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电机节能降耗技术发展探讨

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摘要:针对工业电动机运行效率低,能源浪费严重问题,介绍了现有的电机节能技术,主要集中在电机自身降耗和先进的传动控制技术及装置两方面。进一步地,从这两方面分类详细介绍了常用的电机节能方法,并分析总结了每种电机节能技术特点。最后给出了电机系统整体节能设计方法。

关键词:电机节能;降耗;传动控制;电机系统

0引言

全世界工业用电动机消耗了总发电量的30%~40%,2006年7月,国际能源署电动机工作组调查报告指出:通过提高电动机效率并采用变频调速,每年可以降低7%的全球电能使用量[1]。据中电联发布的数据,截至到2016年底,中国发电机装机总容量为16.5亿千瓦[2],保守估算中国电动机装机容量高达20亿千瓦以上,并且其中90%以上都是普通效率电机,因此,对现有电机系统进行节能改造刻不容缓。电机系统是将不同装置或器件集成在一起实现特定功能的机电系统,包括电源、电动机、传动装置、传动控制系统及负载。据调查,通过改造或更换高效电机,可以节能2%~8%;高品质供电电源,可以节能0.5%~3%;高效传动装置,可以节能2%~10%;先进传动控制,可以节能10%~50%;合理地传动设计,节能空间较大;良好地操作和维护,可以节能1%~5%[1]。往往出于改造工程量和成本方面考虑,现有电机节能技术主要集中在电机自身降耗和先进的传动控制技术及装置两个方面。

1电机自身降耗

电机损耗主要包括定子铜耗、转子铜耗、铁耗、风摩耗及杂散损耗等。采用导磁性较好的磁性材料和低阻抗的导电材料,可以降低铜损和铁损,同时通过优化设计结构及制造工艺来降低杂散损耗[3]。对现有电机进行节能改造或选用新型节能电机,都可以有效降低电机自身损耗。

1.1电机硬件节能改造

电机硬件节能改造就是将低效电机通过重新设计,更换零部件等方法,将低效电机改造成高效率节能电机[4]。电机硬件节能改造是实现资源节约和循环经济的重要途径,主要方法包括:更换磁性槽楔、改变定子绕组形式、更换合适规格风扇、增加有效材料用量等[5-6]。

1.1.1更换磁性槽楔上世纪八、九十年代,国内一些工程技术人员使用磁性槽泥对电机进行节能改造。磁性槽泥成分主要包括还原铁粉和环氧树脂,将调制好的磁泥压抹在电机定子槽口处,放置等其固化成型[7-8]。华平昌[9]利用磁性槽泥改造JO2、J2系列电动机,不仅可以有效降低电机损耗,而且电机的噪声和振动也有所改善。磁性槽泥的涂抹量决定了电机磁楔导磁率,人工涂抹量及位置不宜精确控制,造成磁性不稳定,节能效果不佳,并且槽泥机械强度不高,容易磨损和脱落[10]。磁性槽楔可由层压、模压和引拔等方法制备,容易制造和加工,特别是力学性能有大幅提升,并且具有良好的电介性能、耐热性能和磁性能,成为提高电机效率非常有效且经济的方法[6,11-12]。Miyaji.T等[13]详细研究了脉振损耗与定子槽数和磁楔磁性能之间的关系,发现磁楔可以减少电机脉振损耗;KagaA[14]认为楔入磁楔可以增加电机阻抗,从而有效地减小电机空载电流和起动电流;赵勇[15]研究发现采用磁性槽楔,可以减小定子槽口气隙磁场的高次谐波,使电机振动和噪声状况得到有效地改善,从而提高电机效率;梁艳萍[16]建立了某型号电机二维瞬态场数学模型,通过计算仿真发现了磁性槽楔相对磁导率与电机转矩间的关系,给出了磁性槽楔可以减小电机的起动转矩和最大转矩的结论。磁性槽楔可以有效降低电机的空载附加损耗,减小电机振动和电磁噪声,降低电机温升,提高电机效率。但磁性槽楔的最大问题是使电机起动转矩和最大转矩下降,磁楔较低的电阻率导致电机涡流损耗上升。因此,存在一定转矩裕量的电机,采用磁性槽楔不失为提高效率的一项有效且简单的措施。

1.1.2改变定子绕组结构定子绕组的基波分布系数和谐波含量主要由定子绕组结构决定,也成为影响电机性能的主要因素之一。因此,采用合适的定子绕组结构改造原有电机绕组,可以提高电机的效率[5-6]。正弦绕组的主要特点是较高的基波分布系数和较低的谐波含量,相比于普通三相绕组,正弦绕组选取不同的绕组匝数,可以大大减小相带谐波。黄坚[5]在某型号电机样机上,开展了正弦绕组与普通绕组的对比试验,得到结论:采用正弦绕组,可以一定程度上降低电机损耗,从而提高电机效率和功率因数。张书姣[6]介绍了Δ-Y接线的混合绕组的绕线方法,发现改绕组形式可以更有效地消除或削弱高次谐波,降低电机损耗,并指出Δ-Y绕组尤其适合2极、4极电机,效率可提高2%~4%。

1.1.3更换合适规格风扇秦和[17]研究表明:对于较大功率的2极、4极电机,风摩损耗占有相当大的比例,如90kW2极电机风摩耗可达总损耗的30%左右;风摩损耗主要是电机冷却风扇所产生的损耗,风扇通风功率正比于风扇直径的4次方~5次方,因此,在电机正常的运行温度下,选用较小尺寸的风扇,可以进一步降低风摩损耗。黄坚[5]通过开展不同尺寸风扇的对比试验,也得出相似的结论:风扇直径是决定电机风摩损耗和温升的主要因素,在选取风扇尺寸时,既要考虑电机的冷却要求,同时又要保证电机的风摩损耗最小。选取合适风扇,可以有效降低通风损耗,而且硬件开销较低,因此,合理的风扇设计成为提高电机效率的重要手段之一。

1.1.4增加有效材料用量电机绕组铜耗不仅造成电机运行温度升高,影响电机的运行性能,而且绕组铜耗是电机损耗的主要组成部分,对电机效率有很大的影响[18]。电机绕组的铜损除了受到负载的影响外,还和绕组线圈自身的电气性能有关。选取优良的导线材料,降低电机绕组内阻,可以进一步降低电机的能耗。将电机绕组绝缘材料从沥青云母带改为B级胶带后,可增大15%~20%的绕组铜线截面积,电机发热进一步降低。保持不变的槽满率,适当增加导线截面,可提高1.5%~4%的电机效率[3,6]。效率较高的电机,单纯增加材料的使用量,并不一定会取得合理的经济收益,应该采用技术经济指标综合评价其经济性。

1.2新型节能电机对现有电机进行节能改造,受制于改造成本、机械结构、材料类型及用量、装配工艺等限制,往往很难进一步提高电机效率。随着电机制造新技术、新材料、新理念的发展,综合考虑电机负载与运行工况,产生了稀土永磁电动机、开关磁阻电机、变极变容量电机等新型节能电机,已逐步进入工业生产现场代替低效电机,取得了不错的效果。

1.2.1稀土永磁电动机稀土永磁材料具有优良的磁性能,无需要外部激励,充磁后能够产生很强的永磁场,从而可以替代传统电机的电励磁场。因此,稀土永磁电机具有体积小、重量轻、效率高等优点[19]。异步起动高效永磁同步电动机使用较为广泛,可以有效替代异步电机。相比于普通异步电动机,稀土永磁同步电动机转速无滑差,没有转子基波铁耗和铜耗;在各种负载工况场合,其功率因数稳定在1附近,无功功率很小,电机定子电流明显下降,从而降低电机损耗和线路损耗;稀土永磁电动机具有高而平的效率特性曲线,在很宽的负载工况区间,稀土永磁电机依然能够保持很高的效率,因此,在相同负载下,稀土永磁电机效率远高于较异步电动机,特别在低负载工况下稀土永磁电机效率高的优势更加明显[20]。尽管稀土永磁电机在性能上具有许多优势,仍然存在一些问题亟待解决。稀土永磁材料存在高温退磁现象,退磁曲线非线性,并且在起动、刹车以及故障时,引起线圈电流激增,可能造成不可逆退磁,因此,提高永磁材料热稳定性是国内外学者和生产企业研究的重要内容;稀土永磁电机异步起动过程中,产生的转矩脉动对负载设备造成机械冲击,需要加以抑制;成本高,装配难度大,生产费时费力。

1.2.2开关磁阻电机开关磁阻电机(SRD)主要包含电动机和控制器两部分。其电动机具有定子、转子双凸极、磁阻可变等特点。转子上没有绕组和永磁体,集中绕组分布在于定子铁芯上,且径向的两个绕组串联,构成一个两极磁极,简述为一相。通过设计各种不同的相数结构,结合不同的定、转子的极数,可以得到不同的开关磁阻电动机[21]。开关磁阻电机的旋转方向可以通过控制绕组通断的顺序来改变,而其转速调节可以通过控制绕组的电流大小来实现。相比交流异步电动机变频调速系统,SRD整体效率至少提高3%,在低速工况下,其效率提升高达10%以上,效率高节能效果好;起动转矩约为额定转矩的3~4倍,而起动电流小于30%额定电流,低速性能好;调速范围广,调速比大于20∶1,调速平滑无级;功率因数高,适合于频繁启动,频繁正、反转;负载特性好,稳定精度高,在负载大小变化时,转速可保持不变[19,21,22]。SRD采用脉冲供电,瞬时转矩脉动大,造成较大的机械震动和噪声,需要从电机内部结构和控制方法两个方面对转矩脉动和噪声进行抑制;SRD通常运行于深度磁饱和状态,导致SRD电机数学模型存在非线性和不确定性,给SRD精准建模制造了不小的难度;SRD需要实时检测转子位置来控制其绕组的通断,位置检测器增加了系统体积和成本,降低了系统可靠性,目前国内外也成功地开发出无位置检测器的SRD,但距实际应用还需要进一步地研究优化;大功率SRD的发热较严重,限制了其向大容量发展[23-25]。

1.2.3变极变容量电机变极电机是指可以通过改变电动机定子绕组的极对数来改变电动机转速的电动机,包含多绕组式和单绕组式。绕组连接形式是变极电机设计的核心,并且还需要选取合适的槽楔结构,以减小电机谐波磁场的影响[26-27]。绕组设计主要原则是选择合适磁通密度的定子励磁,防止过励出现铁心严重饱和。曹鹏[28]详细分析了抽油机负载特性及工况,参照变容量电机结构特点,对抽油机三相异步电机进行了变容量改造:在普通三相异步电机机壳内,设计2套独立的定子线圈和转子,并且2个转子共同安装在一根输出转轴上,从而实现对电机容量的拆分,使普通异步电机获得3种工作容量。如55kVA的电机按1∶2的比例拆分,可以获得18kVA、37kVA和55kVA三种固定工作容量,从而可以根据抽油机工况切换合适的电机容量,减小电机能耗,提高抽油机效率。变极变容量电机通过辅助控制改变定转子结构来适应不同负载工况,虽然在一定程度上可以提高电机效率,实现电机速度调节,但是电机绕组设计复杂,铁心容易饱和,调速范围有限且不平滑,应用场合有限。

2先进的传动控制技术及装置

电动机传动节电技术主要可以划分为两类:一类是调节端电压频率节能;另一类是调节端电压幅值节能。前者适合于风机、泵等对电动机转速无具体要求的场合;后者适合于起重机、抽油机等要求电动机工作在额定转速下的空载或轻载场合[29]。

2.1调压节能

电动机工频恒压运行时,负载减小,其输出功率也会减小,转子电流下降使转子铜耗降低,此时,定子电压保持不变,从而使定子损耗、杂散损耗、机械损耗保持不变,导致电动机功率因数和效率降低。因此,轻载时,可以通过降低定子电压,以减小励磁电流,从而降低定子损耗,提高电机效率及其功率因数[30],并且调压装置相对变频节能装置结构和控制简单、成本低,在轻载或空载工况下得到了广泛地应用[31-36]。马新春[32]开发了一套三相异步电动机的调压节能控制装置,该装置通过晶闸管调压实现软启动,降低了电动机启动过程中的电流冲击,并且在电动机运行时,通过调压控制,保证电机具有最优的可测功率因数;甘世红[33]设计了一种基于PIC16F877单片机的异步电动机节能控制装置,该装置具有软起动功能,以恒定的功率因数为控制目标,通过实时调节电动机的输入电压来跟随负载的变化,进而实现节能;徐杭田[34]开发了一套三相交流异步电动机的调压节电控制系统,该系统选取功率因数作为系统的一个反馈控制量,同时增加电流反馈控制环节,检测电流变化量,设置负载突变诊断以及快速升压环节,解决了电机节能控制器输出稳定性和快速性之间的矛盾。当在重载运行时,若电压降低很大,电机的电磁转矩无法克服空载转矩和负载转矩,则转速急剧下降,电机无法稳定运行而最终停转。因此,降压程度受到电机转矩和转速两方面的制约[31,37]。为保证电机能够正常工作,电机端电压不能下降过大,必须保证电动机所提供的最大电磁转矩大于空载转矩与负载转矩之和;电机端电压不能下降太多,必须保证定转子电流不能超过额定值,励磁电流不能进入饱和区。电机稳定运行的条件是转差率S必须在0~Smax(最大转矩对应转差率)范围内变化。

2.2变频节能

随着电力电子和计算机技术的高速发展,变频调速技术广泛应用于电机系统,大大降低了异步电动机能耗[38]。常用的变频控制方法包括恒压频比控制、转差率控制、矢量控制和直接转矩控制等,恒压频比控制和转差率控制都是基于电机的静态模型,控制方法比较简单;而矢量控制和直接转矩控制基于电机的动态模型,虽然可以获得良好的调速特性,但其控制方法较为复杂[39]。恒压频比控制保持电机的额定电压与额定频率之比不变,控制电压频率的同时相应地调整电压幅值,从而实现调速,运行时电机磁通保持恒定,该方法适用于恒转矩负载。邹德蕴[40]针对矿井主通风机系统运行效率低的问题,采用交流变频调速技术来控制矿井主通风机的运转。为了保证定子气隙磁通量恒定,在改变f0时应同时改变U0,即U0与f0的变化量要同步控制与调节,使U0/f0为恒定常数。变频调速起到了无级调速的作用,且调速范围大、精度高,在保证矿井所需风量的条件下,电机有用功率和无用功率比工频恒速时有了极大的降低。转差率控制基于恒压频比控制,并引入转速闭环控制,在电机的稳态运行范围内,可以获得转差率与输出转矩之间近似的正比关系,通过调节转差率就可以调节输出转矩,实现调速的目的。李阳[41]基于感应电机稳态数学模型,设计了一种能量优化控制方法:在恒压频比控制的基础上,构造负载电磁转矩观测器来估计转矩值,从而获取最优转差率,通过转差调节器来调整定子电压。矢量控制通过3/2变换,将三相定子电流分解为二相的励磁电流和转矩电流,励磁电流为电机的额定励磁电流,调节转矩电流就可以实现输出转矩的调节。陈帅[42]在异步电动机的稳态简化等效电路基础上,获得功率因数与转差角频率间的数学描述,设计了一种异步电动机矢量控制系统,通过现场试验表明:该系统适用于空载和轻载工况,可以取得明显的节能效果;而重载工况下,该系统节能效果不佳。直接转矩控制分别对电机的磁链和转矩进行独立控制,以提高电机的动态特性。薛朝妹[43]开发了一种游梁式抽油机直接转矩节能控制系统,该系统采用直接转矩控制技术,选取定子磁链和转矩两个控制变量,无需进行变换控制,实现电机的输出转矩对电机负载变化的快速响应,具有控制手段简单、转矩响应速度快、动态特性优异等优点,系统测试表明节电效果显著,适用于电压或负载突变等场合。变频装置自身存在损耗,会额外增加整个电机系统损耗。在变频装置控制下,感应电机将增加1%~2%损耗,电机系统总损耗将增加4%~8%。因此,采用变频调速系统需要综合考虑节能收益和硬件购置维护成本[19]。此外,电机本身存在非线性耦合和参数不确定性,难以建立精确的动静态模型,影响后续电机的变频控制效果。

3电机系统节能设计

电机系统节能是指提高整个电机系统的效率,既要保证电机自身效率和拖动装置效率的最优化,还要追求系统整体与子单元效率的最优化。首先,必须了解被改造电机系统核心的工艺参数、工艺流程、设备参数以及目前运行状况的记录数据等。其次,需要了解被改造电机系统现有的能耗情况,通过现场调查,制定详细的测试方案,分析测试数据,计算结果,并根据测试结果,分析出设备运行状态,找出影响其效率的主要因素。再次,根据主要影响因素以及该电机系统运行特点,针对性地制定适合该电机系统节能改造方案,初步估算每个改造方案设备硬件成本,并且深入分析计算每个改造方案的节能效率。最后,对每个改造方案在其寿命周期内的各项成本进行综合考虑,包括硬件采购成本、安装调试成本、维护成本和电能成本等,选择经济、安全、可靠的最优方案,将电机系统整个安全使用寿命内的成本降到最低。

4结语

电机节能技术应用可以节约设备运行开支、降低资源消耗、保护环境。通过电机自身改造来提高现有电机效率,既可以使原有电机性能得到有效改善,又可以大大降低资金开销,实现了资源的循环利用。通过先进的传动控制技术和装置,可以使电机运行在合理的区间内,不仅可以实现与负载工况的良好匹配,而且可以降低电机起停过程中的冲击,调速范围广且平滑,节能效果显著。最后对电机系统进行整体节能设计,最终确保电机系统安全寿命周期内各种成本最小化。

作者:邓攀;鲁新义;李华 单位:宝钢股份中央研究院武汉分院(武钢有限技术中心)

电机节能降耗技术发展探讨责任编辑:张雨    阅读:人次