終端能效項(xiàng)目--電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)解決方案


節(jié)能分析
電機(jī)是重要的工業(yè)、建筑耗能設(shè)備，廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)、水泵、風(fēng)機(jī)、液壓泵、壓縮機(jī)、制冷機(jī)等，電機(jī)的耗電量約占總發(fā)電量的50%左右。由于電機(jī)產(chǎn)品種類繁多，電機(jī)功率大小不一，負(fù)載特性千差萬(wàn)別，控制方式各不相同，增大了電機(jī)節(jié)能的難度。所以電機(jī)系統(tǒng)必須針對(duì)負(fù)載特性、運(yùn)行特點(diǎn)采用不同的節(jié)能策略才能收到較好的節(jié)能效果。

電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能策略

★電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能策略的選用要素
●負(fù)載特性：電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載特性可分為恒功率負(fù)載、恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和變轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
●負(fù)載類型：連續(xù)性負(fù)載、間歇性（不均衡性）負(fù)載、短時(shí)負(fù)載。
●負(fù)載功率：最大負(fù)載功率（重載）、最小負(fù)載功率（輕載）、瞬時(shí)負(fù)載功率（超載）。
●負(fù)載率：最大負(fù)載率、最小負(fù)載率、平均負(fù)載率。
●控制方式；自動(dòng)控制、手動(dòng)控制。
★電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能策略的選用原則
●負(fù)載功率較小的連續(xù)性負(fù)載，平均負(fù)載率起過(guò)80%的電機(jī)系統(tǒng)宜采用優(yōu)化控制節(jié)能。
●負(fù)載功率較小的恒功率負(fù)載，平均負(fù)載率超過(guò)65%的電機(jī)系統(tǒng)宜采用更換高效電機(jī)。如永磁同步電機(jī)、高效感應(yīng)電機(jī)等。
●負(fù)載功率較小的恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且負(fù)載類型為間歇性負(fù)載的電機(jī)系統(tǒng)宜采用伺服控制節(jié)能。
●負(fù)載功率較大的恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且負(fù)載類型為間歇性負(fù)載的電機(jī)系統(tǒng)宜采用變頻調(diào)速節(jié)能。
●供電距離較遠(yuǎn)的連續(xù)性恒功率，且屬于四象限運(yùn)行的連續(xù)性負(fù)載的電機(jī)系統(tǒng)宜采用就地功率補(bǔ)償節(jié)能。
●控制精度較高、響應(yīng)速度較快的小功率間歇性負(fù)載的電機(jī)系統(tǒng)宜采用伺服控制節(jié)能。
●控制精度較高、響應(yīng)速度較快，且?guī)лd啟停的間歇性負(fù)載的電機(jī)系統(tǒng)宜采用具有低頻大力矩性能的變頻調(diào)速節(jié)能。
●四象限運(yùn)行的間歇性負(fù)載，且?guī)лd啟停的垂直性升降負(fù)載的電機(jī)系統(tǒng)宜采用具有電能回饋、低頻大力矩性能的變頻調(diào)速節(jié)能。

變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)


（1）節(jié)能分析
變頻調(diào)速技術(shù)適用于恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的節(jié)能，這是有負(fù)載特性所決定，恒功率負(fù)載使用變頻調(diào)速是不可能節(jié)能的，所以恒功率負(fù)載使用變頻器的目的是工藝性調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的節(jié)電量決定于負(fù)載率，與負(fù)載率成正比，當(dāng)負(fù)載率高于90%時(shí)，不適宜再做節(jié)能。變轉(zhuǎn)矩負(fù)載一般為流體性負(fù)載（如水泵、風(fēng)機(jī)、液壓油泵等），其特性是流量Q、轉(zhuǎn)矩M和軸功率P與轉(zhuǎn)速N成一次方、二次方和三次方關(guān)系，即Q∝N，M∝N，P∝N。只要改變轉(zhuǎn)速N，則Q、M和P將隨之下降，特別是軸功率P將按轉(zhuǎn)速N三次方下降，如果轉(zhuǎn)速下降20%，則軸功率下降近50%，所以變轉(zhuǎn)矩負(fù)載當(dāng)負(fù)載率大于90%時(shí)還有10~15%的節(jié)電率，最適宜于做節(jié)能。
（2）技術(shù)原理
采用自動(dòng)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，動(dòng)態(tài)地跟蹤負(fù)載的需求量變化，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制器的采樣，分析，判斷和運(yùn)算，在確保實(shí)際負(fù)載需要的前提下，適時(shí)調(diào)整電機(jī)的輸出軸功率，從而達(dá)到節(jié)能的目的?；旧舷俗冝D(zhuǎn)矩負(fù)載設(shè)備由于選型和負(fù)載變化普遍存在的“大馬拉小車(chē)”的浪費(fèi)現(xiàn)象，使變轉(zhuǎn)矩負(fù)載電機(jī)始終運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。

（3）控制模式
●恒壓控制模式：利用壓力傳感器采集系統(tǒng)壓力的變化值，并根據(jù)系統(tǒng)的壓力變化值實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載電機(jī)的運(yùn)行速度的變頻節(jié)能運(yùn)行模式。主要應(yīng)用于恒壓供水、空壓機(jī)節(jié)能、液壓控制、氣動(dòng)控制、恒風(fēng)量控制等系統(tǒng)。
●恒溫控制模式：利用溫度傳感器采集系統(tǒng)溫度的變化值，并根據(jù)系統(tǒng)的溫度變化值實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載電機(jī)的運(yùn)行速度的變頻節(jié)能運(yùn)行模式。主要應(yīng)用于工藝?yán)鋮s水、中央空調(diào)節(jié)能、工藝設(shè)備控制等系統(tǒng)。
●變流量控制模式：利用流量、二氧化碳等傳感器采集系統(tǒng)的流量變化值，并根據(jù)系統(tǒng)的流量變化值實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載的運(yùn)行速度的變頻節(jié)能運(yùn)行模式。主要應(yīng)用于液壓、氣動(dòng)、工藝?yán)鋮s水、車(chē)間通風(fēng)等系統(tǒng)。
●恒功率控制模式：利用功率、電流等傳感器采集系統(tǒng)負(fù)載功率的變化值，并根據(jù)系統(tǒng)功率的變化值實(shí)時(shí)調(diào)整逆變系統(tǒng)的輸出功率負(fù)載的節(jié)能運(yùn)行模式。主要應(yīng)用于粉碎機(jī)、水泥攪拌機(jī)、球磨機(jī)等負(fù)載。
●恒重力控制模式：利用重力傳感器采集系統(tǒng)的流量變化值，并根據(jù)系統(tǒng)的流量變化實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載的運(yùn)行速度的變頻節(jié)能運(yùn)行模式。主要應(yīng)用于傳送機(jī)等負(fù)載。

（4）性能特點(diǎn)
★采用先進(jìn)的微電腦控制技術(shù)，提高了響應(yīng)速度和控制精度。
★可與工藝控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
★采用工頻，變頻兩種運(yùn)行方式，故障時(shí)絕不會(huì)影響生產(chǎn)。
★提高了負(fù)載電機(jī)的功率因數(shù)cos∮=1。
★電機(jī)的節(jié)電率可達(dá)10%到60%（負(fù)載需求和電動(dòng)機(jī)功率大小等有關(guān)）。
★驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，減少了啟動(dòng)沖擊電流。延長(zhǎng)使用壽命，減少機(jī)械損耗。
★通過(guò)對(duì)壓力、風(fēng)量、流量、溫度等技術(shù)參數(shù)的進(jìn)行檢測(cè)，形成了閉環(huán)回路自動(dòng)控制系統(tǒng)。
★具有安全旁路系統(tǒng)，具備各種保護(hù)功能。

伺服控制節(jié)能技術(shù)


（1）節(jié)能分析
伺服控制在節(jié)能中的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，應(yīng)用較多的設(shè)備是注塑機(jī)節(jié)能。隨著伺服控制技術(shù)和伺服電機(jī)制造技術(shù)的提升，伺服節(jié)能必將得到大力的推廣和發(fā)展。伺服控制技術(shù)更能適應(yīng)精確的工藝控制，可根據(jù)工藝控制的需要實(shí)時(shí)調(diào)整輸出力矩，在改變轉(zhuǎn)速的同時(shí)，保持低頻力矩滿足工藝需求。另外，伺服電機(jī)內(nèi)的轉(zhuǎn)子是為稀土材料制成的永磁體，只要輸入電源使定子線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)就可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，減少了轉(zhuǎn)子能耗，實(shí)現(xiàn)了同步電機(jī)的運(yùn)行功能。所以伺服控制節(jié)能不但響應(yīng)速度快、控制精度好、低頻力矩大，而且電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率高，損耗小，節(jié)電率更高，系統(tǒng)節(jié)電率可達(dá)到10～60%以上。目前，小功率伺服電機(jī)的制造技術(shù)基本成熟，應(yīng)用較多，但是大功率伺服電機(jī)的制造技術(shù)不夠成熟，所以較大的動(dòng)力系統(tǒng)使用伺服控制節(jié)能都是使用小功率電機(jī)的并聯(lián)來(lái)增大功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
（2）伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

伺服控制系統(tǒng)由操作界面、傳感器、伺服控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服電機(jī)和負(fù)載組成。
（3）技術(shù)原理
采用DSP自動(dòng)控制技術(shù)和逆變技術(shù)，動(dòng)態(tài)地跟蹤負(fù)載變化與設(shè)定目標(biāo)值輸入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行采樣，分析，比較、判斷和運(yùn)算，精確計(jì)算負(fù)載的需求功率，并實(shí)時(shí)調(diào)整逆變模塊的輸出功率，使用電機(jī)的拖載能力與工藝要求相一致。實(shí)現(xiàn)了精確控制和高效節(jié)能的同步提升。

（4）性能特點(diǎn)
超節(jié)能：相比使用感應(yīng)交流電機(jī)，節(jié)能效果在20-80%。
高穩(wěn)定性：由于采用傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯提高，一般情況下，產(chǎn)品精度可以控制在0.3%，客戶使用伺服系統(tǒng)后，產(chǎn)品合格率高了，原來(lái)每班需要調(diào)整機(jī)器參數(shù)的現(xiàn)象沒(méi)有了，技術(shù)人員可以騰出時(shí)間多研究一些創(chuàng)新、效率等方面的事情。
高精密度：由于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量極小，系統(tǒng)響應(yīng)速度極快，最高達(dá)到50ms，對(duì)需要精密調(diào)節(jié)的工藝要求更加容易滿足需要。
低噪音：伺服控制系統(tǒng)相對(duì)感應(yīng)交流電機(jī)系統(tǒng)，噪音明顯降低，改變工作環(huán)境更加環(huán)保。
低投入高回報(bào)：一般情況下，設(shè)備投資在6-12個(gè)月可以收回（根據(jù)產(chǎn)品工藝及地區(qū)電價(jià)有一定差異）?？梢哉f(shuō)將傳統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)升級(jí)為伺服動(dòng)力系統(tǒng)，不僅節(jié)能達(dá)到降低成本的目的，同時(shí)高穩(wěn)定性及高生產(chǎn)效率帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品升級(jí)及向生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。
（4）伺服控制節(jié)能應(yīng)用于注塑機(jī)節(jié)能效果對(duì)比
★節(jié)電量對(duì)比

●伺服節(jié)能比定量泵系統(tǒng)節(jié)能40~80%。
●伺服節(jié)能比變頻器系統(tǒng)節(jié)能10~20%。
●伺服節(jié)能比變量泵系統(tǒng)節(jié)能20~40%。
★注塑機(jī)伺服節(jié)能分析曲線圖

★注塑機(jī)伺服控制節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)
1、響應(yīng)速度快，能在30ms內(nèi)從0Hz加速到50HZ。
2、電機(jī)工作效率高，能耗比異步電機(jī)降低6~10%。
3、節(jié)電率高；節(jié)電率可達(dá)到30~80%以上，比變頻節(jié)能可提高10~20%左右的節(jié)電率，控制節(jié)能基本相近，電機(jī)效率大大提高。
4、驅(qū)動(dòng)電源對(duì)電機(jī)的影響較小，基本無(wú)溫升，抗干擾能力強(qiáng)。
5、提高了油泵在低頻運(yùn)行時(shí)的工作效率，系統(tǒng)采用了高壓齒輪泵，當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行時(shí)，不受離心力的影響，所以改善了低頻時(shí)的運(yùn)行性能。

功率補(bǔ)償節(jié)能
（1）節(jié)能分析
在電機(jī)系統(tǒng)有許多四象限電機(jī)負(fù)載和交變性感應(yīng)交流電機(jī)負(fù)載，電機(jī)所需的無(wú)功始終在吸收與輸出回饋的交變狀態(tài)中轉(zhuǎn)換運(yùn)行，由于瞬時(shí)轉(zhuǎn)換速度較快，對(duì)于供電線路較遠(yuǎn)的電機(jī)，無(wú)功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度跟不上電機(jī)變化的需求，導(dǎo)致負(fù)載電機(jī)功率因素大幅度下降（一般在0.7左右），使電機(jī)能耗和線路損耗上升，同時(shí)由于供電線路中還有整流器、變頻器、中頻器等大量非線性負(fù)載設(shè)備所產(chǎn)生大量諧波，使系統(tǒng)的電壓、電流的波形畸變導(dǎo)致電機(jī)能耗上升，電機(jī)運(yùn)行溫度升高。為此通過(guò)就地功率補(bǔ)償技術(shù)和諧波治理技術(shù)可以提高負(fù)載電機(jī)的功率因素和電源質(zhì)量，減少線路損耗，提高電機(jī)的運(yùn)行效率，可節(jié)約電能耗3~10%左右。
（2）功率補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)
根據(jù)電機(jī)無(wú)功功率的變化值和設(shè)定的功率因素目標(biāo)值來(lái)控制電力電容器的投入和切除,并且有過(guò),欠電壓保護(hù)功能。功率補(bǔ)償裝置由功率補(bǔ)償控制器、無(wú)觸點(diǎn)可控硅模塊或智能復(fù)合開(kāi)關(guān)、電容器、熔斷器、電流互感器、避雷器、開(kāi)關(guān)、電抗器(對(duì)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)起到過(guò)電流保護(hù)作用;對(duì)防止電容器過(guò)電流也起到抑制作用)以及裝配監(jiān)視用的電壓表,電流表,功率因數(shù)表和信號(hào)指示燈等組成。



（3）技術(shù)原理
在電網(wǎng)中，功率分為有功功率、無(wú)功功率和視在功率。交流電網(wǎng)中，由于有阻抗和電抗（感抗和容抗）的同時(shí)存在，所以電源輸送到電機(jī)的電功率并不完全做功。因?yàn)?，其中有一部分電功率（電感和電容所?chǔ)的電能）仍能回輸?shù)诫娋W(wǎng)，因此，實(shí)際為電機(jī)所吸收的電功率叫有功功率。電感和電容所儲(chǔ)的電能仍能回輸?shù)诫娋W(wǎng)，這部分功率在電源與電抗之間進(jìn)行交換，交換而不消耗，稱為無(wú)功功率。當(dāng)電網(wǎng)電壓為正弦波形，并且電壓和電流同相位時(shí)，電機(jī)從電網(wǎng)吸收的功率P等于電壓U和電流I的乘積，即：P＝U×I。電機(jī)運(yùn)行時(shí)需要建立磁場(chǎng)，這部分能量不能轉(zhuǎn)化為有功功率，因此稱之為無(wú)功率Q。此時(shí)電流滯后電壓一個(gè)角度φ。在選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)按視在功率S，即有功功率和無(wú)功功率的幾何和：S＝√P2+Q2。無(wú)功功率的傳輸加重電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，使電網(wǎng)損耗增加，。把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷，并聯(lián)接在同一電路；當(dāng)容性負(fù)載釋放能量時(shí)，感性負(fù)荷吸收能量；而當(dāng)感性負(fù)荷釋放能量時(shí)，容性負(fù)荷卻在吸收能量；能量在兩種負(fù)荷之間交換。這樣，感性負(fù)荷所吸收的無(wú)功功率，可以從容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率中得到補(bǔ)償，這就是無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)幕驹?。因此需要?duì)其進(jìn)行就近和就地補(bǔ)償。并聯(lián)電容器可以補(bǔ)償或平衡電氣設(shè)備的感性無(wú)功功率。當(dāng)容性無(wú)功功率Qc等于感性無(wú)功功率QL時(shí)，電網(wǎng)只傳輸有功功率P。
（4）性能特點(diǎn)
A、電壓優(yōu)先：按電壓質(zhì)量要求自動(dòng)投切電容器，電壓超出最高設(shè)定值時(shí)，逐步切除電容器組，直到電壓合格為止。電壓低于最低設(shè)定值時(shí)，在保證不過(guò)載的條件下逐步投入電容器組，使母線電壓始終處于規(guī)定范圍。
B、功率自動(dòng)補(bǔ)償功能：在電壓優(yōu)先原則下，依據(jù)負(fù)荷無(wú)功功率大小自動(dòng)投切電容器組，使系統(tǒng)始終處于無(wú)功損耗最小狀態(tài)。
C、智能控制功能：自動(dòng)發(fā)出動(dòng)作指令前首先探詢動(dòng)作后可能出現(xiàn)的所有超限定值，減少動(dòng)作次數(shù)。
D、異常報(bào)警功能：當(dāng)電容器控制回路繼保動(dòng)作拒動(dòng)和控制器則自動(dòng)閉鎖改組電容器的自動(dòng)控制。
E、模糊控制功能：當(dāng)系統(tǒng)處于電壓合格范圍的高端，且在某特定環(huán)境時(shí)如何實(shí)施綜控原則是該系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，由于現(xiàn)場(chǎng)諸多因素（如配置環(huán)境、受電狀況、動(dòng)作時(shí)間、用戶對(duì)動(dòng)作次數(shù)的限制等）而引起的頻繁動(dòng)作是用戶最為擔(dān)憂的，應(yīng)用模糊控制正是考慮了以上諸多因素使這一“盲區(qū)”得到合理解決。
F、綜合保護(hù)功能：每套裝置有開(kāi)關(guān)保護(hù)（選配），過(guò)壓、失壓、過(guò)流（短路）和零序繼電保護(hù)、雙星形不平衡保護(hù)、熔斷器過(guò)流保護(hù)、氧化鋅避雷器、接地保護(hù)、速斷保護(hù)等。