起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)2022年4月27日訊 電動機(jī)被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，電動機(jī)的用電量在世界各國的總用電量中都占有相當(dāng)大的比重。在中國，電動機(jī)的用電量已經(jīng)占到社會總用電量的60％以上。
為滿足不同機(jī)械設(shè)備傳動和動力的需要，我國小型電動機(jī)產(chǎn)品品種已發(fā)展到一百四十余個系列，六百多個品種，五千余個規(guī)格；廣泛用于化工、石化及煤炭工業(yè)的小型防爆電動機(jī)已生產(chǎn)一百三十個系列、兩千余個規(guī)格，其中02系列、Y系列、Y2系列和YX、YX2系列是中國電動機(jī)應(yīng)用市場的主要組成部分。
根據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會電機(jī)分會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2001年中國大、中、小型交流電動機(jī)市場總?cè)萘考s為4.4萬兆瓦，其中大型電動機(jī)占7.3％，中小型電動機(jī)占92.7％，小型電動機(jī)占總量的71.5％，中型電動機(jī)占總量的21.2％。在這些品種中，小型電動機(jī)是中國電動機(jī)市場的主導(dǎo)產(chǎn)品。
我國已具備生產(chǎn)高效電動機(jī)的技術(shù)條件(YX、YX2、Y2E等高效系列)，但由于市場條件不夠成熟，產(chǎn)量和市場容量都較小。1998年高效電動機(jī)市場主要是出口美國符合NEMA標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)，產(chǎn)量比例還不到2％。1999年高效電動機(jī)市場為2％；2000年為4.7％；2001年也只有6.5％。其中70％以上為出口，用于中國市場的產(chǎn)品很少。
電動機(jī)能效水平的提高對于節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)以及資金節(jié)約都具有重要意義。我國2001年實際發(fā)電量為1.5萬億千瓦時，其中約有50％的電能由電動機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，因此，電動機(jī)的輸入電能為7325億千瓦時，如果電動機(jī)效率提高2％，就可節(jié)約146億千瓦時的電能，相當(dāng)于兩個100萬千瓦電站的年發(fā)電量，從而可以大大減少一次能源的消耗和二氧化碳的排放，并可相應(yīng)節(jié)省電站建設(shè)的投資和電動機(jī)用戶的電費支出，因此電動機(jī)能效水平的提高有著重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。
高效電機(jī)的節(jié)能
由于世界各國的電動機(jī)用電量都占到了其全國發(fā)電量的大部分，所以提高電動機(jī)的效率對節(jié)約電能意義重大。
那么，怎樣才算是高效電動機(jī)呢？它的指標(biāo)又是多少呢？在我國，人們通常所指的高效電動機(jī)是高效率三相異步電動機(jī)，也就是效率水平達(dá)到或超過國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的節(jié)能評價值的電動機(jī)。其總損耗比Y系列電動機(jī)降低20％～30％，效率提高2％～3％。
在美國，按照美國“全國電氣設(shè)備制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定，高效電動機(jī)要比標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)效率提高2％～6％，損耗下降20％～30％。此外，美國還出現(xiàn)了超高效電動機(jī)，其效率高于上述標(biāo)準(zhǔn)的電動機(jī)0.8％～4％。
企業(yè)應(yīng)用的異步電動機(jī)，依工作狀況可分為頻繁啟動、間斷工作和連續(xù)工作三類。為了提高電動機(jī)的運行效率，要盡可能使生產(chǎn)機(jī)械在各種狀態(tài)下所需要的能量與電動機(jī)輸入能量相等，有效利用電能。在設(shè)計制造部門，要設(shè)法降低電動機(jī)內(nèi)部的功率損耗，提高電動機(jī)效率。功率和功率因數(shù)高是高效節(jié)能電動機(jī)的主要特點。
一般常規(guī)電動機(jī)的效率曲線是不平坦的，隨負(fù)載的減小，效率降低幅度較大，使用中的電動機(jī)，都在低于額定效率下運行。因此，高效節(jié)能電動機(jī)應(yīng)滿足以下幾點：
(1)按額定功率計算，功率損耗應(yīng)減少30％。
(2)效率曲線應(yīng)盡可能平坦。
(3)軸的中心高和額定尺寸，應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
高效節(jié)能電動機(jī)，用料較多，成本較高，因此只有在負(fù)載率和利用率較高使用條件下運行，才能在較短時期內(nèi)回收投資。
高效電動機(jī)的運用
高效電動機(jī)最佳的節(jié)能效果是將其應(yīng)用于連續(xù)工作定額、負(fù)載穩(wěn)定且無特殊要求的設(shè)備上，特別是用于負(fù)載率較高(如70％以上)和連續(xù)運行時間較長(如年運行時間在3000小時以上)的設(shè)備上。
機(jī)械設(shè)備配套是電動機(jī)的主要用戶類型。高效電動機(jī)在機(jī)械配套中主要分布在泵、風(fēng)機(jī)和氣體壓縮機(jī)上，其次是石化設(shè)備、石油設(shè)備、礦山機(jī)械和冶金機(jī)械等。
另外，九大工業(yè)行業(yè)用電共占全社會總用電量的35％，其中，化工、建材、電力和冶金是耗電大戶，同時也是節(jié)能潛力最大的市場，而且電動機(jī)的用電量占全企業(yè)用電量的68.9％。從各行業(yè)的電動機(jī)使用情況來看，主要是Y／Y2系列電動機(jī)，還有相當(dāng)部分的JO系列電動機(jī)，YX高效電動機(jī)則主要應(yīng)用于石油和城市給排水行業(yè)。
從行業(yè)的需求來看，石油、石化、化工、紡織、電力、給排水等行業(yè)對高效電動機(jī)應(yīng)有一定的市場需求。耗能越大，節(jié)能潛力就越高，高效電動機(jī)應(yīng)用也就更廣泛。由于石化、化工和紡織行業(yè)耗能大，電動機(jī)長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，所以，它們是使用高效電動機(jī)最多的行業(yè)；石油工業(yè)、電力工業(yè)和城市給排水次之。
電機(jī)的調(diào)速節(jié)能
在20世紀(jì)70年代以前，工業(yè)應(yīng)用的電力拖動設(shè)備大多數(shù)采用交流電動機(jī)的恒速拖動，所以很久以來，在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用的風(fēng)機(jī)、泵類等需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)控制的電力拖動系統(tǒng)中，人們不得不保留交流電動機(jī)的恒速拖動，采用擋板和閥門來調(diào)節(jié)風(fēng)速、流量、壓力等。這種原始方法不僅增加系統(tǒng)的復(fù)雜性而且還造成能源大量浪費。
隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及控制理論的發(fā)展，作為交流調(diào)速中心的變頻調(diào)速技術(shù)得到了顯著的發(fā)展，而且已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各項領(lǐng)域。
以風(fēng)機(jī)水泵為例，根據(jù)流體力學(xué)原理，流量與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)壓或揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以軸功率則與轉(zhuǎn)速的立方成正比。理論上，如果流量為額定流量的75％，使感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制在額定轉(zhuǎn)速的3/4運行，其軸功率為額定功率的42％，與采用擋板或閥門調(diào)節(jié)相比，可減少58％的功率；如果流量下降到額定流量的50％，使感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的1／2運行，其軸功率為額定功率的1／8，與擋板或閥門調(diào)節(jié)相比，可減少7／8的功率。由于調(diào)速轉(zhuǎn)差功率損耗和控制裝置的附加功率損耗都比調(diào)速減少的功率損耗小得多，實際節(jié)電效果是相當(dāng)明顯的。因此，調(diào)速技術(shù)應(yīng)用在負(fù)載率偏低和流量變動較大的風(fēng)機(jī)和泵類等流體設(shè)備的電力拖動上可獲得顯著的節(jié)電效益，這也是風(fēng)機(jī)和泵類為什么是調(diào)速技術(shù)節(jié)電應(yīng)用的重點對象的主要原因了。
變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點
變頻器容易實現(xiàn)對現(xiàn)有的交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，如電廠、礦山和冶金、石油、化工、機(jī)械、電子、建材、紡織、輕工等許多行業(yè)大量存在需要電機(jī)變速及軟起動的場合。根據(jù)全國第三次工業(yè)普查公布的統(tǒng)計數(shù)字，我國風(fēng)機(jī)水泵壓縮機(jī)類通用機(jī)械總裝機(jī)容量為1.6億千瓦，其中風(fēng)機(jī)約為4900萬千瓦，水泵約為1000萬千瓦，年耗電3200億度，占全國耗電總量的1／3，占工業(yè)用電量的40％，在國民經(jīng)濟(jì)中舉足輕重，節(jié)能潛力很大。特別是1998年1月1日我國實施的《節(jié)約能源法》第四章第三十九條(二)款明文規(guī)定：“逐步實現(xiàn)電動機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行，發(fā)展電機(jī)調(diào)速的電力電子技術(shù)……提高電能利用率”。而且實踐證明：通過變頻調(diào)速來取代利用閥門、擋板控制，節(jié)電效果明顯，特別是對于大中容量交流電動機(jī)拖動的風(fēng)機(jī)、泵類系統(tǒng)，若采用變頻調(diào)速，節(jié)電效果更加明顯，而且回收投資期短，一般為1～2年。
調(diào)速范圍大而且連續(xù)
變頻調(diào)速系統(tǒng)通過連續(xù)改變變頻器的輸出頻率來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的連續(xù)變化，使電動機(jī)工作在轉(zhuǎn)差較小的范圍，電動機(jī)的調(diào)速范圍較寬，運行效率也明顯提高。一般來說，通用變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)1∶10以上，而高性能的矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)1∶1000。
容易實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)切換和構(gòu)成自動控制系統(tǒng)
在電網(wǎng)電壓下運行的交流電動機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)切換時，只需改變相序即可實現(xiàn)。如果在電動機(jī)尚處高速時就進(jìn)行相序切換，電動機(jī)內(nèi)將會產(chǎn)生較大的沖擊電流，甚至有燒毀電機(jī)的危險。而在變頻調(diào)速系統(tǒng)中可以通過改變變頻器輸出頻率先使電動機(jī)降至低速，再進(jìn)行相序切換。這樣切換電流可以比較小，電動機(jī)的功耗和發(fā)熱也都減小了許多。另外變頻器有接口同其他設(shè)備一起構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。
起動電流小，可用于頻繁起動和制動場合
異步電動機(jī)直接起動的起動電流通常為額定電流的5～6倍，電機(jī)損耗較大，所需電源容量也很大，因此不宜頻繁起、停。采用變頻器對異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動時，可以將變頻器的輸出頻率降至很低時起動，電動機(jī)的起動電流很小，因而變頻器輸入端要求電源配置的配電容量也可以相應(yīng)減小。另外它還可以采用變頻器來實現(xiàn)電氣制動。制動時變頻器的輸出頻率先逐步減小，負(fù)載所存儲的機(jī)械能將轉(zhuǎn)換為電能回饋到變頻器，通過一定的制動回路將這部分能量或者以熱能形式消耗掉，或者回饋給電網(wǎng)。因此變頻器驅(qū)動交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以工作在頻繁起動和制動場合。
結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠
變頻調(diào)速系統(tǒng)中異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用，而且通常不需再用齒輪箱等其他變速裝置，保養(yǎng)、維修都比較簡單，可根據(jù)工作環(huán)境的不同，選擇不同的異步電機(jī)，而變頻器通常不需改變。因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)能應(yīng)用于易燃、易爆、腐蝕等惡劣環(huán)境中。
鑒于以上所列出的變頻調(diào)速的部分優(yōu)點，在交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速是應(yīng)用面最大、效率最高的。交流變頻調(diào)速是當(dāng)代電力電子、微電子、自動控制、傳感器、電機(jī)等多種先進(jìn)技術(shù)集成起來的一項高新技術(shù)。
近20年的理論發(fā)展和應(yīng)用實踐表明，它的調(diào)速性能好、節(jié)能明顯，是電氣傳動的發(fā)展方向；它的應(yīng)用面寬，為企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、最終為提高經(jīng)濟(jì)效益提供了技術(shù)的和物質(zhì)的手段。因此各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都把發(fā)展交流電動機(jī)變頻調(diào)速作為技術(shù)進(jìn)步、提高效率和節(jié)省能耗的一大措施。已經(jīng)應(yīng)用這種技術(shù)的單位都取得了很好的節(jié)電效益。
變頻調(diào)速系統(tǒng)的投資成本和利潤
投資于節(jié)能項目，到底有沒有效益，回收期是長是短，這是所有投資者都非常關(guān)心的問題。這個問題的答案是肯定的。但是，鑒于近20年來推廣應(yīng)用變頻器的經(jīng)驗與教訓(xùn)，有些問題還需要討論。這些問題的解決和投資量相關(guān)，實際上直接涉及投資的成本、利潤和回收期。節(jié)能、節(jié)電是長期的，投資回收后的效益也是絕對的，關(guān)鍵是合理的回收期應(yīng)該如何確定。投資者應(yīng)該有信心，也應(yīng)該知道項目風(fēng)險之所在。
(1)系統(tǒng)越簡單，設(shè)備投資額就越少，并不是技術(shù)越先進(jìn)越好。
對于中、小型交流電動機(jī)拖動的普通風(fēng)機(jī)、水泵等系統(tǒng)，不需要精確地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，如果變頻器與電動機(jī)之間距離很近，低壓變頻器就能夠正常工作。
如果輸出量不需要調(diào)整但起動頻繁，可以購置軟起動器，以減少起動制動過程的能耗，這樣投資也比較少。要根據(jù)系統(tǒng)的實際工況選擇最合理的調(diào)速方案和最經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)設(shè)備。
(2)變頻調(diào)速系統(tǒng)是有較多諧波的非線性、非正弦工況，它會在電動機(jī)上引起電應(yīng)力，致使電動機(jī)的工作壽命下降。在某些重要應(yīng)用中，采用變頻調(diào)速專用電動機(jī)是必要的，特別是在1～10千伏的電壓中。較大功率的情況下，或者在變頻器同電動機(jī)之間的饋電電纜很長的時候，應(yīng)選用專用電動機(jī)，或者選用輸出為正弦波的專用變頻器。這種成本的增高是必要的。
(3)變頻器運行中的諧波還對電網(wǎng)造成污染，尤其是較大功率的電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，輕的破壞電網(wǎng)的電力品質(zhì)，嚴(yán)重的會引起供電變壓器或電力電容器燒毀，甚至爆炸。而且諧波引起的畸變無功加重，系統(tǒng)的功率因數(shù)下降，將按電網(wǎng)規(guī)定承受大額罰款。對于低電壓中、小功率變頻器，采用有源功率因數(shù)修正環(huán)節(jié)也是有必要的。人們不能在慶賀節(jié)約有功功率的時候，大量消耗無功功率；更不能在成功節(jié)能的時候，破壞了電力系統(tǒng)的安全。一定要考慮周全采取正確的治理措施。
(4)許多家用電器的電動機(jī)調(diào)速，電動機(jī)功率只有幾十瓦或幾百瓦，最大的單機(jī)1～2千瓦。在這樣的情況下，采用常規(guī)的三相交流異步電動機(jī)實施變頻調(diào)速，其成本偏高，不見得是最好的節(jié)能調(diào)速方法。在這里調(diào)速成本比較低的永磁無刷電動機(jī)或改進(jìn)的開關(guān)磁阻電動機(jī)能派上比較大的用處。
(5)采用交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)后，不僅能取得節(jié)能效益，往往還會形成產(chǎn)量上升、質(zhì)量提高、勞動生產(chǎn)率增加、環(huán)境改善等綜合效果。所以在統(tǒng)計系統(tǒng)利潤的時候，也要看其綜合效益。作為用戶，常常是因為有更大的非節(jié)能效益的存在，才有更大的決心和動力來實施變頻調(diào)速的技術(shù)改造。用戶應(yīng)該在這個時候尊重客觀規(guī)律，同時還要治理諧波等電力公害。
總而言之，采用交流電動機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)，能否在較短期間回收投資，要看綜合投資與綜合效益(利潤)的總體考慮。變頻器的價格大致在每千瓦800～1500元。
為使這樣一項高效節(jié)能技術(shù)長久地運行，一些配套技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)計入成本。該省錢的地方應(yīng)該省下來，不該省錢的地方則應(yīng)該果斷地花出去。正確的“技術(shù)——經(jīng)濟(jì)”綜合決策，正是推廣應(yīng)用交流電動機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的困難所在。讓我們在互相借鑒的實踐中，不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，增強對這項技術(shù)的深入認(rèn)識，使其迅速地推行到節(jié)能的前沿。
電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)
為達(dá)到提高生產(chǎn)效率和節(jié)約能量的目的，必須正確選擇系統(tǒng)配置，特別是選擇這種系統(tǒng)中的電動機(jī)和變頻器，它涉及可靠性、性能和價格三方面的因素。
變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括異步電動機(jī)、變頻器、控制環(huán)節(jié)、負(fù)載及傳動機(jī)構(gòu)。
在選擇電動機(jī)時不僅要考慮驅(qū)動機(jī)械負(fù)載和使其加速所需的電機(jī)容量，還應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境選擇相應(yīng)的電機(jī)防護(hù)等級。另外，由于這時電機(jī)不是由電網(wǎng)供電，而是由變頻器供電(即在變頻調(diào)速運行時，大部分時間里該電動機(jī)不是工作在該電機(jī)設(shè)計制造的額定工況)，會帶來諧波、電磁干擾，也許會出現(xiàn)局部過電壓、過電流等問題。同時讓變頻器盡量減少諧波、電磁干擾等帶來的影響也是應(yīng)該考慮的。
電動機(jī)的正確運用
合理選擇和使用電動機(jī)，確定最佳運行方式降低電動機(jī)的能量損耗是提高電動機(jī)運行效率的最基本的方法。在選用電動機(jī)時，應(yīng)首先選擇電動機(jī)形式和功率及各種技術(shù)參數(shù)，使它具備與其所拖動的生產(chǎn)機(jī)械相適應(yīng)的負(fù)載特性，能在各種狀態(tài)下穩(wěn)定地工作。
電動機(jī)功率的選擇
電動機(jī)的額定輸出功率在理論上講通常是按最大負(fù)載選定，而實際上，部分電動機(jī)的輸出功率是周期性變化的。電動機(jī)的功率損耗大部分為銅損耗，銅損耗與負(fù)載電流的平方成正比，當(dāng)功率因數(shù)為一定時，則與輸出功率的平方成正比。所以，要想知道包括銅損及負(fù)載需要的電動機(jī)輸出功率，只需計算出負(fù)載的均方根植。
對負(fù)載率低于50％的電動機(jī)，應(yīng)按經(jīng)濟(jì)運行原則選擇電動機(jī)功率。如未經(jīng)分析計算就將負(fù)載率低于50％的電動機(jī)換小，有可能使電動機(jī)的效率反而降低使電能損耗增加。
確定電動機(jī)需要的輸出功率時，應(yīng)注意以下兩個問題：
(1)對計算功率所需要的有關(guān)參數(shù)值(如摩擦因數(shù)、負(fù)載、速度、風(fēng)量、風(fēng)壓等)，所留容量不要過大。
(2)所選用的電動機(jī)應(yīng)滿足負(fù)載所需要的啟動轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和最大負(fù)載。
對于運行的電動機(jī)，應(yīng)測定負(fù)載率。一般異步電動機(jī)的額定效率和功率因數(shù)，是按負(fù)載率在75％～100％范圍內(nèi)考慮的。
對于低壓、高壓的中型電動機(jī)系列，還存在一個電壓等級的合理選擇問題，只要選擇適當(dāng)，則在保證電動機(jī)性能的前提下，能達(dá)到節(jié)能省損的效果。
我國三相異步電動機(jī)常用的電壓等級有：220伏、380伏、3000伏和6000伏等。500伏以下稱為低壓，500伏以上稱為高壓。，對于低壓、高壓的電動機(jī)，凡是供電線路短、電網(wǎng)容量允許，且啟動轉(zhuǎn)矩和過負(fù)載能力要求不高的場合，以選用低壓異步電動機(jī)為宜。因為這種電動機(jī)力能指標(biāo)高，利于節(jié)電；價格便宜，減少一次性投資，維護(hù)方便，采用一般低壓電器即可。
當(dāng)然對于那些供電線路長、電網(wǎng)容量有限、啟動轉(zhuǎn)矩較高或要求過負(fù)載能力較大的場合，應(yīng)該以選用高壓電動機(jī)為宜。
電動機(jī)負(fù)載特性的選擇
異步電動機(jī)用途很廣，它所拖動的負(fù)載種類很多。根據(jù)負(fù)載特性，合理選用電動機(jī)，對于提高設(shè)備運行時的安全可靠性和節(jié)能具有實際的意義。
電動機(jī)的運行特性受它所拖動機(jī)械負(fù)載特性的影響。有些機(jī)械，如大部分風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、離心機(jī)、壓縮機(jī)等，要求較小的啟動轉(zhuǎn)矩，但啟動后所要求的拖動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的上升而增加，因此通常選擇一般機(jī)械特性的電動機(jī)。
另外一些機(jī)械，如往復(fù)式空氣壓縮機(jī)、帶負(fù)載的傳送機(jī)等要求有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，故常選用高轉(zhuǎn)差率的機(jī)械特性的電動機(jī)。這種電動機(jī)也適用于沖擊負(fù)載或要求頻繁啟動的負(fù)載，如沖床、油井泵和起重機(jī)械。所以要想滿足節(jié)能、安全運行的標(biāo)準(zhǔn)就只有電動機(jī)的機(jī)械特性和它所托動的負(fù)載特性合理匹配。
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