低壓高效變頻電機(jī)的節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳金剛，黃莉明

低壓高效變頻電機(jī)的節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳金剛，黃莉明

（德州恒力電機(jī)有限責(zé)任公司，山東德州 253005）

本文通過對(duì)普通低壓標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與高效變頻電機(jī)的效率比較，講述低壓高效變頻電機(jī)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。由低壓高效變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)制造到實(shí)際使用中不同負(fù)載率下的效率和功率因數(shù)的變化，論述了低壓高效變頻電機(jī)本體節(jié)能和系統(tǒng)節(jié)能的措施，說明低壓高效變頻電機(jī)節(jié)能需綜合運(yùn)用各種控制技術(shù)，全面考慮，才能達(dá)到最大限度的節(jié)約能源，提高效率。

低壓高效變頻電機(jī) 總損耗 效率 功率因數(shù) 系統(tǒng)節(jié)能

0 引言

低壓電機(jī)的效率是衡量電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)性能的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的效率高低與被拖動(dòng)的負(fù)載、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、類型和電源的電壓有關(guān)。同步轉(zhuǎn)速相同，不同容量的電機(jī)，隨電機(jī)額定功率的增加，額定效率逐步提高。同型號(hào)電機(jī)，在額定負(fù)載內(nèi)運(yùn)行時(shí)，隨著電機(jī)輸出功率的增大，單位損耗相對(duì)減小，效率相應(yīng)提高。減少電機(jī)固定損耗是提高電機(jī)本身效率，節(jié)約能源的重要途徑。

1 普通低壓標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與高效變頻電機(jī)本體效率比較

一般低壓三相異步電機(jī)的額定效率為 75%～96% 。低壓高效變頻電機(jī)運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過采用優(yōu)質(zhì)原材料和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中利用智能變頻控制，進(jìn)行調(diào)速、調(diào)壓、改善功率因數(shù)來減小電機(jī)的固定損耗和負(fù)載損耗，提高電機(jī)效率，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。高效低壓變頻電機(jī)單從本身提高效率的角度來說，額定效率比低壓普通標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)提高3%～8%。圖1是額定功率(0.75~120) kW，同步轉(zhuǎn)速1500 r/min的普通低壓標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與高效變頻電機(jī)額定效率對(duì)比參考圖。

低壓高效變頻電機(jī)不但本體可直接節(jié)能，同時(shí)，通過與變頻器配套使用，利用微機(jī)智能控制，調(diào)節(jié)帶動(dòng)壓縮機(jī)，水泵，風(fēng)機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，可提高整個(gè)系統(tǒng)的效率水平，進(jìn)而提高整個(gè)設(shè)備制造業(yè)的能效水平。

圖1 (0.75~120) kW，同步轉(zhuǎn)速1500 r/min普通低壓標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)與高效變頻電機(jī)額定效率對(duì)比圖

2 低壓高效變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

低壓高效變頻電機(jī)的設(shè)計(jì)主要在適應(yīng)變頻電源調(diào)速運(yùn)行和提高電機(jī)本身效率兩方面考慮。高效變頻調(diào)速系統(tǒng)由于變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對(duì)高速或低速運(yùn)轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的需求，對(duì)作為系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換主體的電動(dòng)機(jī)，提出了更高的要求，給低壓高效變頻電機(jī)帶來電磁、結(jié)構(gòu)、絕緣等各方面新的挑戰(zhàn)。

由于低壓高效變頻電機(jī)可以直接啟動(dòng)，過載能力和啟動(dòng)性能不需要過多考慮，電機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是改善本身對(duì)非正弦波電源的適應(yīng)能力，提高電機(jī)在不同負(fù)載率下的效率。電磁設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮減小定子，轉(zhuǎn)子電阻；抑制電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流中的高次諧波；磁路設(shè)計(jì)成不飽和狀態(tài)，以適應(yīng)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)高次諧波加深的磁路飽和。同時(shí)注意電機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，為提高輸出轉(zhuǎn)矩，應(yīng)適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。低壓高效變頻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮非正弦電源特性對(duì)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、噪聲及冷卻方式等方面的影響。為滿足電機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，抵抗變頻器高頻電流沖擊對(duì)絕緣的破壞，提高電機(jī)繞組匝間絕緣介電強(qiáng)度和機(jī)械性能強(qiáng)度，繞組采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工藝，采用特殊的絕緣結(jié)構(gòu)。為避開與各次力波產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，充分考慮電動(dòng)機(jī)構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，提高平衡質(zhì)量，振動(dòng)等級(jí)要求為R級(jí)。對(duì)需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)的高效變頻電機(jī)，采用專用高精度進(jìn)口軸承。

為提高低壓高效變頻電機(jī)本身效率，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)定子線圈采用新型繞制工藝，定轉(zhuǎn)子沖片使用高規(guī)格優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片精密沖壓，為減少轉(zhuǎn)子損耗采用鑄銅轉(zhuǎn)子。盡量減少各種損耗，提高電機(jī)效率。

低壓高效變頻電機(jī)較普通電機(jī)存在以下優(yōu)點(diǎn)：高效變頻電機(jī)可在0.1 Hz~130 Hz的頻率范圍內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行，可適用于設(shè)備的各種調(diào)速場(chǎng)合，適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速；具備有自啟動(dòng)功能；采用電磁設(shè)計(jì)，減少定子和轉(zhuǎn)子的阻值，提高電機(jī)效率；采用獨(dú)立風(fēng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，在各種轉(zhuǎn)速下，均能良好地散熱。

3 低壓普通標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)和高效變頻電機(jī)運(yùn)行效率比較

在實(shí)際應(yīng)用中，普通標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)效率可分為額定效率、運(yùn)行效率、最高效率。額定效率指輸出功率為額定值時(shí)的效率；運(yùn)行效率指電機(jī)拖動(dòng)某負(fù)載運(yùn)行時(shí)的工作效率；最高效率指電機(jī)可能達(dá)到的最高運(yùn)行效率。低壓電機(jī)的效率高低直接取決于其負(fù)載率；當(dāng)負(fù)載率低于40％時(shí)，電機(jī)效率將迅速下降。圖2是15 kW，1460 r/min的低壓普通電機(jī)不同負(fù)載率下的效率與功率因數(shù)對(duì)比圖。當(dāng)負(fù)載率為80％左右時(shí)，電機(jī)的運(yùn)行效率最高，所以人們將70％～90％的負(fù)載率稱為有功經(jīng)濟(jì)負(fù)載率。

圖2 15 kW、1460 r/min低壓普通電機(jī)不同負(fù)載率下的效率與功率因數(shù)對(duì)比圖

低壓高效變頻電機(jī)通過變頻器調(diào)節(jié)輸入本身的電壓和頻率，使電機(jī)的效率和功率因數(shù)在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)都很高。因此，低壓高效變頻電機(jī)的功率因數(shù)和效率可以比普通低壓標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)設(shè)計(jì)得更高，功率密度更大。通常，以變頻器供電的低壓高效變頻電機(jī)比普通低壓標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，效率提高3%~8%，功率因數(shù)提高10%~15%。基于低壓高效變頻電機(jī)在變頻調(diào)速控制方面較普通電機(jī)的優(yōu)越性，對(duì)需要變速運(yùn)行的設(shè)備一般用低壓高效變頻電機(jī)通過變頻器來實(shí)現(xiàn)，節(jié)能效果顯著。使用變頻器的低壓高效變頻電機(jī)在額定負(fù)載不變速的情況下，由于變頻器消耗一部分電能，約占電機(jī)功率的4%~6%，隨著電機(jī)效率和功率因數(shù)的提高，可抵消這部分損耗，系統(tǒng)整體節(jié)電效果不明顯；在輕負(fù)載變頻調(diào)速的情況下，設(shè)備節(jié)電率達(dá)30%左右，較高的情況下可達(dá)40%~60%，系統(tǒng)整體節(jié)電的效果非常明顯。

4 低壓高效變頻電機(jī)的節(jié)能原理

低壓高效變頻電機(jī)在轉(zhuǎn)速不變的情況下，主要通過輕負(fù)載降低電壓實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在風(fēng)機(jī)或水泵等恒壓環(huán)境下運(yùn)行，當(dāng)需要較小的流量時(shí)，電機(jī)會(huì)通過降低頻率而降低速度；當(dāng)不考慮變頻器本身消耗的電能時(shí)，電機(jī)的耗能跟轉(zhuǎn)速的1.7次方成正比，如果加上5%的變頻器耗電，通過變頻器調(diào)速節(jié)能的效果也是很明顯的，整體系統(tǒng)節(jié)電率一般達(dá)到30%~60%。節(jié)電率是指低壓變頻高效電機(jī)在降低頻率運(yùn)行時(shí)，額定頻率下運(yùn)行消耗的電能與降低頻率運(yùn)行消耗的電能之差占額定頻率下運(yùn)行時(shí)消耗電能的百分?jǐn)?shù)。表1是不同轉(zhuǎn)速下的流量、風(fēng)壓、軸功率的理論節(jié)能關(guān)系表。拖動(dòng)轉(zhuǎn)距負(fù)載由于轉(zhuǎn)速?zèng)]有多大變化，變頻器通過降低電壓、改善功率因數(shù)、提高效率來節(jié)能，但節(jié)能有限，與普通標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)相比，一般整體節(jié)能5%~10%左右。

5 低壓高效變頻電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能的措施

低壓高效變頻電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能包括電機(jī)本體節(jié)能，被拖動(dòng)設(shè)備及傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能，管網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)能，系統(tǒng)內(nèi)不同部件或子系統(tǒng)合理匹配節(jié)能。系統(tǒng)控制方式的節(jié)能，涉及設(shè)計(jì)、制造、各種工況以及運(yùn)行管理等多方面的綜合性技術(shù)。選型時(shí)由于考慮到啟動(dòng)、過載等因素的影響，普通電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通常達(dá)不到滿載運(yùn)行，使電機(jī)的效率降低，浪費(fèi)一部分電能。低壓高效變頻電機(jī)利用電機(jī)本身效率的提高，通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的推廣和改進(jìn)，改善風(fēng)機(jī)、泵類電機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的方式，消除“大馬拉小車”現(xiàn)象，合理匹配電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，做到集成化、智能化、信息化相互融合，充分利用智能控制來達(dá)到設(shè)備整體節(jié)能。

6 結(jié)論

從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展來看，低壓高效變頻電機(jī)的生產(chǎn)、制造、推廣和應(yīng)用已成為國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)。高效變頻節(jié)能電機(jī)，智能變頻調(diào)速系統(tǒng)的綜合運(yùn)用開辟了設(shè)備制造業(yè)的新篇章。使用高效變頻電機(jī)，采用變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)，可使高效變頻電機(jī)在達(dá)到需要的負(fù)載下，減少損耗，節(jié)約電能。特別是對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的運(yùn)行，通過變頻調(diào)速來調(diào)節(jié)流量，將閥門、擋板開到最大，減小管路的阻尼，通過智能控制使高效變頻電機(jī)在經(jīng)濟(jì)節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行，節(jié)能效果十分明顯。高效變頻電機(jī)利用變頻調(diào)速節(jié)能智能系統(tǒng)進(jìn)行控制，由于具有無級(jí)調(diào)速和節(jié)能雙重優(yōu)勢(shì)，所以是今后機(jī)械設(shè)備提高效率、節(jié)約能源、調(diào)速運(yùn)行的發(fā)展方向。

[1] 陳金剛, “綠色”電動(dòng)機(jī)[J]. 電氣時(shí)代, 2012, (2): 18-19.

[2] 張紅枝, 陳金剛. 低壓變頻調(diào)速電機(jī)的特點(diǎn)及變頻調(diào)速節(jié)能控制應(yīng)用[J]. 防爆電機(jī), 2018, (1): 31-33.

[3] 張令東. 變頻節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用展望[J]. 科技創(chuàng)新及應(yīng)用, 2012, (12): 120-120.

[4] 黃威, 黃禹. 變頻器的使用與節(jié)能改造[M]. 北京化學(xué)工業(yè)出版社, 2011,(3).

[5] 孟祥瑞. 變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備中的節(jié)能應(yīng)用[M]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2011, (2): 64-64.

Design of Energy-Saving System for Low-Voltage and High-Efficiency Frequency Conversion Motor

Chen Jingang, Huang Liming

(Dezhou HengLi Electrical Machinery CO.,LTD, Dezhou 253002, Shandong, China)

TM301

A

1003-4862（2019）02-034-03

2018-09-19

陳金剛（1974-），男，工程師。研究方向：電機(jī)檢測(cè)與故障分析。E-mail: cjg2516@163.com