电机系统节能概述-赵争鸣

电机系统节能概述
赵争鸣
清华大学电力系统国家重点实验室
清华大学电机工程与应用电子技术系
2009年9月
节能减排——电力系统节能
报告内容
¾电机系统节能内容
¾国内外电机系统节能情况¾电机系统节能技术发展趋势¾电机系统节能存在的问题¾展望与建议
背景与意义
¾节约能源是我国的基本国策，国家制定了《节能中长期专项规划》。

¾为实现规划目标，2006年国家发展改革委启动规划提出的十大重点节能工程，其中第五项为电机系统节能。

¾“十一五”规划目标：电机系统运行效率提高2个百分点，年节电200亿千瓦时。

¾工程实施：加强节能意识，开发和推广节能技术，制定节能标准，重视节能效益。

电机系统节能主要实施内容
加速老旧设备淘汰更新
更新电机后效率可提高2－3个百分点，更新风机、水泵、压缩机后效率可提高2－3个百分点。

改善风机、泵类电机系统调节方式
主要采用变频调速方式，我国风机、水泵、压缩机总装机容量约1.6亿千瓦，改变调节方式，效率可提高10－15%。

改进工艺拖动、牵引拖动调速方式
以先进的电力电子技术为重点，改造传统的工艺拖动，系统平均效率提高5－8个百分点。

优化电机系统的运行和控制
推广软启动装置、无功补偿、计算机自动控制系统等技术，节电率为10－15%。

科学设计电机系统配置
出台电机系统优化配置的设计规范。

配套措施
制定完善电动机能效标准、电动机配套设备能效标准、电动机系统经济运行管理标准等，实施电机产品能效标识制度。

合理的电压等级标准，建议增加电压标准，科学的谐波和电磁兼容（EMC）标准。

制定、颁布电动机系统经济运行管理标准、变频调速和调压节能技术标准。

强制性淘汰高能耗机电产品。

制定和实施本节能工程财政补贴资金管理方法。

电源电机控制
负载
弱电控制强电，软件控制硬件
部件融于系统，信息能量互动
电机系统组成
电机系统节能主要应用行业冶金：焦化、烧结工艺的鼓风机、除尘风
机；炼铁及炼钢工艺中除尘风机、冷却
水泵；轧钢工艺中加热炉风机、除鳞水
泵等推广变频调速。

有色：有色金属冶炼炉、除尘系统自动化
控制及风机调速改造。

电力：重点对20万千瓦以上火力发电机组
低效运行的风机、水泵系统进行变频调
速及计算机控制改造。

石油、石化、化工：工艺系统流程泵变频
调速及自动化控制改造。

煤炭：矿井通风机、排水泵调速改造及计
算机控制系统综合改造。

轻工：注塑机、液压油泵变频调速改造。

我国电机系统能效情况¾各类电动机总装机容量约为4.2亿千瓦，
年耗电1万亿千瓦时以上，约占全国用电量
的60%，运行效率比国外先进水平低10－
20个百分点。

¾我国电动机年产量约为4500万千瓦，平均
效率比发达国家低2－3个百分点
¾电机系统效率比发达国家低10－30个百分
点，相当于国际20世纪70－80年代的水平。

¾若电机效率提高2％，则可节约200亿kWh
的电能，相当于新建两座三峡水电站。

¾行业协会统计：全国有3000家电机厂，具有一定生产规模的为300家
（10％），骨干厂为70家（占60％的市场）。

¾我国电机市场主要由四大系列组成：JO2系列、Y系列、Y2系列和YX系列。

¾每年约生产5％的高效电机，其中70％出口，成本增加约25％。

¾已有部分其它高效电动机得到应用，如：永磁电机、磁阻电机等。

电机及其拖动应用现状
0500
1000
1500
2000
2500
3000
万千瓦19961997199819992000年
图1. 中国电机行业主要产品产量(1996-2000)
小型交流电动机大中一般交流发电机直流电机出口电机产量
存在的问题
¾我国电机系统运行效率低、能耗高，主要是电动机及被拖动设备本身效率低，另外系统匹配和调节方式不合理造成系统效率低
¾设备陈旧、效率低。

电动机、风机、水泵等设备落后，效率比发达国家平均低2－5个百分点
¾“大马拉小车”现象严重。

由于我国设备可靠性差，设计选型富裕量较大，设备长期在低负荷区运行
¾系统调节方式落后。

风机、泵类调节大部分仍采用机械节流方式，调速方式效率低约30%
提高常规电机效率的几个技术途径
1、提高材料特性
2、提高制造工艺水平
3、改善电机结构
4、控制电机运行
5、合理利用电磁转换原理
6、与提高功率密度相结合
7、与高功率因数相结合
8、与散热冷却相结合
提高材料特性
1、转子损耗约占电动机损耗的20%，减少转子损耗的一半意味着电机的
效率可提高0.5%～1.5% ，采用铜转子“使电动机效率提高”约为2%。

主要的问题是铸模的高成本和短寿命——高温模具和压铸工艺。

（美国，德国，意大利等国家）
2、选用合适的磁性材料是设计和制造高效率电机的关键，永磁三相
同步电动机部分替代三相异步电动机将成为现实，前者的效率比
后者高5%～10%，其功率因数接近于1。

（日本采用多）。

3、高效率电机硅钢片（ＤＧＲ430-50、ＤＧＲ420-50）：采用含硅量
适中及低碳、低硫、低氮的坯料和特殊的轧制热处理工艺技术。

（英国、日本）。

4、软磁复合材料（soft magnetic composite－SMC）
（英国、澳大利亚）。

各向同性的铁磁材料：
Soft Magnetic Composites (SMC)
独特的电磁特性：•高纯度铁粉•表面电绝缘
•高的磁饱和点•低的涡流损耗•
强的机械强度
0,1mm
B-H Curves
0.511.522.501000020000300004000050000
H (A/m)
B (T )Newcor 1000Transil 355Somaloy 500
Soft Magnetic Composites (SMC)
Iron Loss at 1T
110
100
1000
10
1001000
Freq (Hz)
L o s s (W /k g )Transil 355,0.5mm
Somaloy 500
磁化曲线
损耗曲线
Soft Magnetic Composites (SMC)
常规迭片型电枢转子软磁复合材料的电枢转子
光滑表面，易加工，磁饱和点高，铁耗小，各向同性
提高工艺制造水平
1、采用混合通风结构和轴向通风结构来提高电机的效率。

（德国、法国）
2、采用节能性风扇，尽量缩小风扇的尺寸，再加上良好的风罩，可大大
降低机械损耗。

可使通风损耗减少到原来的1/3以下。

3、采用高效率绕组技术，更改定子线圈的绕嵌和连线方式，如将普通６０°
相带绕组改造成为三角形（Δ）和星形（Ｙ），然后以串联和并联方式连接起来，可削弱电磁谐波，提高了基波绕组系数，降低了绕组工作
电流，提高电动机的效率。

4、采用磁性槽泥和磁性槽楔，它可使气隙磁密分布趋于均匀，降低齿谐波
的影响，降低脉振损耗和表面损耗。

电机中各类损耗定义高效电动机降耗技术
¾电磁优化设计——总体损耗
¾铁芯材料——铁耗+杂散损耗
¾转子结构——铜耗
¾磁性槽楔——铁耗+杂散损耗¾通风结构——机械损耗
¾工艺——杂散损耗低谐波绕组-杂散损耗
高效风扇-风扇损耗
中小型电机
杂散损耗及试验方法
9杂散损耗难以准确计算与分析9通风损耗多依赖经验公式
9试验方法不统一IEEE 112-Method-B(北美) P
s
实测
IEC 34-2(欧洲) P
s
=0.5%P
in JEC 37(日本) P
s
=0
0.5%P
out
(湘潭电机厂YKK系列)
改进电机结构1、增加有效材料，降低绕组损耗和
铁耗；
2、采用适用于变频调速的转子结构，
减小转子电阻；
3、应用计算机优化设计,降低损耗
提高效率。

平均效率提高1－3％
变频调速电机
平均功率因数提高2－5％
平均功率密度提高10－15％
55kW/380V变频调速电机660kW/690V箱式变频调速电机
2.5kW光伏水泵调速电机
Comparison of Efficiency
00.20.40.60.810
10
20
3040
50
60
Frequency (Hz)
E f f i c i e n c y
Motor 1Motor 2
频率变化范围内效率比较
Comparison of Power factor
00.20.40.60.810
10
20
3040
50
60
Frequency (Hz)
P o w e r f a c t o r Motor 1Motor 2
功率因数比较
高效变频调速电机
新型电机的发展
1、开关磁阻电机
2、轴向迭片同步磁阻永磁电机
3、双馈电机
4、交直流混合电机
5、开关磁阻永磁电机
6、矩阵电机
共同特点：
* 突破了原来圆形旋转磁场的概念
* 电机本体与控制集成一体，高效，高可靠性* 多个电磁力矩混合作用，高功率密度
同步磁阻永磁电机－高效、高功率因数、高功率密度
新型同步磁阻永磁电机
可视化模块化高效电机及其系统仿真软件
异步电机
同步电机
开关磁阻电机
永磁电机
同步磁阻电机
电磁设计
发热与冷却
动态系统分析
电磁场分析
效率分析
电机系统节能技术发展趋势
¾电机系统节能技术促使常规电动机的设计、制造和应用发生变化。

¾国际上高效电机、变频调速电机已形成系列。

¾机电一体化将功率变换器和控制系统集成到电机上，形成智能电机、电子电机等，广泛应用于中小功率传动和家用电器。

¾永磁同步电机、开关磁阻电机、磁悬浮直线电机等新型调速电机应运而生，在机车牵引、电动汽车、大型舰船驱动以及磁悬浮交通等领域中得到应用。

电机系统节能产业
¾电机系统节能最主要的相关领域产业是电力电子及电气传动，特别是交流电机变频调速产业。

¾我国交流电机变频调速市场发展迅速，每年以12%的速度迅速增长。

中国大量的基础设施建设，冶金、煤炭、化工、石油等制造业领域的大量投资为中国电机系统市场创造了巨大的需求，该领域市场前景广阔。

¾国际电机系统技术开发和制造商主要集中在欧洲、美洲和日本。

德国西门子、瑞士ABB、日本东芝、美国罗克韦尔等电气公司的产品代表电机调速技术和制造的世界水平。