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第十一章电机系统节能技术§11.1电机系统一、概述电机作为风机、水泵、空压机、机床、制冷等各种设备的动力，是一种将电能转换为机械能的转换装置。据业内有关专家估算，我国电机的总装机容量己达5亿多kW,年耗电量达1万亿kwh以上，约占全国用电量的10%，占全国工业用电量70%左右。在我国大、中、小各类在用的电机中，0.55~200kW的中小型异步电动机约占80%。电机系统包括电动机、被拖动装置、传动系统、控制系统以及管网负荷等，电机系统一首先是通过电动机将电能转化为机械能，再通过被拖动装置做功，实现所需的各种功能。电机系统节能潜力大，主要表现为:（1）电机及拖动设备效率低（2）系统运行效率低。系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重。目前电机系统节能改造的技术途径主要有一下几个方面：一是加速更新淘汰落后设备；二是该是电机拖动系统调节方式，推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术，合理匹配电机系统，消除“大马拉小车”现象；三是优化电机系统的运行和控制，推广软启动装置和无功补偿装置，通过过程控制，合理配置能量，实现系统经济运行。二、普通电机的工作特性电机的分类方法很多，从行业应用的角度出发，可简单地将电机分成两类，及普通电机和专用特种电机。正确了解电机的特性曲线，保证运行在最佳的工作状态，是减少损耗的重要措施。（一）感应电动机的工作特性三相感应异步电动机的工作特性是指电动机在额定电压和频率下的转速、电流、电磁转矩、功率因数、效率等与电机的轴输出机械功率之间的关系，一般用曲线描述。工作特性如左图所示。1.转速特性n=f(P)2.电流特性曲线I=f(P),空载电流约占额定电流的1/5~1/3。3.转矩特性曲线T=f(P)4.功率因数特性曲线cosφ=f(P)电动机在空载时，定子电流主要用于产生旋转磁场，为感性无功分量，电机的功率因数很低，在0.2左右。随着输出功率的增加，功率因数在增加，额定负载时最高。超过额定负载再继续增加时，功率因数会减小。5.效率特性η=f(P)异步电动机的效率表达式：总总PPPP-1选择电动机时应使电动机的容量与机械负载相匹配。如果电动机容量选的过小，电动机运行要过载，以至温升过高而影响使用寿命；但选的过大，不仅电动机的价格高，而且电动机长期处于低负荷下运行，此时效率和功率因数都很低，浪费能源，经济性差。（二）直流电动机的工作特性直流电动机轴上的机械负载发生变化时，电动机的工作状态也会发生短暂的过渡过程，是电机从一种稳定的状态进入另一个稳定的状态，直流电动机的转速、电磁转矩、电枢电流、效率都将会随输出功率的变化而变化。并励直流电动机的工作特性曲线见右图。1.转速特性n=f(P),轴输出功率增大，引起电枢电流增大，使电机转速略有降低，转速特性为一条向下斜的曲线。2.转矩特性T=f(P),当输出功率变化时，转速n变化不大，故输出转矩和P近似成正比。nPT95503.电流特性I=f(P),电磁转矩，若忽略电枢反应的影响，磁通φ为常数，电枢电流与电磁转矩成正比，所以电流特性曲线与转矩特性曲线平行。4.效率特性η=f(P)aTICT（三）同步电动机的工作特性同步电机是交流旋转电机的一种，由于其转速哼等于同步转速，所以称为同步电机。同步电机应用非常广泛，它可以做电动机，也可以做发电机。同步电动机可以用来拖动功率较大，转速不要求调节的生产机械，或者要求恒定转速运行的负载。由于同步电机具有功率因数可以调节的特点，所以同步调相机可以对电网的无功功率进行调节，以改善电网的功率因数，提高电网的运行经济性及电压的稳定性。同步电动机的工作特性是指在电源电压和励磁恒定的条件下，其电磁转矩、定子电流、效率、功率因数和输出功率之间的关系。如下图所示。如左图所示。同步电动机正常运行时，从电网吸取的有功功率的大小基本上决定于转轴负载转矩的大小在励磁电流不变时，有功功率的变化会引起功率角的变化，同时也会引起无功功率的变化。输出功率变化引起功率因数变化的情况如左图所示。从图中可见电网电压和轴上输出功率不变时，改变其励磁电流可改变同步电动机的无功功率或功率因数，这也是同步电动机的重要特点为了改善电网的功率因数，提高电机的过载能力和运行的稳定性，同步电动机的额定功率因数一般取1~0.8（超前）。三、发展方向（一）推广高效节能电机（二）研制新型稀土永磁电机（三）电机控制技术发展趋势，总的趋势是向智能化、网络化、微型化、通用化等方向发展。（四）电机系统节能技术的发展趋势：电机要高效化和智能化，开发研制高效电机，将变频器可控制系统集成到电机系统中，节电可达20%~30%；电机系统要变频化和信息化，在智能电机的基础上，发展采用现场总线技术的产品，从而简化结构，提高系统的可靠性;对现有系统和设备进行改造，以先进的电力电子技术传动方式改造传统的机械传动方式，采用交流调速取代直流调速，采用配有减速装置的电气传动系统，采用基于现场总线的多功能可通讯智能电机等;优化电机系统的运行和控制，推广软起动装置、无功补偿装置、计算机自动控制系统等，这都将使电机系统取得可观的节能效果。§11.2常用机械负载的特性一、水泵类负载特性水泵的流量和扬程之间的关系，称为水泵的流量扬程特性曲线，称为Q-H特性曲线。水泵的流量和轴功率之间的关系，称为水泵的流量轴功率特性曲线，称为Q-N特性曲线。水泵的运行效率η与Q/H/N之间的关系见下式：NHQK离心泵最高效率点的工况称为最佳工况点，最佳工况点一般为设计工况点。一般离心泵的额定参数即设计工况点和最佳工况点相重合或很接近。二、风机类负载特性风机的流量与全压之间的关系称为风机的流量全压特性曲线，标称Q-P特性曲线。风机的流量和轴功率之间的关系称为风机的流量轴功率特性曲线，标称Q-N特性曲线。风机的运行效率η与Q/P/N之间的关系见下式：NPQK三、恒功率负载特性恒功率负载的特性是转矩和转速大体成反比，其乘积（即功率）近似保持不变。金属切削机床主轴、轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机和开卷机等，都属于恒功率负载。当然一般来说这些机械负载仅在一定的速度变化范围内呈现恒功率性四、恒转矩负载特性恒转矩负载的特性是指在任何转速下负载转矩总保持恒定或基本恒定，而与转速无关。这类负载多呈现反抗性的，即负载转矩的极性随转速方向的改变而改变，例如，传送带、搅拌机、挤压机、摩擦机、吊车、起重机。§11.3风机和泵类负载的节能交流电动机拖动的风机和泵类负载应用量非常大，据有关资料统计其用电量约占全国总用电量的30%。从目前情况看，尚有部分风机与泵仍使用老式产品，而且与电机匹配不当，设备效率低下。如果改用节能型风机和泵，并能正确选配电动机功率，同时采用合适的控制方式，则可节电30%以上。一、风机与泵的选择（一）风机的选择选用风机时，力求使风机的额定流量和额定压力尽量接近生产工艺要求的流量和压力，按正常生产工艺需求流量的1.1~1.5倍，以及风压余量不超过10%的要求考虑选用风机。从而使风机运行时的工况点接近风机特性曲线的高效区。（二）泵的选择在满足设计负荷连续运行所需最大压力的情况下，其额定流量为正常工艺需求流量的1.1~1.5倍，扬程余量不超过8%。另外还要考虑泵的正常运行工况点，应尽可能靠近设计工况点，使泵在高效区运行。二、电动机的选择电机的选择的原则是在满足风机、泵的拖动要求情况下，尽可能使电动机处于高效区运行，以提高装置的整体运行效率。这里分为两种情况讨论：（一）负荷基本不变的情况（二）负荷改变的情况§11.4电动机的经济运行及软启动技术一、电动机的经济运行提高电动机运行效率的最基本的方法是合理选择和使用电动机，确定最经济的运行方式和降低电动机的能量损耗。选用电动机时，应首先选择电动机的类型、功率及各种技术参数，使它具备与被拖动的生产机械相适应的负载特性，以达到稳定的运行状态。二、电动机的软启动技术三相交流异步电机的缺点之一是启动性能差。如果在额定电压下直接启动（硬启动），会带来许多问题：一是启动电流很大，直接对电网产生冲击；二是直接启动会造成电机损耗增加，使电机绕组发热，加速绝缘老化，影响电机使用寿命。随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，目前国内外相继开发了以晶闸管为开关器件，以单片机为控制核心的电子软启动器，用于异步电动机的启动控制。电子软启动设备叫传统自耦降压、Y/Δ降压启动设备具有明显的优点：（1）无冲击电流。（2）恒流启动。（3）可根据负载特性调节启动过程的各种参数，保证电机处于最佳的起动工作状态。（4）降低了电动机在空载或轻载时的输入电压，减小了电动机的有功及无功损耗，提高了功率因数减少了输电线上的损耗，节省了电能。（5）具有齐全的保护功能。软启动器一般有下面几种起动方式：（1）斜坡升压软起动。方式简单，缺点是有时会产生较大的冲击电流，实际中很少应用。（2）斜坡恒流软起动。是应用最多的起动方式，尤其适合风机、泵。（3）阶跃起动。（4）脉冲冲击起动。§11.5变频调速节能技术实际的生产过程离不开电力传动。而电力传动都是通过电动机的拖动按照预定的生产方式实现的。随着工业化进程的发展，对可调速拖动提出了更高的要求。采用直流电动机可方便的进行调速，但直流电机体积大、价格高，并且节能效果不明显。而交流异步电动机体积小、价格低、运行可靠，对交流异步电动机进行调速控制，不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能，而且还具有显著的节能效果。近年来，低压交流变频调速技术获得了迅速发展和广泛的应用。随着高电压变频技术的日臻成熟，3000V、3300V、6000V、6600W、10000V等电压等级的高压大功率变频器，也被广泛地应用于高压机械设备的控制和节能领域，并取得了更为显著的节能效果。一、变频调速原理及控制方式（一）变频调速工作原理根据电机学理论，交流电机的同步转速Pfn600P指的是电动机定子绕组的磁极对数，f指的是电源频率。异步电动机的实际转速总是低于同步转速的且随着同步转速的变化而变化。当电源频率增加时，同步转速增加，实际电动机的转速也增加；电源频率下降，转速也下降。在P固定的情况下，电动机的转速正比于电源的频率f。这种通过改变电源频率实现速度调节的过程称为变频调速。向电动机提供频率可变的电源并控制电机的转速是由变频器完成的。（二）调速控制方式1.频率在工频频率以下范围内调节的控制方式称为恒磁通调压调频调速，也成恒转矩调速。2.频率高于工频频率范围内调节，保持电机的输出功率为一恒定值，这种升频定压调速方式称为恒功率调速。3.转差频率控制二、变频调速节能分析三、变频调速应用实例§11.6空气压缩机节能技术空压机的种类很多，按其工作原理分类，可分为速度式和容积式两大类。速度式空床机包括轴流式、离心式和混流式三种类型;容积式空压机包括有回转式和往复式两种类型。其中回转式又分为滑片式和螺杆式空气压缩机;往复式又分为转子式、膜式和活塞式空气压缩机，其中活塞式空气压缩机应用最为广泛。空压机作为基础工业装备，在冶金、机械、矿山、电力、建材、食品加工、轻纺等行业有着广泛的应用。据不完全统计，空压机占大型工业设备耗电量的巧%左右。为此，如何采取有效的措施，降低空压机运行所消耗的能源，将具有重大的经济意义。一、选用节能型电机二、提高传动效率三、降低摩擦损耗四、减少压力损失和泄露五、提高冷却器的交换热性能六、合理设定工作压力七、变频调速节能控制，主要优点是：电动机可以实现软启动，降低了启动电流，减小了对电网的冲击，减轻了对机械冲击，提高了机械设备的使用寿命，输气压力稳定，对比检测一般可节能30%，节能效果显著。§11.7制冷压缩机节能技术压缩机是整个制冷系统的动力来源，是制冷设备的心脏。它在消耗一定的外界功，吸入蒸发器中的低压气态制冷剂，并把它压缩到冷凝压力再送入冷凝器中去，从而保证制冷剂燕汽能在常温下冷凝液化。压缩机主要类型有活塞式(往复式)、离心式（涡流式)和回转式(螺杆式和刮板式)。离心式和回转式的单机制冷量较大，仅用于大型冷冻或空调系统中。目前我国小型制冷设备如电冰箱、冷藏柜和空调器中，大都采用活塞式振缩机。空调系统是能