變頻調速系統與高效電機的節能分析
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摘要：電機高效節能的兩種重要方式：變頻調速系統與高效電機。分析了變頻調速系統在風(fēng)機與泵類(lèi)負載中的節能原理與特點(diǎn);高效電機提高效率降低損耗的措施，與普通電機區別的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：電機節能;變頻調速系統;高效電機;節能分析
1. 引言
隨著(zhù)環(huán)境惡化、資源匱乏，節能環(huán)保理念越來(lái)越深入到經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展中，各國都在節能環(huán)保技術(shù)及推廣方面加大投資。隨著(zhù)我國《“十二五”節能環(huán)保產(chǎn)業(yè)規劃》的出臺，節能環(huán)保被推上了一個(gè)新高度。據中投顧問(wèn)發(fā)布的《2011-2015》年中國高效節能電機行業(yè)投資分析及前景預測報告顯示，目前我國電動(dòng)機裝機總容量已達4億多KW，年耗電量達1.2萬(wàn)億KWh，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%，其中風(fēng)機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過(guò)2億KW，年耗電量達8000億KWh，占全國總用電量的40%左右。這些電動(dòng)機大多在較低的電能利用率下運行，只要將這些電動(dòng)機電能利用率提高10～15%，全年至少可節電100億KW以上。足以看出電機節能的市場(chǎng)巨大潛力和重要性。電機耗能現象嚴重，不僅增加了企業(yè)生產(chǎn)成本，造成了電力能源的極大浪費，更與我國推行的節能減排戰略不相符。目前提高電機運行效率可以有效地改變電機的高能耗現象，節能效果十分明顯，能耗可比普通電機降低20%至30%。電動(dòng)機節能的主要途徑，一是通過(guò)變頻調速系統，改善變頻電機的運行效率;二是使用高效電機。
2. 變頻調速節能
變頻調速技術(shù)用于節能，目前用得最多的是對風(fēng)機、泵類(lèi)負載設備的調速節能，原因是風(fēng)機、泵類(lèi)負載的轉矩與轉速的平方成正比。用調速的方法改變其負載流量，節電率可達20%～60%等。我國電廠(chǎng)大部分風(fēng)機和水泵都采用定速驅動(dòng)，靠調節風(fēng)門(mén)、風(fēng)道擋板或閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調節風(fēng)機風(fēng)量，水泵流量來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝對風(fēng)量和水泵流量的要求，造成的電能浪費很?chē)乐�。只有少數風(fēng)機和水泵增設了液力偶合器等裝置調速，雖然改變了負載轉速，但是電動(dòng)機轉速不變，部分能量損耗在液力偶合器中，其運行效率較低，節能效果不明顯。若采用高壓變頻器對風(fēng)機水泵進(jìn)行改造，通過(guò)改變風(fēng)機水泵轉速，從而改變風(fēng)機風(fēng)量，水泵流量以適應生產(chǎn)工藝的需要，運行能耗最省，節能效果非常明顯�，F在變頻調速技術(shù)已成為最理想的一種調速節能方式。
2.1原理。
(1)變頻調速就是通過(guò)改變輸入電源頻率來(lái)調節變頻電動(dòng)機的轉速。
2.2特點(diǎn)。
(1)變頻調速可以實(shí)現變頻起動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間短，啟動(dòng)電流小，拖動(dòng)更大的負載轉動(dòng)慣量，并且啟動(dòng)平穩，可無(wú)極平滑調速，對電網(wǎng)及電機無(wú)損害，延長(cháng)機電設備使用壽命。
(2)操作方便維護簡(jiǎn)單，無(wú)需設置調節擋板，避免了節流帶來(lái)的能量損耗。需要調節流量、壓力時(shí)，根據前面公式可知，只要改變頻率來(lái)改變電動(dòng)機轉速即可。
(3)采用變頻調速不僅降低風(fēng)機水泵的故障率，減少維修費用及管理費用的投入，同時(shí)也提高系統自動(dòng)調節品質(zhì)，節電效果明顯。
(4)采用變頻恒壓供水可消除水錘效應，實(shí)現閉環(huán)供水，用戶(hù)可直接從管網(wǎng)取水，避免了高水位水箱、水塔儲水的二次污染。不僅系統具有保護功能，自診斷和自處理能力強，實(shí)現樓宇智能化。
總之，變頻調速作為新型調速節能手段，有利于風(fēng)機、水泵的安全經(jīng)濟運行。不足之處是對電源的質(zhì)量、變頻器的工作環(huán)境以及電機要求比較高，維修費用高等。
3. 高效電機
高效電機是指效率較高的電機，其效率應該滿(mǎn)足相關(guān)的能效等級要求。高效電機將新制造工藝及新材料完美運用到核心部件上，通過(guò)電機線(xiàn)圈優(yōu)化設計，有效降低電磁能、熱能和機械能的損耗，提升運轉效率，電機發(fā)熱量小、運行壽命長(cháng)。
3.1降低損耗優(yōu)化措施：
眾所周知，電動(dòng)機的損耗主要由定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗組成，高效、超高效電動(dòng)機的開(kāi)發(fā)，必須從降低這五大損耗著(zhù)手，采取多種措施，挖掘潛力，降低損耗，提高電動(dòng)機的效率。
3.1.1增加有效材料，降低銅耗和鐵耗。對于高效電機，由于效率指標提高較大，為降低繞組損耗和鐵心損耗，需要適當降低電流密度和磁感應強度，因此相應放大了導線(xiàn)截面和增加了鐵心長(cháng)度，部分機座放大了沖片外徑，從而相應增加了有效材料用量。
3.1.2采用相對較高牌號的磁性材料，降低鐵耗。由于受到軸向尺寸和中心高的限制， 單純的增加有效材料達不到大幅降低鐵耗的目的，因此必須選用更低損耗的冷軋硅鋼片，這對中、大功率規格的電動(dòng)機尤為重要。
3.1.3合理控制電動(dòng)機溫升。由于溫升受使用材料的多少和機械損耗的影響，在材料不變的情況下，通過(guò)增大冷卻風(fēng)量降低溫升，隨著(zhù)溫升的下降，定、轉子銅耗下降，機械損耗上升，如果定、轉子銅耗下降大于機械損耗上升，效率就會(huì )提高，反之，效率就會(huì )下降。因此合理控制溫升對高效電機提高效率起到關(guān)鍵作用。
3.1.4降低雜散損耗的措施。
(1)改變槽配合當諧波磁場(chǎng)對鐵心表面發(fā)生相對運動(dòng)時(shí)，就在鐵心鋼片的表面層附近產(chǎn)生渦流損耗和磁滯損耗，因此稱(chēng)為表面損耗，其中主要是渦流損耗。這部分損耗與諧波磁場(chǎng)的幅值和頻率有關(guān)，幅值和頻率受槽數多少影響，因此這部分損耗與定、轉子槽數有關(guān)。
(2)增大電動(dòng)機氣隙，進(jìn)而減小定、轉子諧波磁通的幅值，可以有效地減少雜散損耗。
3.2高效電機特點(diǎn)：
(1)效率高，IE2 比IE1 平均高3%，IE3 比IE1 平均高近5%左右。
(2)需使用更多高質(zhì)量的材料。IE2 比IE1 電機成本高25%～30%，IE3 比IE1 電機成本高40%～60%左右。
(3)由于運行溫度較低，電機壽命更長(cháng)，可降低維護成本。
(4)典型設計情況下起動(dòng)電流較大些。
(5)轉子慣量較大。
(6)額定負載下轉速較高，轉差率較小。
從節約能源、保護環(huán)境出發(fā)，高效電機是現今國際發(fā)展趨勢。2013年工信部將從推廣高效電機、淘汰低效電機以及既有電機系統節能技術(shù)改造等6個(gè)方面入手，推廣、淘汰和節能改造電機及電機系統1億千瓦，擴大高效電機市場(chǎng)份額，促進(jìn)電機產(chǎn)品升級換代和產(chǎn)業(yè)升級。
4. 結束語(yǔ)
本文詳細的分析了變頻調速系統在風(fēng)機與水泵負載中通過(guò)改變頻率進(jìn)行速度控制，達到節能的目的，高效電機降低損耗等措施，有效提高電動(dòng)機效率。這對于我國貫徹節能減排國策，節約能源，提高企業(yè)經(jīng)濟效益無(wú)疑具有巨大的意義。
參考文獻
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