電廠電動機節(jié)能降耗技術分析

湛江電力有限公司 劉伯平

引言

電廠運行過程中異步電動機應用較廣泛，該電動機性能好、結構輕便、成本較低，可提供動力能源，發(fā)揮著積極作用。實際生產過程中電動機電力消耗量大，資源浪費較嚴重。根據現有資料，我國中小型異步電動機用電負荷在整個電網負荷中占比超過80%，在主要電網中電動機的電能消耗量在電廠總用電量中不低于50%[1]。當前電動機生產設計時更注重其安全余量，導致所設計的電動機安全余量很多，但實際應用時電動機的空載和輕載現象較嚴重，電動機負荷較小、運行效率低，電力能源浪費現象嚴重。

1 電動機選型和改造

根據《三相異步電動機經濟運行》規(guī)定的電動機選型和經濟要求開展為電動機節(jié)能降耗改造工作。

1.1 電動機選型

選擇節(jié)能電動機。電動機效率由有效輸出功率和輸入功率所決定，其節(jié)能過程即為效率提高過程。電動機效率計算公式：η=P2/P1×100%=(1-ΔP) ×100%，其中：P2為輸出功率，P1為吸收電功率，ΔP為損耗功率。從該公式中可發(fā)現，電動機節(jié)能重點在于減少電動機的能量轉換損耗功率。而電動機損耗功率包括：ΔP=PCu1+PCu2+PFe+Pad+ Pmcc+PwcP，該公式代表電動機損耗受到定子繞組、轉子繞組、鐵芯、雜散以及機械摩擦、通風等損耗決定[2]。

由此可得到電動機損耗內容包括：減少雜散損耗。科學設計電動機的齒槽關系及氣隙部件，并采用合理制造工藝減少磁場畸變現象；減少發(fā)熱損耗。優(yōu)化配置電動機中的電、磁能量，使用節(jié)能繞組材質，使用損耗和磁性能相匹配的鐵芯并擴大銅面積；減少通風損耗。提升熱傳導效率并增強自然對流散熱能力，減少通風量的需求；減少機械摩擦損耗，科學設計軸承和潤滑部分。

選擇高效電動機。主要指高效三相異步電動機，其效率水平符合電動機能效標準要求。根據國家對電動機能效的規(guī)定，電廠在選用高效電動機時需考慮新項目所需新電動機的要求，并考慮舊電動機損耗時重繞，考慮電動機長時間在低負載狀態(tài)下對電動機的更新。

合理選擇額定容量。根據國家標準要求三相異步電動機運行區(qū)域包括：負載率處于70～100%范圍內是經濟運行區(qū)域；負載率處于40%～70%范圍內是一般運行區(qū)域；負載率處于低于40%范圍內是非經濟運行區(qū)域。電動機經濟運行水平由電動機效率和功率因數所確定，其與負載率有著直接關系。若是電動機容量大，盡管可保證電動機運行安全穩(wěn)定，但會增加投資成本，同時也會降低電動機功率因數及運行效率，導致電能浪費。要想同時滿足電動機運行和節(jié)能減排要求需控制好電動機負載率，使其處于60～100%范圍內。

1.2 設計啟動運行方案

一方面，合理設計大中型電動機啟動方案可挖掘其節(jié)能降耗潛力，如選擇全壓直接啟動方式需電力系統(tǒng)容量足夠，但實際運行過程中的電力系統(tǒng)負載率并不高，導致供電效率受到影響，而選擇直接啟動方式會導致電機被燒或對電網設備運行產生影響，因此為減少電機啟動次數導致電動機空轉情況下并未停車，造成電能資源浪費[3]。這種電機可選擇YQT型液體啟動調速器啟動方式，不僅可優(yōu)化電動機啟動性能、也能降低電網容量要求，有效節(jié)約電力能源和一次性投資。

另一方面，大型火電發(fā)電廠在選擇大型高爐風機和短時滿載運行但長期輕載運行過程中的電動機時，需考慮其調速運行方案，因此一般選擇異步電動機，并搭配了經濟性的YQT水電阻調速運行方案，這種調節(jié)風門方式配置具有明顯節(jié)能效果。

1.3 老式電動機節(jié)能改造

本研究針對老式電動機節(jié)能改造提出兩種方案：更換外風道冷卻風扇。電動機采用節(jié)能型外風扇，不同型號電動機選用的是對應型號節(jié)能型風扇產品，一般用于單方向運行2極電動機和4極電動機中，經改造后電動運行效率可提高約1.3～2.5%。另外也可選擇使用軸流式機翼風扇，并在電動機上裝置風罩，增加風扇壓差浮力，加速電動機運行的同時降低電能消耗，減少運行阻力和風扇噪聲，提高降溫能力；改造原槽楔。選擇磁性槽楔改造電動機，其可減少鐵芯損耗及附加損耗，提高電能運行效率，而啟動轉矩可降低電能損耗約10～20%，因此一般應用在空載啟動或輕載啟動狀態(tài)下的電動機中。

2 無功補償

2.1 感性負載

三相異步電動機在運行過程中會消耗有功功率、無功功率，前者是電動機機械轉矩及驅動負載中所需功率，隨著負載增多電流也會提升；后者是在電動機的電源和磁場應用，隨電源頻率變化功率也會產生變化，電源與負載的持續(xù)運行需消耗一些功率。負載影響下無功電流并不會產生較大變化，同時相位層面電流變化與電壓90°的電流變化相比更為滯后，即為純電感性質。電動機運行時，有功和無功電流的矢量和就是電源為電動機所供給的總電流，在此過程中電動機滿負荷下的有功電流高于無功電流，但總電流功率因數較高，電動機負載下降情況時的有功電流隨之降低且無功電流不變，但總電流功率因數較低。

2.2 無功功率就地補償

對于供電路徑較遠的電動機，可在電動機周邊安裝就地補償裝置，其直接連接電動機的補償方式即為無功功率就地補償，也就是個別補償。籠式電動機補償方式為并聯(lián)電容就地補償，繞線式電動機采用的是SPM型智能化靜止相機就地補償方式。該補償方式可減少電力系統(tǒng)線損，挖掘供電潛力，提高電動機回收率。

電容負載時，超前無功電流與電感負載中的滯后無功電流彼此補充，此時電機電源終端并聯(lián)構成了一定容量電容器，其可為電機供給無功電流，減少輸配電電線所產生的總電流，降低電線中的損耗。電機正常運行下的線路可輸送恒定有功功率，此時就地補償電動機無功功率為Q2、視在功率則為S2，因此就地并聯(lián)安裝完無功電容量（QC=Q1-Q2）后的電機所吸收的無功功率會從Q1降至Q2，視在功率從S2降至S1，功率因數有所提升。總之，無功功率得到就地補償后即為降低線路所輸送的視在功率，進而達到電力節(jié)能目的。

3 變頻調速

3.1 軟啟動節(jié)能

變頻器利用電力半導體元件所具有的通斷功能使工頻電源轉換為電能控制裝置，實現軟啟動且變頻調速交流異步電機，并改變功率因數。電機在進行直接啟動或Y/D啟動時所需電流是額定電流的4～7倍，這種電流對機電設備和供電電網產生巨大沖擊，同時需較大電網容量，而由于啟動時的電流、振動較大，因此會嚴重損害擋板和閥門，也會縮短設備和管理壽命。變頻器在電動機中的應用主要通過軟啟動功能實現從零啟動，所需電流最大數值限定為額定電流，這樣才能降低啟動電流對電網的沖擊，符合供電容量標準，有效節(jié)約電動機啟動電能，延長閥門及設備使用壽命。

3.2 調速節(jié)能

從流體力學角度可得到P=QH，此時水泵效率一定的情況下隨著流量下降，水泵轉速也會隨之下降，輸出功率呈立方速度下降，即水泵電機耗電功率與轉速呈立方比。一般變頻器實際運行效率為93%左右，加上相應的冷卻裝置的投入大約耗能為電動機的額定負荷有功功率的5%左右，兩者相加的總損耗根據不同的工況損耗約在12%左右，因此綜合計算一般的水泵在不同的負荷工況下，其綜合節(jié)能約為25%左右，變頻器在水泵風機領域應用具有明顯的節(jié)能效果。

YQT型液體啟動調速器可作為負荷啟動器使用，相對于變頻調速和可控硅串級調速而言更加經濟實用，維護工作也比較簡單，盡管調速時效不高但cos數值較高，同時全速運行時的效率超過變頻運行時的效率，但是價格相對于變頻更低、值得推廣，一般應用在水泵、風機和空壓機設備調速節(jié)能運行中。

無刷雙饋變頻調速電機。高壓變頻器價格高、控制系統(tǒng)復雜，導致其推廣應用受到影響，因此為加大推廣需降低調速系統(tǒng)成本，由此基于HUNT電機提出一種無刷雙饋變頻調速電機，通過樣機試驗所得節(jié)能效果較好。該電機類似于轉子接串調或是雙饋調速裝置繞線式電機，其只需使用小容量變頻器即可調速控制大功率電機，尤其適合應用在大功率風機及水泵類負載調速節(jié)能中。

該電機具有繞線式異步電機特征，其并無電刷和滑環(huán)，原型機也就是二電機級聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將兩轉子軟組聯(lián)接起來。而所聯(lián)接的兩臺電機中，第一臺的定子繞組與電網相連接并在其中輸入功率，利用轉子所輸入的功率傳輸至第二臺電機中的定子繞組中，而第二臺電機中的定子繞組也就是控制繞組，聯(lián)接串聯(lián)裝置或是雙饋裝置，可以達到調速目的（圖1）。

圖1 電機運行原理圖

無刷雙饋變頻調速電機中包括定子、籠型轉子、公共磁路等部件，其中定子中的繞組有兩套，其中一組為功率繞組并與三相電網連接，另一組為控制繞組并與變頻裝置連接。該電機中的繞組極對數在確定下，通過對繞組變頻器輸出頻率的調整實現電動機無級調速，但調速范圍由極對數、二套電源輸出頻率所決定，轉速計算公式為：n=60(fp+fq)/(p+q)(r/min)。從中可得到，通過電源旋轉磁場和變頻器輸出磁場方向不同做到雙向調速，可擴大調速區(qū)域、縮小變頻器容量。同時，電源頻率為50Hz時只需變頻器輸出一定頻率即可確定電動機轉速，并提高調速精確性。

4 結語

在電廠應用無刷雙饋變頻調速電機可降低成本、精確轉速控制，但啟動性差，利用感應啟動器啟動并不適用于任何場所。但相對于其他調速器而言，無刷雙饋變頻調速電機性能較優(yōu)越，其可合理結合變頻器技術和電機結構改造實現一體化控制，不僅能夠降低調速成本、也能夠避免有刷調速，具有交流調速發(fā)展前景。