电机系统节能措施及智能控制系统应用解析

1. 0.  引言

2.          电机系统由电机、负载装置、传动控制系统以及电源等独立部件组成。电力拖动系统构成示意图如图1所示，是弱电控制强电、软件控制硬件、部件融于系统，涉及多学科、多专业、多领域的信息能量互动系统。电机系统节能工程需要综合考虑电动机本体、拖动设备、控制电动机的装置、管网系统、实现负载功能等多种因素，是一个复杂的系统节能工程。

1. 1.  电机本体高效节能的具体技术措施

   电机系统节能措施，主要有电机的高效节能设计、电机与控制智能一体化、“双高”电机应用、多功率高效电机和专用电机选择、拖动系统节能等方面。其中：采用优化设计技术、新材料技术、集成控制技术等现代电机设计技术，对降低电机损耗，提高电机效率起到关键作用。电机高效节能设计采用特殊的绕组形式，低损耗轴承，冷却风路与风扇设计；选择低损耗的冷轧硅钢片、稀土永磁材料、磁性槽楔，减薄绝缘电磁线等材料；设计转子铜压铸工艺，定子线圈自动成形与无溶剂浸漆工艺，冲片气隙与转子外圆不切削工艺，转子酸洗工艺和铁芯退火工艺等。电机与控制智能一体机，集电机、变频器于一体，具有体积小、重量轻、变频方便、性能稳定，可进行智能控制等优点；电机可根据负荷需求进行自我调速，节能降耗，广泛应用于风机、水泵、数控机床等设备的调节和控制，节能效果显著。“双高”（高效率、高功率因数）电机技术。一是减小异步电机的无功激磁电流，提高功率因数（cos∮＞0.92）。二是滤除激磁电流的高次谐波，使电流趋于正弦波形，保证旋转磁场更趋圆形，显著减小电机谐波转矩，降低噪声；随着激磁电流波形改善，解决困扰电机的“轴电流”问题，提高电机轴承的可靠性。多功率电机，利用自动检测技术，实现电机高、中、低多档功率输出，自动变换，适用于油田抽油机、泵类传动、造纸行业等变动负载运行场合。专用电机，根据驱动负载特性，设计性能先进、运行可靠的专用电机，以适应千变万化的驱动负载，使节能效果更加显著，如油田抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20%。

1. 2.  电机系统节能措施的选用和节能效果

表1电机采用不同节能措施后达到的节能效果表

电机系统应用于各行各业，涉及各种复杂的工况、不同的负载特性以及不同的工艺过程。因此，电机系统节能需要在满足负载要求的前提下，从设计、制造、选用合适的系统部件出发，合理组合匹配，使系统综合节能效果和系统性价比达到最佳或较佳的综合工程技术。电机系统节能主要包括电机系统各部件自身的能效提高、电动机传动系统的节能，例如风机、泵类变频调速系统节能，是采用电动机传动系统，改善工艺、设备条件，提高效率的节能。有些电机与设备的负载，可通过一体化设计或直接驱动的方式，从综合节能分析和评价的角度，达到较为理想的节能效果。通过改变交流异步电动机的供电电源频率，对电动机进行变频调速的系统，适用于负荷变化较大、需频繁调节转速的场所，对于转矩随转速二次方变化的风机、水泵负载，有较好的节能效果，通过检测电动机的电压与电流相位差，实时调节电压，使电机输出功率与实时负载精确匹配，以有效降低电机损耗；功率因数补偿技术，适用于负荷率较低、功率因数较低、负载变化较大且速度恒定的场所，负荷功率因数低、负载功率变化大，变化速度快、有谐波源，且谐波污染大的电机集群，如机床、输送带的应用场合。对于高效水泵、风机、压缩机机组及其他高效机械装备，不仅要求电机及其所拖动的设备各自本体高效，还要求组合在一起的机组高效，要求各负载区和高效率区合理匹配。直驱式机组取消了电机与水泵、压缩机之间的联轴器或皮带轮，取消泵叶轮转子轴承和压缩机电机转子轴承，降低机械损耗。在高效叶轮和高效螺杆线型的基础上，匹配电机的功率、转矩、转速，从性能和结构上做到真正的一体化设计。直驱式机组结构紧凑、体积小、重量轻，成本低、运行效率高。表1列出了电机采用不同节能措施后达到的节能效果。

  电机系统节能主要措施适用的工况和节能效果：1）高效率电动机的应用，适用于负载率在50%以上、年运行时间长（一般超过3000小时）的恒定负载，以选用2级能效以上电机产品为主。2）无功补偿技术，适用于电机功率因数低、负载功率变化大，变化速度快、有谐波源，且谐波污染高的电机系统集群，如钢厂、化工厂、机械加工厂等，综合节电率在4%左右。3）调压节能技术，电机轻载情况下，通过降低输入电机端电压，使电机输出功率与负载精确匹配，有效降低电机损耗，实现效率提高。适用于负荷率低、功率因数低、负载变化较大的中小型异步电动机系统。如机床、输送带等，综合节电率一般为2～5%。4）变频调速技术。用于高、低压电机系统改造，通过改变交流异步电动机供电电源频率，实现电机调速。适用于负荷变化较大、调节转速频繁的工况，对于转矩转速二次方变化的风机、水泵负载，节能效果显著，综合节电率可达到10～50%。5）变极调速技术。通过改变定子绕组接线方式，改变电机极数，实现改变电机转速的目的，如YD、YDT系列等变极调速电机。适用于需定量调节流量且调节不频繁的工况，如某些风机、水泵类负载，由于环境条件（如季节、温度等）变化，要求相应调节流量，且调速精度要求不高，综合节电率可达到10～30%。

1. 3.  电机智能控制系统节能的主要措施

   电机智能控制系统是采用智能型元器件，在传统电气设备和元器件基础上，充分应用微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术，以及网络通讯等新技术对电机进行控制的设备，具有较高的性能和可靠性。智能型电机控制系统经数字通信与计算机系统网络连接，组成电机智能控制系统，具有遥测、遥控、遥信及遥调功能，可实现电机运行管理的自动化、智能化。电机智能控制系统可实现运行数据的实时采集、数字通信、远程操作与程序控制、保护定值管理、事件记录与报警、故障分析、各类报表及设备维护信息管理等功能。智能化监控系统能实现面向对象的操作模式，具有强抗干扰能力，主要控制功能由设备层智能型元器件完成，形成网络集成式全分布控制系统，以满足系统运行的实时、快速及可靠性要求。系统中的低压智能型元件可分为：电量参数测量、电能质量监测、开关保护与控制及电动机控制等。由于现场总线技术的应用，系统中智能型元件可不依赖计算机网络而独立运行，极大提高系统运行的实时性和可靠性，满足低压电气设备运行管理需要和工厂生产过程节能控制的要求。

1. 4. 结论

  全面推进电机系统节能，需要以提高能源利用效率为核心，以企业为实施主体，大力调整和优化产业结构，加快推进节能技术进步，调动市场主体节约能源的自觉性，努力提高电机运行系统整体效率，减少能源浪费，积极推动设备节能和智能控制系统的发展，有效带动社会整体节能进步。