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电机系统节能概述.pdf
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—培训讲义 1
电机系统节能概述
赵昭
电机作为水泵、风机、空压机、制冷压缩机等各种设备的动力,是一种将电能转换为机
械能的转换装置,广泛应用于冶金、化工、纺织、造纸、交通、建筑、矿山、食品等行业,
属于量大面广的通用标准产品。据业内有关专家估算,我国电机的总装机容量己达 5 亿多
kW,年耗电量达 1 万亿 kw h 以上,约占全国用电量的 10%,占全国工业用电量 70%左右。
在我国大、中、小各类在用的电机中,三相异步电动机用电量占电动机总用电量的 90%左
右;37kW 及以下电动机占电动机总装机数 95%以上、占电动机总用电量的 50%左右。
我国电机的能效现状
我国有一定规模的中小电机生产企业有 300 家左右,生产的中小型电机有 300 个系列,
1500 个品种,产品以一般效率的 Y、Y2、Y3 系列和高效率的 Y2-E、YX3 系列,其中 Y 系
列电机为我国 80 年代产品,Y2 系列为 90 年代产品,Y3 系列基本达到了 21 世纪初国际同
类的先进水平,可达到欧洲能效标准的 eff2 水平,目前属于全国推广产品。YX3 系列基本
可达到欧洲能效标准的 eff1 水平,同时达到 GB18613-2006《中小型三相异步电动机能效限
定值及能效等级》中能效等级 1 级要求。
我国可生产 Y2-E、YX3 系列及其它多种型号的高效电机,并能批量出口到欧美,说明
我国的电机制造水平目前大公司已达到世界先进水平。我国使用的电机 70%以上均是中小
交流电机,主要集中在 3kW 至 90kW,平均效率为 89.3%。高效电机的平均效率可达 94%。
我国中小型交流电机占电机总量的 70%,每年新增中小型电机的损耗约为 78.6 亿 kWh,如
使用高效电机,可节能 950 万 kW;如将旧电机全换为高效电机,可节能 550 万 kW。高效
电机的投资回报,以 55kW 电机为例,回收期为 1.06 年;以 22kW 电机为例,回收期为 1.48
年。
我国于 2002 年出台第一部有关电机的能效标准:GB18613—2002《中小型三相异步电
动机能效限定值及节能评价值》,2004 年国家发展和改革委员会制定了《节能中长期专项规
划》,把高效节能电动机列入第十一个五年计划中的重点节能推广项目,同时于 2005 年 6
月对 GB18613 标准进行修定。2006 年 8 月发布了 GB18613—2006《中小型三相异步电动机
能效限定值及能效等级》标准。
该标准参考了欧盟 EU—CEMEP 协议、澳大利亚与新西兰 AS/NZS 1359.5 同类标准,
直接采用了欧洲 eff1 和 eff2 的效率标准。该标准根据我国电动机生产和使用的现状,对电
动机的效率水平进行了 3 个等级的分级,即Eff1 ,Eff2 和 Eff3。标准规定 Eff3 为能效限定值
(最低效率值),效率 Eff2 值在 GB18613—2006 标准实施之日 4 年后开始执行(2010 年 12
月),并替代 Eff3 的电机能效限定值,成为我国电机最低效率保证值。
1
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电机系统包括电动机、被拖动装置、传动系统、控制系统以及管网负荷等,电机系统
一首先是通过电动机将电能转化为机械能,再通过被拖动装置做功,实现所需的各种功能。
电机系统节能潜力大,主要表现为:
(1)电机及拖动设备效率低;
(2)系统运行效率低。系统匹配不合理,“大马拉小车”现象严重。
四. 电动机提高效率的措施
电机的节能是一项系统工程,涉及电动机的全寿命周期,从电机的设计、制造到电动机
的选型、运行、调节、检修、报废,要从电机的整个寿命周期考虑其节能措施的效果,国内
外在这方面主要考虑从以下几个方面提高电机的效率。
节能电机的设计是指运用优化设计技术、新材料技术、控制技术、集成技术、试验检测
技术等现代设计手段,减小电动机的功率损耗,提高电动机的效率,设计出高效的电机。
电机在将电能转换为机械能的同时,本身也损耗一部分能量,典型交流电机损耗的分布
见表 3,表 4。这些损耗一般可分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分。可变损耗是随
负荷变化的,包括定子电阻损耗(铜损)、转子电阻损耗和电刷电阻损耗;固定损耗与负荷
无关,包括铁芯损耗和机械损耗。铁损又由磁滞损耗和涡流损耗所组成,与电压的平方成正
比,其中磁滞损耗还与频率成反比;其他杂散损耗是机械损耗和其他损耗,包括轴承的摩擦
损耗和风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗;其主要提高效率的措施有:
表 3 交流电机的损耗及比例
电机的损耗
定子绕组铜耗
转子绕组铜耗
铁芯损耗
占总损耗的比例
35~40
15~25
15~25
电机的损耗
通风摩擦损耗
杂散损耗
占总损耗的比例
5~10
10~15
表 4 标准感应电机中满载时的损耗分布
50 hp 感应电机
损耗分布
W
定子绕组铜耗
转子绕组铜耗
铁芯损耗
机械损耗
附加杂散损耗
电机总损耗
输出功率
标准电机的平均损耗(% )
损耗(%)
38
22
20
8
12
100
2
标称损耗
0.04
0.02
0.02
0.01
0.01
0.01
37
18
20
9
16
1540
860
65
300
452
3917
37300
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输人功率
效率(%)
41272
90.5
电机定子绕组电阻损失:降低电机定子绕组的电阻是减少定子损失的主要手段,实践中
采用较多的方法是:(1)增加定子槽截面积,在同样定子外径的情况下,增加定子槽截面积
会减少磁路面积,增加齿部磁密;(2)增加定子槽满槽率,这对低压小电机效果较好,应用
最佳绕线和绝缘尺寸、大导线截面积可增加定子的满槽率;(3)尽量缩短定子绕组端部长度,
定子绕组端部损耗占绕组总损耗的 1/4~1/2,减少绕组端部长度,可提高电机效率。实验表明,
端部长度减少 20%,损耗下降 10%。
电机转子绕组电阻损失:电机转子的损失主要与转子电流和转子电阻有关,相应的节能
方法主要有:(1)减小转子电流,这可从提高电压和电机功率因素两方面考虑;(2)增加转
子槽截面积;(3)减小转子绕组的电阻,如采用粗的导线和电阻低的材料,这对小电机较有
意义,因为小电机一般为铸铝转子,若采用铸铜转子,电机总损失可减少 10%~15%,但
目前铸铜转子所需制造温度高且技术尚未普及,其成本高于铸铝转子15%~20%.
电机铁耗损失:电机铁耗损失可以由(1)减小磁密度,增加铁芯的长度以降低磁通密
度,但电机用铁量随之增加;(2)减少铁芯片的厚度来减少感应电流的损失,如用冷轧硅钢
片代替热轧硅钢片可减小硅钢片的厚度,但薄铁芯片会增加铁芯片数目和电机制造陈本;(3)
采用导磁性能良好的冷轧硅钢片降低磁滞损耗;(4)采用高性能铁芯片绝缘涂层;(5)热处
理及制造技术,铁芯片加工后的剩余应力会严重影响电动机的损耗,硅钢片加工时,裁剪方
向、冲剪应力对铁芯损耗的影响较大。顺着硅钢片的碾轧方向裁剪、并对硅钢冲片进行热处
理,可降低 10%~20%的损耗 等方法来实现。
电机杂散损失:目前对电机杂散损失的认识仍然处于研究阶段,现今一些降低杂散损失
的主要方法有:(1)采用热处理及精加工降低转子表面短路;(2)转子槽内表面绝缘处理;
(3)通过改进定子绕组设计减少谐波;(4)改进转子槽配合设计和配合减少谐波,增加定、
转子齿槽、把转子槽形设计成斜槽、采用串接的正弦绕组、散布绕组和短距绕组可大大降低
高次谐波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代传统的绝缘槽楔、用磁性槽泥填平电机定子铁芯槽
口,是减少附加杂散损耗的有效方法。
电机摩擦损失及流动损失:摩擦损失和流动损失以往未得到人们应有的重视,它占电机
总损失的 25%左右。摩擦损失主要有轴承和密封引起,可由(1)尽量减小轴的尺寸,但需
满足输出扭矩和转子动力学的要求;(2)使用高效轴承;(3)使用高效润滑系统及润滑剂;
(5)采用先进的密封技术,如有无弹簧的新密封使用情况的报道,称通过有效减少与轴的
接触压力,可使以 6000 rpm 转动的 45mm 直径的轴降低损耗近 50 W;流动损失是由冷却风
扇和转子通风槽引起的,用于产生空气流动来冷却电机。流动损失一般占电动机总损失的
20%左右。整个电动机的流体力学及传热学分析较复杂,其复杂程度甚至超过航天飞机部件
分析,好的流体力学和传热学设计会极大提高电机的冷却效率并降低流动损失。
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