節(jié)能電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與電力拖動存在的問題分析

龔亮

摘? ?要：電力作為被廣泛應(yīng)用的能源之一，在電氣設(shè)備種類多樣化的背景下，電力能源需求日益增加，按照電力生產(chǎn)具體情況，適當(dāng)運(yùn)用節(jié)能技術(shù)，可降低電機(jī)負(fù)載，實現(xiàn)節(jié)能。簡述各類節(jié)能電機(jī)的發(fā)展，從控制線路、同步電機(jī)兩方面闡述電力拖動問題，進(jìn)而提出對應(yīng)的解決策略。

關(guān)鍵詞：節(jié)能電機(jī);電力拖動;控制線路;同步電動機(jī)

機(jī)電拖動系統(tǒng)主要由電動機(jī)、電源、控制設(shè)備以及工作機(jī)構(gòu)組成，發(fā)電機(jī)為重要部件。同時，電力拖動常應(yīng)用在電力生產(chǎn)、機(jī)械生產(chǎn)以及冶金等行業(yè)當(dāng)中，為行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展使用的重要傳動方式。在電力拖動過程中，節(jié)能技術(shù)應(yīng)用廣泛，因此，分析拖動工程中的節(jié)能技術(shù)具有現(xiàn)實意義。

1? ? 節(jié)能電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國機(jī)電產(chǎn)業(yè)在機(jī)電生產(chǎn)、使用等過程主要遵循GB 18613—2012和GB 30254—2013等標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工業(yè)部頒發(fā)的《落后機(jī)電設(shè)備淘汰》目錄監(jiān)察企業(yè)行為、管理過程，檢查機(jī)電生產(chǎn)相關(guān)信息，對難以達(dá)到節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)以及限定值等的低效能電機(jī)進(jìn)行停運(yùn)。同時，核查相關(guān)企業(yè)機(jī)電設(shè)備使用情況，及時淘汰低效能的電機(jī)。2015年，國家頒發(fā)《中國制造2025》，其中重點指明加大力度研發(fā)綠色產(chǎn)品，淘汰落后的機(jī)電產(chǎn)品以及相關(guān)運(yùn)營技術(shù)，同年，國家工信部聯(lián)合質(zhì)檢局共同印發(fā)了《提升管機(jī)電效能計劃》，致力于實現(xiàn)機(jī)電節(jié)能量1.7億kW，淘汰1.6億kW的低效機(jī)電設(shè)備[1]。

當(dāng)前，我國幾種節(jié)能的機(jī)電類型主要發(fā)展為YE4三相異步電機(jī)，在IEC60034-30修訂過程，將其劃分成兩個標(biāo)準(zhǔn)，其一為交流電機(jī)在線能效分級，其二為變速交流電機(jī)的能效分級。未來機(jī)電技術(shù)的發(fā)展方向為高效率電機(jī)，為持續(xù)完善GB18613—2012標(biāo)準(zhǔn)中的電機(jī)能效產(chǎn)品相關(guān)空白，完成國家制定的機(jī)電節(jié)能運(yùn)行計劃，需要進(jìn)一步研究IE4電機(jī)，保證高效電機(jī)滿足國內(nèi)以及出口機(jī)電市場需求。制定設(shè)計IE4高效機(jī)電產(chǎn)品計劃，明確產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)條件。如型號為H80～H355系列，級數(shù)分為2級、4級、6級和8級等，功率處于0.75～355.00 kW，平均效率可達(dá)95%，高于普通類型產(chǎn)品近6%。

高速三相同步電機(jī)（永磁類型）的發(fā)展，使用超高速同步永磁三相電動機(jī)，轉(zhuǎn)速為1 000～50 000 r/min，功率范圍在10～300 kW，逐漸向制造、測試超高速電機(jī)等技術(shù)方面發(fā)展，同時，還向微燃發(fā)電、機(jī)床電機(jī)以及高速儲能領(lǐng)域擴(kuò)展。

高轉(zhuǎn)矩低速永磁類型電動機(jī)的發(fā)展。其中，高轉(zhuǎn)矩低速主要指傳動系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)矩高于500 N·m，低速主要指轉(zhuǎn)速小于500 r/min，此類型電動機(jī)可應(yīng)用在球磨機(jī)當(dāng)中，保證其安全、穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)節(jié)能>10%。

在高性能的永磁類伺服電機(jī)發(fā)展過程中，主要將使用功率3～15 kW的電機(jī)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床之中，將驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用在印刷、紡織和包裝類機(jī)械設(shè)備當(dāng)中，并制定了相關(guān)電機(jī)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于永磁類型同步伺服電機(jī)的發(fā)展，其應(yīng)用在汽車領(lǐng)域較為廣泛，未來發(fā)展主要傾向于工業(yè)領(lǐng)域，進(jìn)一步開發(fā)出相同系列的電機(jī)產(chǎn)品，此產(chǎn)品型號處于H80～H355，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，可調(diào)速范圍在100～5 000 r/min，電機(jī)功率在0.55～315.00 kW。

促使節(jié)能電機(jī)、拖動設(shè)備等不斷發(fā)展，是當(dāng)前節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)面臨的重點問題之一，為保證電機(jī)節(jié)能效果，需要從機(jī)電設(shè)計、機(jī)電制造以及機(jī)電應(yīng)用等角度，找出節(jié)能過程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，助力該行業(yè)的發(fā)展。

2? ? 電力拖動問題相關(guān)分析

2.1? 控制線路問題

在機(jī)電工程當(dāng)中，電力拖動的控制線路產(chǎn)生故障的現(xiàn)象較為常見。通常而言，電路故障主要分為3種類型，其一為突發(fā)性故障;其二為漸變類型故障;其三為間接類型故障。突發(fā)性故障主要存在于電氣元件、電動機(jī)或者導(dǎo)線當(dāng)中，當(dāng)以上物體在使用過程中產(chǎn)生較多熱量時，就會散發(fā)出焦灼氣味，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致冒煙或者出現(xiàn)火花等問題。故障產(chǎn)生的主要原因為線路長期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，或者線路中的部分電路絕緣層受損，亦或是線路出現(xiàn)短路問題。而漸變類型故障出現(xiàn)的主要原因為元件老化，或者線路接觸不良。間接類型故障原因有多種，在特殊情況下，此類型故障的檢修存在較高難度。

2.2? 同步電機(jī)問題

同步電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時，才可產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，此電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，常見的調(diào)速問題為啟動、變頻等。當(dāng)電動機(jī)處于正常狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，定子、轉(zhuǎn)子磁場受到電磁作用，使旋轉(zhuǎn)磁場保持相對靜止的狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。所以，電動機(jī)能夠在同步速度下帶動荷載穩(wěn)定運(yùn)行。電動機(jī)主要使用50 Hz的交流電源，啟動時可對其機(jī)械性能產(chǎn)生影響。當(dāng)三相定子和對稱三相電源連接之后，定子N極磁場和轉(zhuǎn)子S極磁場互相接觸之后，受到異性磁極吸引，因為轉(zhuǎn)子慣性大，導(dǎo)致靜止?fàn)顟B(tài)時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動困難。當(dāng)保持循環(huán)狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子只能原地擺動，導(dǎo)致電動啟動出現(xiàn)問題。此外，同步電動機(jī)的電源頻率、轉(zhuǎn)速等保持同步運(yùn)行的狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)速僅和電源的頻率相關(guān)，和負(fù)載無關(guān)，因此，只有使用變頻調(diào)速才可轉(zhuǎn)變其轉(zhuǎn)速[2]。

3? ? 解決電力拖動問題的具體方案

3.1? 控制線路問題的檢修

當(dāng)電力拖動的控制線路存在故障時，需要對線路展開故障排查和檢修，排查過程需要使用多種方法，逐一測試，才可將故障位置精準(zhǔn)確認(rèn)。初步判斷故障的大致范圍，之后逐漸將范圍縮小，進(jìn)行測量、排查等，最后定位故障，完成檢修流程。

在具體實踐過程中需要首先試驗線路，在確保故障范圍不會進(jìn)一步蔓延以及不會對機(jī)械設(shè)備、元件等產(chǎn)生損傷等前提下，進(jìn)行測試。為明確故障大致范圍，需要先對故障部分通電，之后仔細(xì)觀察機(jī)械設(shè)備、電氣元件等運(yùn)行情況，通過拖動線路，測試程序異常與否，進(jìn)而判斷出線路故障范圍。初步獲知故障范圍之后，工作人員可按照特定原理和邏輯展開相應(yīng)的分析。按照電力拖動線路的控制原理，能夠準(zhǔn)確觀察控制過程產(chǎn)生的異常動作，合理縮小故障范圍，此檢修方法適合應(yīng)用在解決較為復(fù)雜的線路故障，同時，故障排查效果良好。控制電力拖動線路時，需要使用測量工具輔助進(jìn)行，確保測量結(jié)果精準(zhǔn)。測量環(huán)節(jié)要按照需求選擇通電、斷電等，常使用電阻測量以及電壓測量兩種故障測量方式。定位故障點時，需要展開多點測量，保證測量過程規(guī)范進(jìn)行，防止產(chǎn)生重復(fù)測量問題。對關(guān)鍵的連接點進(jìn)行編號，促使測量過程有序進(jìn)行。

例如，使用電壓法測量時，可選擇萬用表進(jìn)行輔助測量，使用前先調(diào)節(jié)，將表開關(guān)置于特定電壓上水平放置，之后檢查表針是否位于零點位置，若出現(xiàn)偏離現(xiàn)象，可輕輕調(diào)節(jié)旋鈕，避免用力過度對萬用表造成影響。調(diào)節(jié)之后，可按要求將表筆向插孔內(nèi)插入，之后將開關(guān)設(shè)置在對應(yīng)量程上，并置于500 V檔位，保證測量結(jié)果精準(zhǔn)，按照測量編號展開逐一測量，進(jìn)一步排查故障。在測量過程中，需要保證測量體處于帶電狀態(tài)，因此，應(yīng)保證測量人員安全。此方法測量電力拖動的控制線路故障速度快、方法簡單、準(zhǔn)確度高，但是也存在相應(yīng)的危險性，因此，在定位故障點時可結(jié)合實際要求，適當(dāng)選擇電阻方法進(jìn)行測量。此方法同樣需要萬用表，對比電壓法，其需要將萬用表開關(guān)調(diào)至電阻檔位上，按照測量體合理選擇電阻檔位、編號，測量電阻值，分析數(shù)據(jù)，找到故障所在[3]。

3.2? 解決同步電機(jī)啟動和調(diào)速問題

3.2.1? 直接啟動

電力系統(tǒng)主要通過負(fù)載變壓器、異步電動機(jī)等實現(xiàn)運(yùn)行，電網(wǎng)需要負(fù)載無功功率，導(dǎo)致線路損耗，此時同步電動機(jī)的啟動為關(guān)鍵問題。為保證電動機(jī)啟動過程的穩(wěn)定性，可使用節(jié)能方案。使用異步電動機(jī)，保持級數(shù)和同步電動機(jī)之間相同，對其進(jìn)行牽引。如果同步電動機(jī)啟動時，其轉(zhuǎn)子沒有加入勵磁，此時可利用輔助電動機(jī)將其牽引到同步轉(zhuǎn)速，之后，將勵磁電流直接通入到電動機(jī)勵磁繞組當(dāng)中，通過整步轉(zhuǎn)矩將電動機(jī)接入到電網(wǎng)當(dāng)中。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子達(dá)到同步運(yùn)行狀態(tài)時，輔助電動機(jī)任務(wù)完成。此時，為降低電能損耗，需要將輔助電動機(jī)停運(yùn)。其啟動過程，主要使用空載、同步調(diào)節(jié)等方式，操作流程復(fù)雜，使用設(shè)備較多。

異步啟動主要是在電動機(jī)上安裝異步繞組方式完成，節(jié)能措施為先通電定子，利用啟動繞組產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，完成電動機(jī)啟動，當(dāng)二者轉(zhuǎn)速趨近同步時，將勵磁電流通入其中，保證電動機(jī)、電磁轉(zhuǎn)矩二者同步運(yùn)行。而異步電動機(jī)主要通過安裝繞組實現(xiàn)啟動，因此，需要設(shè)備少、便于操作。在此期間，需要控制異步啟動勵磁繞組不處于開路狀態(tài)，由于此狀態(tài)下，勵磁繞組的匝數(shù)較多，可能致使定子感應(yīng)電壓不斷升高，降低其絕緣性能，發(fā)生安全事故。與此同時，使用此方法啟動，不可直接將繞組短路，防止其單向電流變大，處于旋轉(zhuǎn)磁場作用下，導(dǎo)致附加轉(zhuǎn)矩不斷增加。對于此現(xiàn)象，可分析異步啟動轉(zhuǎn)矩的特點，使用阻值為勵磁電阻10倍大的啟動電阻，連接轉(zhuǎn)子繞組，以減小繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電流，從而降低單抽轉(zhuǎn)矩、影響電動機(jī)的啟動。

3.2.2? 變頻調(diào)速

同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速、供電頻率二者同步時，可保持穩(wěn)定狀態(tài)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率相關(guān)，和負(fù)載無關(guān)，因此，變頻調(diào)速是轉(zhuǎn)變其轉(zhuǎn)速的唯一方式。變頻調(diào)速的節(jié)能方案為自控系統(tǒng)、他控系統(tǒng)兩種方式。其中，自控調(diào)速節(jié)能方案在變頻調(diào)速過程，可消除轉(zhuǎn)子振蕩、失步等過程的安全問題，在系統(tǒng)當(dāng)中安裝電動機(jī)軸端檢測器，利用其信號發(fā)出電力頻率、導(dǎo)通順序等，保持定子、轉(zhuǎn)子二者轉(zhuǎn)速同步，消除設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時的負(fù)載沖擊。可使用交-交、交-直-交等變頻裝置，在該系統(tǒng)中，使用電力逆變器、轉(zhuǎn)子檢測器等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸換向器，實現(xiàn)變頻調(diào)速過程的節(jié)能[4]。

使用他控系統(tǒng)實現(xiàn)變頻調(diào)速，其節(jié)能方案為，選擇交-直-交類型變頻器作為調(diào)速系統(tǒng)主要裝置，對比于自控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，只含有1臺變頻器。所以，操作簡單，但是變頻效率較低。變頻器可作為啟動裝置，保證同步電動機(jī)平穩(wěn)啟動，可將其應(yīng)用在多個電動機(jī)同時調(diào)速的過程中。此外，此調(diào)速方式可能存在轉(zhuǎn)子失步、振蕩等問題，導(dǎo)致安全性能較差，因此，實際應(yīng)用較少。

4? ? 結(jié)語

隨著電機(jī)的發(fā)展，電氣設(shè)備種類逐漸多樣化，使用電力拖動方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)定，便于控制，電機(jī)運(yùn)行效率高，同時，對于環(huán)境產(chǎn)生的污染較小。由于具備以上優(yōu)勢，該方法被廣泛應(yīng)用。在此過程中，應(yīng)用合理的節(jié)能措施，可解決常見的電力拖動問題，降低能源消耗，對于行業(yè)的持續(xù)發(fā)展意義明顯。對此，相關(guān)部門以及行業(yè)技術(shù)人員應(yīng)了解當(dāng)前節(jié)能電機(jī)的實際發(fā)展現(xiàn)狀，找出電力拖動的常見問題，并采取合理的應(yīng)對措施。

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