高效電機(jī)發(fā)展技術(shù)動態(tài)
時間：2019-10-10 來源：http://www.gxjndj.com
電機(jī)高效節(jié)能技術(shù)是電機(jī)行業(yè)倍受矚目和快速發(fā)展的熱點技術(shù)。介紹了電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能潛力，從電極本體節(jié)能、變頻調(diào)速節(jié)能和電極系統(tǒng)節(jié)能三個方面介紹了目前的高效節(jié)能電機(jī)技術(shù)，并具體分析了幾種節(jié)能電機(jī)，最后簡單介紹了各國推廣高效節(jié)能電機(jī)的情況。
1 引言
根據(jù)國際能源署電動機(jī)工作組2006年7月的報告，通過改善電動機(jī)效率結(jié)合變頻調(diào)速可以節(jié)約世界范圍內(nèi)的7％的總電能。粗略統(tǒng)計改善電動機(jī)的效率可以節(jié)約其中1/4～1/3的電能；剩余的部分來自系統(tǒng)整體性能的改善。IEC60034-30“單速三相籠型感應(yīng)電動機(jī)的能效分級”標(biāo)準(zhǔn)指出：全世界工業(yè)用電動機(jī)消耗了總發(fā)電量的30%～40%，提高電機(jī)系統(tǒng)的效率，廣泛使用高效電機(jī)節(jié)能電極，是電力節(jié)能的重點和關(guān)鍵。據(jù)估計通過電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化其節(jié)能潛力可達(dá)到30%～50%以上。
歐盟的“提高高效電動機(jī)和驅(qū)動的市場份額”SAVEⅡ研究報告指出：工業(yè)用電動機(jī)消耗電能已占工業(yè)用電消耗的73%。歐盟各工業(yè)部門電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)消耗電能的比例為：泵類22%，風(fēng)機(jī)16%，空壓機(jī)18%，制冷壓縮機(jī)7%，輸送機(jī)2%，其他電機(jī)為36%，即風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)類共占總消耗電能的63%。而據(jù)中國電監(jiān)會2008年4月公布的數(shù)據(jù)，截止到2007年底，中國發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量已達(dá)7.13億千瓦，而電動機(jī)的裝機(jī)容量已達(dá)10億千瓦以上。但據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)市場銷售的高效電機(jī)只占電動機(jī)銷售總量的1%左右，電動機(jī)整體效率比國外先進(jìn)水平低20%-30%。因此我國電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能潛力非常大。
2 工業(yè)電機(jī)的本體節(jié)能
縱觀世界各國的成功經(jīng)驗，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能都是率先從電機(jī)產(chǎn)品本體節(jié)能開始。工業(yè)用電機(jī)分直流和交流二大類，據(jù)Eu-25(2006)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，歐盟在用的工業(yè)電動機(jī)中，交流電動機(jī)占96.2%，直流電動機(jī)占3.8%。在交流電動機(jī)中，三相感應(yīng)電動機(jī)占87%，單相感應(yīng)電動機(jī)占4%，同步電動機(jī)占5%，交直流兩用電動機(jī)占4%，三相感應(yīng)電動機(jī)又分籠型和繞線型轉(zhuǎn)子兩種，但繞線型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)使用較籠型感應(yīng)電動機(jī)少得多?；\型感應(yīng)電動機(jī)具有成本較低，可靠性好，維護(hù)簡單，通過調(diào)速驅(qū)動易于控制等優(yōu)點，且三相籠型感應(yīng)電動機(jī)消耗的電能占全部工業(yè)電動機(jī)消耗電能的90%以上，因此，世界各國都將提高三相籠型感應(yīng)電動機(jī)的效率作為提高電機(jī)本體效率研究的重中之重。除此之外，近十多年來發(fā)展較快的節(jié)能電機(jī)還有稀土永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等。
2.1 高效三相籠型感應(yīng)電動機(jī)
高效(IE2)或超高效(IE3)的籠型感應(yīng)電動機(jī)與普通(IE1)電動機(jī)相比有如下特點：
(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(jī)成本高25%~30%，IE3比IE1電機(jī)成本高40%～60%左右。
(３)由于運(yùn)行溫度較低，電機(jī)壽命更長，可降低維護(hù)成本。
(４)典型設(shè)計情況下起動電流較大些。
(５)轉(zhuǎn)子慣量較大。
(６)額定負(fù)載下轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)差率較小。
在許多電動機(jī)的工作生命周期中，能量消耗量所占實際成本比電動機(jī)采購成本高得多。且低效率電動機(jī)比高效率電動機(jī)維護(hù)費(fèi)用更高，壽命更短，但高效節(jié)能電機(jī)難以通過市場行為得到大量推廣。究其原因主要是：高效電機(jī)需要花費(fèi)更多的前期成本，而最終用戶沒有意識到高效電機(jī)壽命周期成本LCC(Life Cycle Cost)的節(jié)省，或沒有從中直接受益，因為預(yù)算管理設(shè)備資金的人不一定同時管理著能源的使用。
2.2 稀土永磁電動機(jī)
稀土永磁材料的磁性能優(yōu)異，它經(jīng)過充磁后不再需要外加能量就能建立很強(qiáng)的永久磁場，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)的電勵磁場。稀土永磁電機(jī)不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)簡單，還可做到體積減小，重量減輕。既可達(dá)到傳統(tǒng)勵磁電機(jī)所無法比擬的高性能(如超高效、超高速、超高響應(yīng)速度)，又可以制成能滿足特定運(yùn)行要求的特種電機(jī)，如電梯曳引電機(jī)、汽車專用電機(jī)等。稀土永磁電機(jī)與電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，更使電機(jī)傳動系統(tǒng)的性能提高到一個嶄新的水平。
在工業(yè)領(lǐng)域，作為驅(qū)動用的稀土永磁電機(jī)主要有異步起動高效永磁同步電動機(jī)、變頻供電的永磁同步電動機(jī)。
稀土永磁電動機(jī)的節(jié)能效果較為顯著。首先，稀土永磁電機(jī)本體效率比變頻器供電感應(yīng)電動機(jī)高3%～5%，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化時，稀土永磁電動機(jī)的效率變化相對感應(yīng)電動機(jī)小得多。如一臺軸功率為100kW的風(fēng)機(jī)，配置110kW的感應(yīng)電動機(jī)，在n′/nN=1時，電機(jī)效率為93%；在n′/nN=0.5時，電機(jī)效率降為84%；在n′/nN=0.3時，電機(jī)效率只有54%，而稀土永磁電機(jī)的運(yùn)行效率始終保持在90%左右。
2.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)
開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)(SRD)是20世紀(jì)80年代初隨著電力電子，微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型交流無級調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM)，功率變換器，控制器及位置和電流檢測器組成。SRD的運(yùn)行需要在實時檢測的反饋量一般為轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和電流等，然后根據(jù)控制目標(biāo)綜合這些信息，給出控制指令，實現(xiàn)運(yùn)行控制和保護(hù)等功能。轉(zhuǎn)子位置檢測環(huán)節(jié)是SRD的重要組成部分，檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號是各相開關(guān)器件進(jìn)行正確邏輯切換的根據(jù)，也為速度控制環(huán)節(jié)提供速度反饋信號，該系統(tǒng)具有許多顯著的優(yōu)點：
(１)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造工業(yè)簡單、可工作于極高速，工作可靠，能適用于各種惡劣環(huán)境甚至強(qiáng)振動環(huán)境。
(２)損耗主要產(chǎn)生于定子，易于冷卻，可允許有較高溫升，從而能以小的體積取得較大的輸出功率。
(３)轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，可較大限度簡化功率變換器，其可靠性高，系統(tǒng)成本低。
(４)起動轉(zhuǎn)矩大，大于額定轉(zhuǎn)矩2～3倍，起動電流小(≤30%額定電流)，低速性能好。
(５)在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)具有高效率；
(６)調(diào)速范圍廣，調(diào)速比大于20：1，調(diào)速平滑無級。
(７)在制動和電動運(yùn)行時，同樣具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性。因此，適用于頻繁起動或頻繁正反轉(zhuǎn)運(yùn)行場合，轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)到1000次/h。
(８)負(fù)載特性好，穩(wěn)定精度高，在負(fù)載大小變化時，轉(zhuǎn)速可保持不變。這些優(yōu)點使得開關(guān)磁阻電機(jī)在家用電器、工業(yè)領(lǐng)域、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機(jī)、高轉(zhuǎn)速電機(jī)方面得到了一定的應(yīng)用。
對于開關(guān)磁阻電機(jī)，應(yīng)充分利用它所具有的一些特有的優(yōu)越性能，如可運(yùn)行于極高轉(zhuǎn)速，可頻繁起動和頻繁正反轉(zhuǎn)，過載能力強(qiáng)，起動轉(zhuǎn)矩大而起動電流很小，可做到低轉(zhuǎn)速大扭矩，調(diào)速范圍很寬，且在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)具有高效率等優(yōu)點，設(shè)計成滿足各種特殊負(fù)載特性的專用開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系列產(chǎn)品，以替代這些場合的其他電機(jī)，并到達(dá)高效節(jié)能的目的。
3 變頻調(diào)速節(jié)能
鑒于直流傳動具有優(yōu)良的調(diào)速和啟動性能，所以高性能可調(diào)速傳動都采用直流電動機(jī)，而約占電氣傳動總?cè)萘?0%的不變速傳動則采用交流電動機(jī)。70年代變頻器的問世徹底打破了交直流傳動按調(diào)速分工的格局，經(jīng)過近半個世紀(jì)的研究，變頻技術(shù)從晶閘管(SCR)時期發(fā)展到今天的大功率晶體管(IGBT，IGCT)和耐高壓大功率晶體管(HV-IGBT)時期；控制技術(shù)也發(fā)展到今天的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，且已全數(shù)字化，其機(jī)械特性硬度能滿足具有一定硬性負(fù)載的調(diào)速要求現(xiàn)今交流變頻調(diào)速傳動裝置已有很好的運(yùn)行特性，并可作為現(xiàn)場級與自動化級連接在一起，應(yīng)用更靈活，通信更自由，對供電系統(tǒng)也可實現(xiàn)無干擾，應(yīng)用范圍幾乎涉及到整個工業(yè)領(lǐng)域。
變頻調(diào)速技術(shù)用于節(jié)能，目前用得最多的是對風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載設(shè)備的調(diào)速節(jié)能。這一方面是因為風(fēng)機(jī)、泵類系統(tǒng)消耗了工業(yè)電動機(jī)用電的 40%左右；另一方面是由于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，在選型裕量過大和需減少風(fēng)量(流量)時，變頻調(diào)速的節(jié)能效果尤其顯著；另外，在使用風(fēng)機(jī)泵類設(shè)備的大部分場合，對變頻調(diào)速的控制精度，動態(tài)性能要求不高，變頻器的成本相對較低，控制較簡單，便于推廣。
4 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能
電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能通常是指從電機(jī)起動開關(guān)開始直至拖動的裝置產(chǎn)出產(chǎn)品(流體)能量的最終消耗。它包括電機(jī)起動開關(guān)、供電饋線，電機(jī)速度控制裝置，電動機(jī)、聯(lián)軸器(或其他聯(lián)結(jié)方式如齒輪聯(lián)結(jié)、皮帶聯(lián)結(jié)、蝸輪蝸桿聯(lián)結(jié)等)、拖動裝置(泵、風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)等)、拖動裝置產(chǎn)出的產(chǎn)品(一般為液體和氣態(tài)流體)、輸送管線、終端負(fù)載
