電動機的選型對水泥生產工藝節能降耗的影響

王志學

中材建設有限公司（100176）

電動機的選型對水泥生產工藝節能降耗的影響

王志學

中材建設有限公司（100176）

水泥生產屬高耗能產業，大量使用異步電動機，磨機主傳動的同步電動機已被交流異步（繞線式）電動機代替，回轉窯主傳電機現在幾乎全部為交流變頻調速異步電動機。正確合理選用三相交流異步電動機、確保電動機運行在經濟合理的負載區間，提高電動機的運行效率，做好電動機節能措施是水泥企業節能減排的工作內容之一。

電動機；選型；節能降耗

異步電動機的損耗分為定子銅耗、定子鐵耗、轉子銅耗、機械損耗和附加損耗。定子線圈造成的電能損失分為定子銅耗、定子鐵耗，其余能量通過氣隙旋轉磁場至轉子回路中，這部分功率就是電動機的電磁功率PM。電磁功率傳遞到轉子后，產生轉子電流，在轉子電阻上又發生轉子銅耗Pcu2。從定子傳遞到轉子的電磁功率扣除轉子銅耗后，便是轉子旋轉運動的機械能量PQ。機械能量PQ除去轉子機械磨擦和冷卻風需要的能量后，由電動機軸輸出凈機械功率P2，三相交流異步電動機各種功率之間的關系見圖1。

圖1　三相交流異步電動機各種功率之間的關系

異步電動機必須從電網中吸收無功電流建立旋轉磁場，功率因數必然小于1，電機運行中的效率也與之關聯，功率因數應補償到一個合理值，降低線路能耗。

電動機效率計算公式：

式中，P1——電動機輸入功率，kW；

P2——電動機輸出功率，kW；ΔP——電動機的功率損耗，kW；ΔP0——電動機的功率損耗，kW；ΔP——電動機的功率損耗，kW；β——電動機負荷率；I——電動機輸入電流，A；U——額定電壓，V；θ——功率因數角。

普通異步電動機在額定負載下其效率為75%～92%。異步電動機的效率也隨著負載的大小而變化。

2012年5月11日，國家有關部門參照IEC 60034-30《單速三相籠型感應電動機效率分機》國際標準，發布了GB18613《中小型三相異步電動機能效限值及能效等級》，強制性將電動機的效率水平進行了3個等級的分級，即Eff1（超高效）、Eff2（高效）和Eff3（普通），其中Eff1（超高效）7.5～375kW的目標能效限定值自2012年9月1日起，4年后開始實施。實施后的中國3級能效、2級能效和1級能效分別對應歐盟標準中的IE1（普通Eff2）、IE2（高效）和IE3（超高效）。《中小型三相異步電動機能效限定值和能效等級》電機效率表（部分摘抄）見表1。

現階段使用中的電動機，效率普遍偏低，相比GB18613的要求，部分國產Y2系列電機效率尚低于3級能效，國內某公司產品手冊中給出的Y2系列 110kW，2極、4極電機的效率分別是94%和94.5%，而有些運行中的電機效率就更低。在新建項目中選擇使用高效電機，對不合理運行的電動機進行更新改造，成為必然選擇。

按電動機經濟運行有關規定，電動機綜合效率大于或等于額定綜合效率，表明電動機對電能利用是經濟的；電動機綜合效率小于額定綜合效率但大于額定綜合效率的60%，表明電動機對電能利用基本是合理的；電動機綜合效率小于額定綜合效率的60%，表明電動機對電能利用是不經濟的。對運行中的電動機可據運行狀態判斷，當運行時的電流在額定電流85%以上屬于經濟使用范圍；運行電流為65%～85%額定電流屬于允許使用范圍；如果運行電流降到額定電流的65%以下屬于非經濟使用范圍，應當考慮更換電動機。

按GB/T12497三相異步電動機經濟運行中節電量計算方法，更換或改造后電動機的節電量按下式計算：

表1　《中小型三相異步電動機能效限定值和能效等級》電機效率表

式中：ΔPcai——原電動機的綜合功率損耗，單位為kW；ΔPcbi——更新或改造后電動機的綜合功率損耗，單位為kW。

依上式可進一步得到下面不同效率的單臺電機年電費節約計算式

式中：

以一臺110kW，4極電動機舉例，假定年運行7000h，電價0.48元/kWh，電機負荷率0.85，使用一級能效電機與Y2系列電機對比，節約電能13650.7 kWh，相應電費為：

根據式（1）和式（3），電動機的效率與負載率有很大關系：空載時的電動機P2=0，不向外輸出功率，ΔP=ΔP0，此時的效率最低，η=0；隨著電機負載增加，效率提高，當負載為額定負載的0.7～1倍時，效率最高。合理確定電動機的負載率，避免大馬拉小車，對節約能耗是有明顯作用的。

某機械的實際軸功率約28.7kW，原使用一臺55kW交流電動機，運行中記錄電流為67A，功率因數0.78。按式（3）計算，該電機的輸入功率：取富裕系數K=1.15，得電動機軸功率30.4kW，取電機額定功率37kW，計算得電機負荷率為82%。參考1級能效，該電機負荷率略低于額定效率95.3% 取91%，此時電動機輸入功率31.5kW。按年運行7000h計算，更換電機后每年可節約電能20300 kWh，折合電費9744元。

以此推算，如果國內現有水泥行業全部裝備高效電機，節約的能耗是相當可觀的。根據有關資料，2011年，僅某大跨國電氣公司銷售的功率范圍為2.2～375kW的電動機，其產品和解決方案能夠降低客戶二氧化碳排放量2.7億t，相當于香港、紐約、東京、新德里和新加坡等大型城市每年的二氧化碳排放總量。因此，設計選型時應特別注意電動機的選型及能效。