隨著電氣化和自動化程度的不斷提高,對電動機的整體運行要求也越來越嚴格,尤其是在對電動機各種性能的選擇上更是精細,它可以根據現場實際要求來選擇不同種類、不同規格、不同型號的電動機來滿足要求。而在眾多的電動機產品當中,三相異步電動機有著廣泛的應用空間,它將作為電動機的代表有著越來越重要的地位。筆者認為,異步電機的節能降耗主要涉及合理選擇運行工況和如何進行節能降耗等應用問題,本文從七個方面來分析一下目前企業在電機節能方面所面臨的一些問題,并從中摸索如何指導我廠熱電項目經濟運行的思路。

1 采用高效電動機

1.1 必要性

國家發展和改革委員會在2006年至2020年的《節能中長期專項規劃》中將電機系統節能工程列為十大節能重點工程之一。規劃指出,目前我國各類電動機總容量4.2億千瓦,用電量約占全國用電量的60%、“十一五”期間要重點推廣高效節能電動機等產品,使運行效率提高2個百分點,年節電200億kWh。因此,開發我國的高效電動機是提高能源利用率的重要措施,符合我國經濟發展的需要。大多數的發達國家包括美國、英國、德國、日本等,正在強有力地推動高效電動機的應用,正如他們所確信的那樣,這樣做能夠節約能源、保護環境。在其他一些國家里,如加拿大、墨西哥、巴西、澳大利亞、新西蘭、印度等,也已經開始推廣高效電動機。

1.2高效電機的特點及現狀

根據相關研究部門統計數據可知,高效電動機較普通電機平均損耗減少30%,轉矩平均高30%,體積平均縮小15%,重量平均減輕12%,高效電動機效率曲線較平坦,負載率大于40%以上時,效率變化很小。按照美國“ 全國電氣設備制造商協會標準”(NEMA標準)規定,高效電動機要比標準電動機效率提高2%～ 6%,損耗下降20%～30%。美國通過1997年10月頒布的EPAct能源法桉開始使“NEMA標準”作為最低能效標準。此外,美國還出現了超高效電動機NEMA Premium,效率高于“NEMA標準”電動機0.8～4%。“歐洲電動機和電力電子制造協會——歐盟能源組織協議”對每一個規格的電動機規定了高低兩檔效率指標。產品的效率值低于低指標的稱為eff3電動機,介于低指標和高指標之間的稱為eff2電動機(較高效率電機),高于高指標的稱為eff1電動機(高效率電動機)。中國國家標準電動機的效率規定了三個指標,即:等級1、2、3。等級3為能效限定值,相當于歐洲eff2標準,等級2為節能評價值,相當于歐洲eff1標準。等級1是在等級2的基礎上電動機損耗降低15%左右,效率最高。凡是達到節能價值的電動機可稱為高效電動機。

1.3國產高效電機的選用

高效電動機YX、Y2-E兩個系列與普通Y系列電動機相比,雖然制造的耗銅量、耗鋁量、鐵心的硅鋼片消耗量增多,費用有所增加,但效率高出0.58%～1.7%。YX系列電動機是Y系列電動機的派生產品,其總損耗平均較Y系列下降20%～30%,效率提高約3%。該系列電動機起動轉矩大、噪聲小、振動小、溫升低、壽命長,但價格比Y系列電動機約高30%。對年運行時間大于3000 h、負載率大于50%的情況,應選用YX系列高效電動機。高壓異步電動機按照國家標準GB12497-1990《三相異步電動機經濟運行》的要求,單臺容量200 kW以下的選用低壓電動機;容量200～355 kW之間的應進行技術經濟分析后選用高壓電動機或低壓電動機;容量大于355kW的選用高壓電動機。

2合理選擇電動機功率和電壓等級

(1)避免長時間空載運行,空載運行時,基波功率因數只有0.2～ 0.3,但吸取的無功功率約為滿載的65%左右。
(2)平均負載率β應大于50%,70%≤β≤100%為最佳負載率。
(3)合理地選擇電動機的電壓等級:供電線路短:電網容量允許,負載小于300 kW的一般選用低壓電動機;供電線路長,電網容量有限,負載大于500 kW的一般選用高壓電動機。
(4)電壓變化對異步電機性能的影響根據現場運行經驗可總結如下(見表1)。三相感應電機運行經濟性取決于輸出功率與運行電壓的合理配合。輸出功率越小,經濟運行電壓越低。對于輕載運行的電機,適當降低運行電壓可提高電機效率和
改善功率因數。

(5)當電動機負載率經常在40%以下,應選擇定子繞組接線Δ /Y的自動切換。以100kW異步電動機為例,設每天有10 h負載率在40%以下,設負載率低于40%時平均負載率為30%,電動機繞組為Δ 接法,電動機平均效率為85%左右,功率因數為0.65左右。若在負載率低于40%時,將電動機繞組切換為Y接法,則平均負載率提高到90%,電動機平均效率提高到93%左右,功率因數提高到0.85左右。由于電動機效率的提高,每天節電1 0 0 × 0 . 3 × ( 0 . 9 3 - 0 . 8 5 ) ×10=24 kWh。

3.電動機調速節電

三相異步電動機機構簡單,成本低,運行維護方便,因此它使用廣泛,遍及各行各業的各個角落,在生產、生活過程中發揮著極其重要的作用。因此,選用經濟、合理、高可靠性、高效的調速手段就能實現電動機正常運轉。三相異步電動機可采用多種方式來實現調速。根據電機調速經典公式可知,調速方式大致可通過改變磁場極對數p,轉差率S,電源頻率f 都可以改變電動機的轉速n。因此,其調速方法有變極調速,變轉差率調速及變頻調速三種。

3.1變極調速

變極調速是改變定子旋轉磁場的極對數來實現調速,變極調速電動機其定子通常裝有1～ 2套三相交流繞組,可獲得2～ 4種成倍數的轉速,只能有級調速,而且等級有限。因此,三相異步電動機本省調速性能差。但具有接線簡單、控制方便、價格低;可以與調壓調速、電磁轉差離合器配合使用,獲得較高效率的平滑調速特性。該方法適用于不需要無級調速的生產機械,如金屬切削機床、升降機等。

3.2變頻調速方法

變頻調速是通過改變定子電源頻率來實現調速。變頻器實質上是一種頻率可調的交流電源裝置,在工業領域中得到了廣泛的應用。在水泥生產中,三相異步電動機變頻調速逐步替代了直流電動機調速方式。目前國內大都使用交-直-交變頻器,主要具有調速平滑,啟動電流小,運行平穩;效率高,調速過程中沒有附加損耗;應用范圍廣,可用于籠型異步電動機;調速范圍大,特性硬,精度高;技術復雜,造價高,維護檢修困難等特點。對于流量變化的離心式風機和泵類負載均具有轉矩與轉速的平方成正比、功率與轉速的立方成正比的機械特性。當流量變化時,調節電動機的轉速可使軸上功率大大減小,從而獲得顯著的節電效益。

當風量與轉速下降到額定值的80%時,風機功率降低到額定功率的51%;當風量和轉速下降到額定值的60%時,風機功率則降低到額定值的21%。對于變頻器電壓選擇的問題,500 V以下小于300 kW的一般可選用低壓變頻器,3 kV以上大于500 kW一般選用高壓變頻器,300 kW～ 500 kW的,高、低壓變頻器都可以使用,低壓電網短路容量大的可選低壓變頻,低壓短路容量小的可選高壓變頻器。另外,變頻器持續低于25 Hz運行時會導致冷卻風扇風量不足,1/2轉速運行,輸出轉矩降10%,1/3轉速運行,輸出轉矩降20%;電磁噪聲和高次諧波含量增大等不利影響。對于工作頻率大于50 Hz;工作頻率小于10 Hz,長期工作,負載較大;調速比大于10,且變化頻繁;調速比較大,轉動慣量大,工作周期短,正反交替要求實現能量回饋制動的工作方式建議使用變頻調速電動機。

3.3變轉差率調速

(1)繞線式異步電動機串電阻調速。

在繞線式電動機轉子回路中通過滑環串接一只可變電阻器,增加轉子電阻式轉子電流減小,電動機的轉矩也隨之下降,同時也產生反轉矩,當反轉矩等于轉矩時,電動機便以某一轉速穩定運行,在串接不同的電阻,改變了轉差率來達到調速的母的。繞線式轉子串聯電阻就是降低激磁電流,轉速下降,只能降速,不能提速。此方法設備簡單,控制方便,但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上。屬有級調速,機械特性較軟。

(2)變定子電壓調速。

當異步電動機定子與轉子回路的參數為恒定時,在一定的轉差率下,電動機的電磁轉矩與加在其定子繞組上電壓的平方(即輸入電壓)成正比,因此,改變電動機的定子電壓就可改變其機械特性的函數關系,從而改變電動機在一定輸出轉矩下的轉速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比,因此最大轉矩下降很多,其調速范圍較小,使一般籠型電動機難以應用。為了擴大調速范圍,調壓調速應采用轉子電阻值大的籠型電動機,如專供調壓調速用的力矩電動機,或者在繞線式電動機上串聯頻敏電阻。目前常用的調壓方式有串聯飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調壓等幾種。晶閘管調壓方式為最佳。調壓調速的特點是線路簡單,易實現自動控制;調壓過程中轉差功率以發熱形式消耗在轉子電阻中,效率較低,一般適用于100 kW以下的生產機械。

(3)串級調速。

串級調速作為異步電動機十分經典的調速方法之一,長期以來人們進行了大量研究與實踐。近年,隨著電力電子技術和計算機控制技術的應用,串級調速技術產生飛躍的發展,在高壓大中型電動機節能調速應用方面以其控制電壓低、控制功率小,系統簡單,運行可靠,節電率高而展現出光明的應用前景。傳統串級調速是將電機的轉子回路通過串級調速控制裝置及逆變變壓器與電網連接。為了便于在轉子回路中串入合適的附加電勢,往往將轉子交流整流成直流,在直流回路中串入可變直流電勢來實現。裝置將轉子三相交流整流成直流并平波后,由有源逆變器提供串入的直流反電勢同時將轉子轉差功率再逆變為工頻交流,通過逆變變壓器回饋至電網吸收。由于傳統串級調速是通過調整逆變器的逆變角(移相觸發)來實現對等效反電勢的調節的。這種移相觸發的方法存在著功率因數低及可靠性差的缺點。現代串級調速則把逆變角固定下來并設在最小值,產生一恒定的附加直流反電勢,等效電勢大小的調節由斬波器來完成。通過調節斬波器導通時間與斬波周期的比率(即占空比或PWM調制脈寬),來改變串入轉子回路的等效電勢的大小,從而改變轉子電流和轉差率,達到調節電機轉速的目的。現代串級調速技術具有調速范圍寬,無級,平滑;具有良好的硬機械特性;電機轉子側施加控制,控制電壓低,變流裝置控制容量小,總控制容量僅為電機額定容量的14.815%;自身功耗小,諧波分量小,系統簡單等突出的優點。

(4)電磁轉差離合器調速。

電磁調速電動機由籠型電動機、電磁轉差離合器和直流勵磁電源(控制器)三部分組成。直流勵磁電源功率較小,通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成,改變晶閘管的導通角,可以改變勵磁電流的大小。運行時,電磁調速電機部分是全速運行的,輸出軸部分是通過電磁調速器調節改變可控硅的導通角,使輸出直流電壓的高低被改變,即控制了滑差離合器(與輸出軸相連)的激磁電流,滑差離合器的轉速隨著激磁電流(耦合)的改變而改變。電磁調速電動機的調速特點主要為裝置結構及控制線路簡單、運行可靠、維修方便;調速平滑、無級調速,對電網無諧影響等特點,本方法適用于中、小功率,要求平滑動、短時低速運行的生產機械。

(5)液力耦合器調速。

液力耦合器是一種利用液體介質傳遞轉速得機械設備,通過連續改變液體的壓力來進行調速。壓力越大,輸出轉速越高。這是高壓電機領域中最傳統的調速方式,但這種方式能耗大,效率低。原因是存在嚴重的耦合損失和轉差損失。耦合損失是由于液壓油內摩擦造成的,轉差損失是由于調速時輸出軸和輸入軸存在轉差造成的。這種損失隨轉差的增加而上升,即效率η=1-S,其中S為轉差率,這兩部分都轉為熱量消失。另外,受執行機構和液壓機構限制,調速精度差,同時還存在嚴重的非線性,只在15%-85%之間調節線性區,但存在在增速與減速間逆差間隙,造成自動系統很難投入運行。并且需要一整套油系統,維護工作量大。對于風機泵類負載,由于負載轉矩按轉速平方率變化,原傳動輸入功率則轉速的平方率降低,損耗功率相對小一些,但輸出功率是按轉速得立方率減小,調速效率仍然很低。液力耦合器的調速平均效率在50%左右。

4 降低電動機的基波與諧波損耗

由上式可看出:就地無功補償,降低無功電流,可以降低電動機的基波損耗;減少諧波電壓和負載諧波電流,選取高效電機,可降低電動機的諧波損耗。

5 減小三相電壓不平衡度

電動機的負序阻抗為正序阻抗的1.8～3.5倍,若電網三相電壓不平衡度εU=2%,則負序電流εI=3.6%～7%。負序電流產生使電動機發熱,降低電動機的輸出功率。按照GB/T三相電壓不平衡的要求,供電電壓的三相不平衡度應不大于1.3%。

6 降低電動機運行溫度

7 電動機無功補償技術

電機功率因數降低原因可能由如下原因造成。

①電機安裝問題。

氣隙調整不均,空載電流增大,功率因數降低。中心定位不準,電機竄動引起磁場變化,使空載電流增大,功率因數降低。

②電壓質量問題。

電壓過高,鐵芯飽和,空載電流增大,功率因數降低。電壓過低,對于恒負載電機,轉差率上升,功率因數降低。

③電機輕載運行。

空載時,功率因數0.2～ 0.3。額定負載時,功率因數0.7～ 0.9。輕載運行時,功率因數0.3～ 0.7。

④電機啟動。

電機啟動電流是額定電流的3～ 8倍,功率因數為0.15～ 0.30。

電機功率因數低的危害主要表現在增加變壓器和線路損耗,使線路末端電壓降低,影響供電質量。當無功波動較大時,無功補償裝置則由若干支路濾波器組成,并根據無功大小自動控制各支路濾波器的投切。無功波動越大,濾波支路越多,在滿足無功波動時不過補和功率因數達到要求的前提下,濾波支路越少越好,自動投切頻度越低越好。(見圖1)

8 結論

積極發展熱電聯產是節約能源、改善環境質量的有效措施,由于熱電廠熱效率均能超過常規火電廠的熱效率一倍以上,那么熱電廠的經濟運行主要表現在有效節能上,節能思想應貫穿在熱電廠的規劃、設計、運行、管理等各方面,那么對于電機節能降耗的考慮在我廠熱電項目中也得到了很好的應用。首先,項目設計綜合廠用電率為18.20%,供熱廠用電率為7.82 kWh/GJ,發電廠用電率為3.77%。電氣主接線為擴大單元接線,兩臺25 MW發電機組并列接至63 MVA主變,通過110 kV向外送電。廠用電系統采用10 kV中性點非有效接地方式,兩臺機組各自帶一段10 kV廠用電,中間通過聯絡開關進行兩段母線的聯絡。項目200 kW以上的主要工藝電機都采用10 kV電源,并按照實際工藝負荷要求分配在兩端廠用電母線上,盡可能地提高了電機的負荷率。同時在電機選擇和調速方式的問題上,給水泵電機(1600 kW)采用了湘潭電機YX系列高效電機,采用了液力耦合器調速, 主要考慮啟動性能的問題; 送風機(315 kW)調速范圍較廣,采用了高壓變頻調速方式,并配套采用了湘潭電機高效變頻電機;引風機(630 kW)調速范圍較窄,采用了內饋式斬波串級調速方式,并配套采用了湘潭電機高效內饋電機等,基本做到了按需規劃電機的運行工況及調速方式,并盡可能考慮以后運行維護的方便。由于發電機本身也是一個無功電源,所以在無功補償方面基本可以滿足要求。盡管我們提前做了一些工作,但是真正做到電機的節能降耗還在于以后加強生產管理,嚴格能源管理來實現降低廠用電率的要求。雖然熱電廠的經濟運行不僅僅表現在異步電機的節能降耗上,還可以從改善燃煤質量,降低制粉系統單耗,提鍋爐燃燒效率,提高汽輪機效率,改善蒸汽質量和增加熱用戶等方面去實現,但至少它是一條重要的實現途徑也是我們應該重視的一項工作,對于提高企業的經濟效益也有很大的作用。

作者：江煉強  來源：《科技資訊》