他调速技术，安装场地条件又比较灵活，应用范围广泛，是市场需求增长最快的调速方式。它的最大缺点是变频器技术复杂，初始投资高（尤其是高压变频器），对电网有干扰，要有较高的使用和维护技术。适用于要求调速范围宽、起停频繁、较长时间低速运行的场合，以及调速精度要求高的过程工艺控制设备上。（4）定子调压调速：定子调压调速是用改变定子电压实现调速的方法来改变电动机的转速，调度过程中它的转差功率以发热形式损耗在转子绕组中，属于低效调速方式。由于电磁转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电动机的机械特性，与某一负载特性相匹配就可以稳定在不同的转速上，从而实现调速功能。供电电源的电压是固定的，它用调压器来获得可调压的交流电源。传统的调压器有饱和电抗器式调压器、自耦变压器式调压器和感应式调压器，主要用于笼型感应电动机的减压启动，以减少启动电流。晶闸管是交流调压调速的主要形式，它利用改变定子侧三相反并联晶闸管的移相角来调节转速，可以做到无级调速。调压调速的主要优点是控制设备比较简单，可无级调速，初始投资低，使用维护比较方便，可以兼作鼠笼机的降压启动设备。缺点是调速效率比较低，低速运行调速效率更低；调速范围窄，只有对风机和泵类工作机械调速可以获得较宽的调速范围并减少转差损耗；调速特性比较软，调速精度差；对电网干扰也大。适用于调速范围要求不宽，较长时间在高速区运行的中小容量的异步电动机。（5）转子串电阻调速：转子串电阻调速是通过改变绕线型感应电动机转子串接附加外接电阻从而改变转子电流使转速改变的方式进行调速的（见图3-14），为减少电刷的磨损，中等容量以上的绕线型感应电动机还设有提刷装置，当电动机启动时接入外接电阻以减少启动电流，不需要调速时移动手柄可提起电刷与集电滑环脱离接触，同时使三个集电滑环彼此短接起来。串电阻调速的优点是技术成熟，控制方法简单，维护方便，初始投资低，对电网无干扰。缺点是转差损耗大，调速效率低；调速特性软，动态响应速度慢；外接附加电阻不易做到无级调速，调速平滑性差。适合于调速范围不太大和调速特性要求不高的场合。（6）电磁离合器调速：电磁离合器调速是由笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称滑差电机，属于低效调速方式。电磁调速电动机的调速系统，主要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成（见图3-15），直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的控制角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。它以笼型电动机作为原动机，带动与其同轴接连的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通。离合器的主动部分为电枢，从动部分分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁芯和励磁绕组构成，绕组与部分铁芯固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过滑环而直接由直流电源供电。当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。电磁离合器的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰，它可以空载启动，对需要重载启动的负载可获得容量效益，提高电动机运行负载率。缺点是高速区调速特性软，不能全速运行；低速区调速效率比较低。适用于调速范围适中的中小容量电动机。（7）液力偶合器调速：液力偶合器调速是指利用液力偶合器作为功率传递装置完成转速调节的调速方式，属于机械调速。液力偶合器是以液体（如矿物透平油）为功率传递的中间介质，利用其产生的功能传递功率的一种机械装置，它安装在笼型感应器电动机和工作机械中间，在电动机恒速运转的情况下，利用速度控制器调节充液量的变化来无级地调节工作机械地转速，由于它存在转差损耗，是一种低效调速方式。液力偶合器的旋转部件是功率传递的主体部件（见图3-16），它主要由泵轮、涡轮、输入轴、输出轴以及密闭的外壳形成的工作腔所组成，腔体内充有工作液体维持主动输入轴和从动输出轴的柔性连接。当泵轮从作为原动力的电动机取得能量后，腔内工作液体从泵轮叶片获得的能量以高速冲击涡轮叶片，使涡轮连同从动轴跟随泵轮同向旋转，把工作液的能量转化为推动涡轮旋转的机械能，从而拖动工作机械做功，实现了泵轮与涡轮之间的能量传递。控制工作腔内的充液量来调节工作机械的转速和传递功率，完成液力偶合器的调速功能，其中的工作液体是循环使用的。液力偶合器的优点是技术成熟，调速范围比较宽，有良好的启动特性，对电网无干扰，它可以空载启动，对需要重载启动的负载可获得容量效益，提高电动机运行负载率。缺点是调速效率比较低，动态响应速度慢，安装需要场地条件。适用于长期在高速区运行，调速精度要求不高的中大容量笼型电动机。（8）液粘离合器调速：液粘离合器调速是指利用液粘离合器作为动率传递装置完成转速调节的调速方式，属于机械调速。液粘离合器是利用两组摩擦片之间接触来传递功率的一种机械设备，如同液力偶合器一样安装在笼型感应电动机与工作机械之间，在电动机但速运行的情况下，利用两组摩擦片之间摩擦力的变化无级地调节工作机械的转速，由于它存在转差损耗，是一种低效调速方式。液粘离合器功率传递的主体部件是两组彼此穿插的摩擦片（见图3－17），润滑油从其中强制通过。两组摩擦片中的一组称主动摩擦片，与输入轴接连，另一组称从动磨擦片，与输出轴连接，利用速度控制器控制离合器工作活塞的油压来改变两组摩擦片的间距，通过增减它们之间的压紧力和相对滑动来传递功率，完成液粘离合器的调速功能。液粘离合器的性能与液力偶合器相似，在调速效率、调速范围和控制过载能力等方面优于液力偶合器。同样，它的调速效率比较低，动态响应能力差，安装需要场地条件。各种调速方式的一般性能和特点汇总于表3－5之中。表3-5交流电动机主要调速方式性能表（参考值）调速方式转子串电阻定子调压电磁离合器液力偶合器液粘离合器变极串极变频调速方法改变转子串电阻改变定子输入调压改变离合器励磁电流改变偶合器工作腔充油量改变离合器摩擦片间隙改变定子极对数改变逆变器的逆变角改变定子输入频率合和电压调速性质有级无极无极无极无极有级无极无极调速范围50％～100％80％～100％10％～80％30％～97％20％～100％2,3,4,档转速50％～100％5％～100％响应能力差快较快差差快快快电网干扰无大无无无无较大有节电效果中中中中中高高高初始投资低较低较高中较低低中高故障处理停车不停车停车停车停车停车停车不停车安装条件易易较易场地场地易易易适用范围绕线型异步机绕线型异步机笼型异步机笼型异步机笼型异步机同步电动机笼型异步机同步电动机笼型异步机绕线型异步机异步电动机

同步电动机注资料来源：1.王正华、钱正蒙、杨志荣等，电动机调速技术产业化途径与对策研究，中国科学技术协会工程学会节能专业委员会，1995；电动机调速是当今电力拖动节电、改善工艺、提高工效、遏制环境恶化、推动技术进步一个重要的技术支持手段。应当指出，由于各种调速在功能、性能、价格以及应用条件和操作经验上的差异，高效和低效调速、电气和机械调速、低压中小容量和高压大容量的调速装置都有广阔的应用领域，在大力发展高效调速方式的同时绝不能放弃技术成熟和价格相对低廉的低效调速方式。在调速方式的选择上重要的是选择合适的技术，提倡因地制宜、讲求实效，既要节电，又要增益，才可能为调速技术的应用和电力拖动节电开辟更广阔的道路。

第六章风机和泵类节电技术一、工作机械的负载特性负载特性是指电力拖动负载的转矩与转速之间的关系，也叫负载转矩特性。电动机节电，特别是调速节电，与负载特性的关系极为密切，除要了解电动机的运行特性之外，还要掌握被拖动工作机械的负载转矩随转速变化的特性。典型的负载特性有恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机泵类负载特性三种，见表3-6。表3-6电力拖动典型负载特性表转矩特性恒转矩特性恒功率特性风机泵类特性负载特性M=恒定值

Pµn·M

PµnP＝恒定值

Mµ1/nMµn2

Pµn3轴功率与转速关系轴功率与转速成正比轴功率与转速无关轴功率与转速三次方成正比典型负载起重机，压廷机，机床平移刀架等金属切削机床，恒张力卷取机等风扇，风机，水泵，油泵等注：资料来源，见参考文献[15]、[20]和[28]。恒转矩负载特性指负载转矩M与转速n无关的负载特性，当转速发生变化时负载转矩大致保持不变，它的轴功率P与转速n是正比关系。恒功率负载特性指转速n变化时轴功率P恒定不变的负载特性，它的负载转矩M与转速n是反比关系，相当一个双曲线。风机泵类负载特性是负载转矩M与转速n成平方关系，相当一个抛物线，它的轴功率P与转速是三次方关系。由此可见，风机泵类最适合以节电为目的的调速运行，能够取得显著的节电效益。二、风机和泵类拖动调速的节电效果风机和泵类是压缩或传输气体和液体两种流体的工作机械。它们的结构和工作特性基本相同，其工作特性主要表现在流量Q、风压或扬程H和轴功率P的关系上。

当风机和泵类的转速一定时，它们的轴功率与单位时间的内流过的流量和风压或扬程的乘积成正比，即PµQ·H(3-21)当风机或水泵的转速从n1变到n2后，流量Q1变到Q2，风压或扬程由H1变到H2，轴功率则由P1变到P2，它们之间的关系为(3-22)(3-23)(3-24)由于流量与转速成正比，风压或扬程与转速的平方成正比，轴功率则与转速的立方成正比，即Pµn3(3-25)风机和泵类的绝大多数是应用感应电动机作为拖动的原动机，它的主要任务就是按工艺要求传输和调节流量，因为普通笼型感应电动机本身没有调速功能，90％以上用调节挡板或闸门的开度来调节流量。风机和泵类设备是按最大流量选定的，当流量需要减少时，是通过减少挡板或闸门的开度、增加管网流体阻力的方法来实现流量调节，导致了风机和泵类运行的压头损失，其结果电动机的运行功率下降不大。由于风机和泵类的轴功率与转速的三次方成正比，采用调速方式调节流量替代挡板和闸门的流量调节，就会消除节流损失和同时提高风机和泵类的运势效率，虽然由于电动机负载率的下降会使其运行效率降低，但因风机和泵类运行功率的下降幅度很大，电动机的损耗也有所减少，最终使电动机运行功率大幅度下降（见图3-18），从而达到节电的目的。图3-18中的曲线1为风机在恒速下的H-Q特性曲线，曲线2为管网风阻特性曲线（风门挡板全开）。若风机在挡板全开位置，此时的运行点在A，其送风量Q1为100％，根据式（3－21）轴功率与面积AH1OQ1成正比。当风量需由Q1减少到Q2（如50％风量）时，如采用减小风门开度增加管网阻力的方法降低流量，则管网风阻特性曲线由2变到3，风机工况由A点移到B点，轴功率与面积BH2OQ2成正比，它与面积AH1OQ1相比减少不多。若采用调速方式降低流量，风机H-Q特性曲线下移为曲线4，在同一流量Q2下，轴功率与面积CH3OQ2成正比，它与面积BH1OQ2相比减少甚多，节省的功率损耗相当与面积BH2H3C成正比，可见节电效果相当显著。理论上，如果流量为额定流量的75％，使感应电动机转速控制在额定转速的3/4运行，其轴功率为额定功率的42％，与采用挡板或闸门调节相比，可减少58％的功率；如果流量下降到额定流量的50％，使感应电动机转速在额定转速的1/2运行，其轴功率为额定功率的1/8，与挡板或闸门调节相比，可减少7/8的功率。由于调速转差功率损耗和控制装置的附加功率损耗都比调速减少的功率损耗小得多，实际节电效果还是相当明显的。因此，调速技术应用在负载率偏低和流量变动较大的风机和泵类等流体设备的电力拖动上可获得显著的节电效益，这也是为什么风机和泵类是调速技术节电应用重点对象的主要原因