20 电机系统节能综述-吴汉熙

变频调速应用场合： 变频调速节能技术对转矩随转速二次方变化的负载，如风机、泵 类负载有较好的节能效果，适用于负荷变化较大、频繁调节的风 机、水泵、压缩机系统，
节电率：可达到10%～50%左右
电机系统节能解决方案——4、电机变极调速改造
异步电动机旋转磁动势的同步转速与电机极对数成反比,改变鼠笼型三相 异步电动机定子绕组的极对数，就改变了同步转速，实现变极调速。
一体化产品。
电机系统节能解决方案—2、稀土永磁同步电动机
稀土永磁同步电动机替换适用场合： 负荷变化较频繁、经常运行于空载、轻载状态的负载，在车床、冲床、 化纤、纺织、拉丝类设备上应用有较好的节能效果。
稀土永磁电动机节能潜力： 平均节电率高达10％以上，专用稀土永磁电动机可高达15%～20％。
风机、泵、压缩机产品效率比国外先进水平低2%－ 4%，虽然设计水平与国外先进水平相当，但制造技术 和工艺有差距。
2）系统运行效率低
由于系统匹配的不合理，“大马拉小车”现象严重，设 备长期低负荷运行。系统调节方式落后，大部分风机、 泵类采用机械节流方式调节，效率比调速方式约低 30%，电机系统就运行效率而言要比国外先进水平低 25%～30%。
产品
国外发达国家
高效 现占有率 美国、加拿大、澳大利亚等90%以上 电机 未来 美国、加拿大：2011年强制超高效
专用匹 配电机
现占有率
70%
一体化 电机及系统
已形成托拉斯生产模式，控制装置、 电机、负载多在同一集团各分厂生产
测试系统
已实现自动化、精确化
国内 5%
2011年高效
10%
差距
高端产品 占有率 差距大
电机系统节能解决方案——3、变频调速节能技术
通过改变交流异步电动机供电电源频率达到调节电动机转速 的方式称为变频调速。 n=60f/p 对于风机、水泵负载： Q1/Q2 = n1/n2 p1/p2 =(n1/n2)2 P1/P2 =(n1/n2)3
电机系统节能解决方案——3、变频调速节能技术
电机及系统是通过电动机将电能转化为机械能，再通过被 拖动装置（如风机，水泵，压缩机，传送带等）做功，实 现各种所需功能。
电机及系统
控 制 装 置空压机 起重
其他电机 驱动系统
传输
机床
2、电机系统应用现状
电机系统广泛应用于风机、泵、鼓风机、空气压缩机、 制冷机和车床等机械传动装置及其他各类电气设备，是 量大面广的终端耗能大户。
单位GDP能耗降低20%的重要手段，低碳经济的重要组成部分
4、国内电机系统现状
1）电动机和被拖动设备效率低 我国目前生产和在用的电动机以Y系列为主，占据了近
90%的市场份额，其效率平均值为87.3％，比高效电 机的效率平均低3％；虽然目前国内已经有40多家企业 生产高效电动机，但由于成本、价格的原因，高效电动 机的市场占有率仍然较小，仅占整个市场的5%左右。
3）节能技术和装备水平相对落后
电机传动调速及系统控制技术与国外相比差距较大，电 力电子变频调速技术与国际先进水平相差10～15年， 国外变频调速技术和产品主导我国电机系统市场。
5、国内外差距加大
1、技术差距 高效化 专用化
电机 国外：高效 91%，超高效 93%，且节材 国内：普通 效率（87%）
一体化 测试精确化
系统 运行效率比国 外低25~30%
降低杂散耗、铁耗、铜耗 的设计方法 国产冷轧硅钢片难以满足 高效、超高效
高效、超高效电机节材设 计技术
电机、负载和控制装置的 节能匹配技术
全寿命周期成本分析技术
1、技术差距 高效化 专用化 一体化
测试精确化
缺乏匹配专用 电机，“大马 拉小车”
变频专用电机 可靠性差
相控调压应用场合： 相控调压可应用于负荷率较低、功率因数小、负载变化较大且不 允许速度变化的设备，
综合节电率：可达到10%～30%。
电机系统节能解决方案——7、电机减容增效改造
电机减容增效原理及特点： 根据电动机实际运行工况、容量需求，重新设计制造，减小电动机容量 ，使之按需输出，减少损耗和高效运行，达到节能的目的。
高效电机替换应用场合： 负载率50％以上、年运行时间较长的恒转矩负载。
高效电机节能潜力： YE2系列高效电机效率值符合IE2效率标准，运行效率比普通系列提高3 个百分点；YE3系列超高效电机效率值符合IE3效率标准，运行效率比 普通系列提高5个百分点。
电机系统节能解决方案—2、稀土永磁同步电动机
三者彼此独立 一体化系 缺乏一体化系统产品 统缺乏
绝大部分企业未实现 落后
二、电机系统节能主要技 术和方案
电机系统节能解决方案——1、高效电机替换
高效电机定义：一般是指具有高效率的通用标准型三相异步电动机。目前在 我国，只有效率达到或超过GB18613规定的节能评价值的电动机，才能称 为高效电机。
内馈串级调速节能潜力： 对容量大、调速范围不大的风机、水泵系统，综合节电率可达到10% ～40%。
电机系统节能解决方案——6、相控调压节能技术
相控调压原理：
相控调压装置通过实时检测电动机的电压与电流的相位差，不断调整电 动机的电压，使电机的输出功率与实时负载精确匹配，从而有效地降低 电机的功率损耗，减少不必要的电能损耗，实现“所供即所需”。
电机系统节能技术综述
吴汉熙
上海电器科学研究院 上海电机系统节能工程技术研究中心 国家中小型电机及系统工程技术研究中心
2012年3月
一、电机系统的概况 二、电机系统节能的主要技术和
方案
三、电机系统节能案例 四、合同能源管理 五、结论
一、电机系统概况
1、电机系统基本概念
电机系统包括电动机，被拖动装置，传动系统，控制（调 速）系统以及管网负荷等，是一个涉及多学科、多专业、 多领域的复杂系统。
相控调压特点：
1、在高效节电的同时，不改变电机的转速，不影响设备的正常工作； 2、提升电机效率及功率因数、降低无功损耗，延长电机寿命； 3、具有软启动与软停机功能，有效消除电机机械冲击和大启动电流； 4、降低电机温度、噪音，改善工作环境，降低运行成本和维护费用。
电机系统节能解决方案——6、相控调压节能技术
各国政府公认的具有极大节能潜力的领域 我国十大节能工程之一 08年我国该系统用电1.95万亿kWh，占总发电量的57% 我国电机多为普通效率电机，其平均
效率为87%，而发达国家早已推行的 高效电机效率已达到91%以上，美国 的超高效电机效率更是达到93%，比 我国高3~5% 系统运行效率，国外比我国高25~30%
稀土永磁同步电动机是采用稀土永磁体来产生励磁磁场的同步电动机。 稀土永磁同步电动机具有以下特点： 1）无滑差，转子上无基波铁耗、铜耗。 2）在满载和轻载、空载时，功率因数均可达到1.0左右，不仅节约了无功功率
，也使定子电流下降，定子铜耗减少，效率提高。 3）效率特性有高而平的特点，在轻载到满载之间相当宽的区域内效率为最高。 4) 与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出各种性能优异的机电
无速度传感器矢量控制技术
有速度传感器矢量控制技术
1、技术差距 高效化 专用化 一体化
测试精确化
高效电机效 率精确测试 技术
变频电机测 试技术
低不确定度测试技术的数学模 型和评价方法
测量误差自动修正技术
高稳定度负载控制技术
试验用多功能变频电源 多转矩类型快速响应型试验负 载
2、产品、产业结构不合理：低端、单一产品为主 3、综合型技术人才匮乏：需电机、电力电子、控制、机械等多学科人才 4、高层次工程化平台空缺：急需组建集研发、测试、标准制订和成果 转化、推广为一体的高层次工程化平台
从节电的角度看，电动机节电解决的是电动机运行效率远低于额定效率 问题。电动机减容改造，有效地减少运行时的各类损耗，提高电动机运 行效率，保持电机的输出与负载的匹配。
电机系统节能解决方案——7、电机减容增效改造
电动机减容改造主要应用场合： 电动机减容节电主要应用于中大功率电机，中大功率电机主要应用于大 型工业，例如冶金、有色、煤炭、电力、油气开采和输送、石化、牵引 运输，城市供排水等。
高效电机具有如下主要优势： 1）由于满载和部分负载运行时效率都提高，因此可以节约能源，降低运行
成本； 2）由于损耗小、发热少，温升较低，因此电动机的使用寿命、可靠性都会
提高； 3）长时间运行节能效果比较明显，有助于减少二氧化碳排放量，保护环境
；
电机系统节能解决方案——1、高效电机替换
电机与水泵、风机的负载区、 效率区合理匹配技术 变频电机设计模型和设计技 术
变频电机绝缘材料、结构
变频电机轴电流的抑制
1、技术差距 高效化 专用化 一体化
测试精确化
控制与电机 的匹配技术
高性能工程 型矢量控制 技术
电机参数辨识和控制器参数自 整定
专用电机与变频控制的匹配
谐波对电机及控制系统的影响 及解决方案
n1=60 f1/p
变极调速特点: 1）具有较硬的机械特性，稳定性良好； 2）无转差损耗，效率高； 3）接线简单、控制方便； 4）极高的性价比。
电机系统节能解决方案——4、电机变极调速改造
变极调速适用场合： 使用风机、水泵类负载的工矿企业，由于环境条件（如季节、温度等） 发生变化或者负载的工作特性要求对流量进行调节，对于调速精度要求 不高的场合，采用变极调速异步电动机调节流量，是一种较为经济可行 的办法，可以取得较为显著的节电效果。
变频调速的特点是： 1）在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速附近运行，基本上保持额定
转差率，转差损失不增加； 2）调速范围宽、精度高、平滑性稳定性好，调速装置效率高； 3）节电效果明显； 4）变频装置可以兼作软起动设备，起动电流低，对系统及电网无冲击； 5）易于实现过程自动化