高效電機發(fā)展技術(shù)動態(tài)
時間：2019-10-10 來源：http://www.gxjndj.com
電機高效節(jié)能技術(shù)是電機行業(yè)倍受矚目和快速發(fā)展的熱點技術(shù)。介紹了電機系統(tǒng)的節(jié)能潛力，從電極本體節(jié)能、變頻調(diào)速節(jié)能和電極系統(tǒng)節(jié)能三個方面介紹了目前的高效節(jié)能電機技術(shù)，并具體分析了幾種節(jié)能電機，最后簡單介紹了各國推廣高效節(jié)能電機的情況。
1 引言
根據(jù)國際能源署電動機工作組2006年7月的報告，通過改善電動機效率結(jié)合變頻調(diào)速可以節(jié)約世界范圍內(nèi)的7％的總電能。粗略統(tǒng)計改善電動機的效率可以節(jié)約其中1/4～1/3的電能；剩余的部分來自系統(tǒng)整體性能的改善。IEC60034-30“單速三相籠型感應電動機的能效分級”標準指出：全世界工業(yè)用電動機消耗了總發(fā)電量的30%～40%，提高電機系統(tǒng)的效率，廣泛使用高效電機節(jié)能電極，是電力節(jié)能的重點和關(guān)鍵。據(jù)估計通過電機系統(tǒng)優(yōu)化其節(jié)能潛力可達到30%～50%以上。
歐盟的“提高高效電動機和驅(qū)動的市場份額”SAVEⅡ研究報告指出：工業(yè)用電動機消耗電能已占工業(yè)用電消耗的73%。歐盟各工業(yè)部門電機驅(qū)動系統(tǒng)消耗電能的比例為：泵類22%，風機16%，空壓機18%，制冷壓縮機7%，輸送機2%，其他電機為36%，即風機、泵類、壓縮機類共占總消耗電能的63%。而據(jù)中國電監(jiān)會2008年4月公布的數(shù)據(jù)，截止到2007年底，中國發(fā)電機總裝機容量已達7.13億千瓦，而電動機的裝機容量已達10億千瓦以上。但據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)市場銷售的高效電機只占電動機銷售總量的1%左右，電動機整體效率比國外先進水平低20%-30%。因此我國電機系統(tǒng)節(jié)能潛力非常大。
2 工業(yè)電機的本體節(jié)能
縱觀世界各國的成功經(jīng)驗，電機系統(tǒng)節(jié)能都是率先從電機產(chǎn)品本體節(jié)能開始。工業(yè)用電機分直流和交流二大類，據(jù)Eu-25(2006)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，歐盟在用的工業(yè)電動機中，交流電動機占96.2%，直流電動機占3.8%。在交流電動機中，三相感應電動機占87%，單相感應電動機占4%，同步電動機占5%，交直流兩用電動機占4%，三相感應電動機又分籠型和繞線型轉(zhuǎn)子兩種，但繞線型轉(zhuǎn)子感應電動機使用較籠型感應電動機少得多?；\型感應電動機具有成本較低，可靠性好，維護簡單，通過調(diào)速驅(qū)動易于控制等優(yōu)點，且三相籠型感應電動機消耗的電能占全部工業(yè)電動機消耗電能的90%以上，因此，世界各國都將提高三相籠型感應電動機的效率作為提高電機本體效率研究的重中之重。除此之外，近十多年來發(fā)展較快的節(jié)能電機還有稀土永磁電機和開關(guān)磁阻電機等。
2.1 高效三相籠型感應電動機
高效(IE2)或超高效(IE3)的籠型感應電動機與普通(IE1)電動機相比有如下特點：
(１)效率高，IE2比IE1平均高3%，IE3比IE1平均高近5%左右。
(２)需使用更多高質(zhì)量的材料。IE2比IE1電機成本高25%~30%，IE3比IE1電機成本高40%～60%左右。
(３)由于運行溫度較低，電機壽命更長，可降低維護成本。
(４)典型設(shè)計情況下起動電流較大些。
(５)轉(zhuǎn)子慣量較大。
(６)額定負載下轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)差率較小。
在許多電動機的工作生命周期中，能量消耗量所占實際成本比電動機采購成本高得多。且低效率電動機比高效率電動機維護費用更高，壽命更短，但高效節(jié)能電機難以通過市場行為得到大量推廣。究其原因主要是：高效電機需要花費更多的前期成本，而最終用戶沒有意識到高效電機壽命周期成本LCC(Life Cycle Cost)的節(jié)省，或沒有從中直接受益，因為預算管理設(shè)備資金的人不一定同時管理著能源的使用。
2.2 稀土永磁電動機
稀土永磁材料的磁性能優(yōu)異，它經(jīng)過充磁后不再需要外加能量就能建立很強的永久磁場，用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電機的電勵磁場。稀土永磁電機不僅效率高，而且結(jié)構(gòu)簡單，還可做到體積減小，重量減輕。既可達到傳統(tǒng)勵磁電機所無法比擬的高性能(如超高效、超高速、超高響應速度)，又可以制成能滿足特定運行要求的特種電機，如電梯曳引電機、汽車專用電機等。稀土永磁電機與電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)相結(jié)合，更使電機傳動系統(tǒng)的性能提高到一個嶄新的水平。
在工業(yè)領(lǐng)域，作為驅(qū)動用的稀土永磁電機主要有異步起動高效永磁同步電動機、變頻供電的永磁同步電動機。
稀土永磁電動機的節(jié)能效果較為顯著。首先，稀土永磁電機本體效率比變頻器供電感應電動機高3%～5%，在電動機轉(zhuǎn)速變化時，稀土永磁電動機的效率變化相對感應電動機小得多。如一臺軸功率為100kW的風機，配置110kW的感應電動機，在n′/nN=1時，電機效率為93%；在n′/nN=0.5時，電機效率降為84%；在n′/nN=0.3時，電機效率只有54%，而稀土永磁電機的運行效率始終保持在90%左右。
2.3 開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)
開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)(SRD)是20世紀80年代初隨著電力電子，微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型交流無級調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻電動機(SRM)，功率變換器，控制器及位置和電流檢測器組成。SRD的運行需要在實時檢測的反饋量一般為轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和電流等，然后根據(jù)控制目標綜合這些信息，給出控制指令，實現(xiàn)運行控制和保護等功能。轉(zhuǎn)子位置檢測環(huán)節(jié)是SRD的重要組成部分，檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號是各相開關(guān)器件進行正確邏輯切換的根據(jù)，也為速度控制環(huán)節(jié)提供速度反饋信號，該系統(tǒng)具有許多顯著的優(yōu)點：
(１)電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、制造工業(yè)簡單、可工作于極高速，工作可靠，能適用于各種惡劣環(huán)境甚至強振動環(huán)境。
(２)損耗主要產(chǎn)生于定子，易于冷卻，可允許有較高溫升，從而能以小的體積取得較大的輸出功率。
(３)轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，可較大限度簡化功率變換器，其可靠性高，系統(tǒng)成本低。
(４)起動轉(zhuǎn)矩大，大于額定轉(zhuǎn)矩2～3倍，起動電流小(≤30%額定電流)，低速性能好。
(５)在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)具有高效率；
(６)調(diào)速范圍廣，調(diào)速比大于20：1，調(diào)速平滑無級。
(７)在制動和電動運行時，同樣具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出能力和工作特性。因此，適用于頻繁起動或頻繁正反轉(zhuǎn)運行場合，轉(zhuǎn)換頻率可達到1000次/h。
(８)負載特性好，穩(wěn)定精度高，在負載大小變化時，轉(zhuǎn)速可保持不變。這些優(yōu)點使得開關(guān)磁阻電機在家用電器、工業(yè)領(lǐng)域、伺服與調(diào)速系統(tǒng)、牽引電機、高轉(zhuǎn)速電機方面得到了一定的應用。
對于開關(guān)磁阻電機，應充分利用它所具有的一些特有的優(yōu)越性能，如可運行于極高轉(zhuǎn)速，可頻繁起動和頻繁正反轉(zhuǎn)，過載能力強，起動轉(zhuǎn)矩大而起動電流很小，可做到低轉(zhuǎn)速大扭矩，調(diào)速范圍很寬，且在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)具有高效率等優(yōu)點，設(shè)計成滿足各種特殊負載特性的專用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系列產(chǎn)品，以替代這些場合的其他電機，并到達高效節(jié)能的目的。
3 變頻調(diào)速節(jié)能
鑒于直流傳動具有優(yōu)良的調(diào)速和啟動性能，所以高性能可調(diào)速傳動都采用直流電動機，而約占電氣傳動總?cè)萘?0%的不變速傳動則采用交流電動機。70年代變頻器的問世徹底打破了交直流傳動按調(diào)速分工的格局，經(jīng)過近半個世紀的研究，變頻技術(shù)從晶閘管(SCR)時期發(fā)展到今天的大功率晶體管(IGBT，IGCT)和耐高壓大功率晶體管(HV-IGBT)時期；控制技術(shù)也發(fā)展到今天的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，且已全數(shù)字化，其機械特性硬度能滿足具有一定硬性負載的調(diào)速要求現(xiàn)今交流變頻調(diào)速傳動裝置已有很好的運行特性，并可作為現(xiàn)場級與自動化級連接在一起，應用更靈活，通信更自由，對供電系統(tǒng)也可實現(xiàn)無干擾，應用范圍幾乎涉及到整個工業(yè)領(lǐng)域。
變頻調(diào)速技術(shù)用于節(jié)能，目前用得最多的是對風機、泵類負載設(shè)備的調(diào)速節(jié)能。這一方面是因為風機、泵類系統(tǒng)消耗了工業(yè)電動機用電的 40%左右；另一方面是由于風機、泵類負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，在選型裕量過大和需減少風量(流量)時，變頻調(diào)速的節(jié)能效果尤其顯著；另外，在使用風機泵類設(shè)備的大部分場合，對變頻調(diào)速的控制精度，動態(tài)性能要求不高，變頻器的成本相對較低，控制較簡單，便于推廣。
4 電機系統(tǒng)節(jié)能
電機系統(tǒng)節(jié)能通常是指從電機起動開關(guān)開始直至拖動的裝置產(chǎn)出產(chǎn)品(流體)能量的最終消耗。它包括電機起動開關(guān)、供電饋線，電機速度控制裝置，電動機、聯(lián)軸器(或其他聯(lián)結(jié)方式如齒輪聯(lián)結(jié)、皮帶聯(lián)結(jié)、蝸輪蝸桿聯(lián)結(jié)等)、拖動裝置(泵、風機或壓縮機等)、拖動裝置產(chǎn)出的產(chǎn)品(一般為液體和氣態(tài)流體)、輸送管線、終端負載
