變頻電機與高效電機的節(jié)能原理與效果分析
電機高效節(jié)能的兩種重要方式：變頻調速系統(tǒng)與高效電機。分析了變頻調速系統(tǒng)在風機與泵類負載中的節(jié)能原理與特點;高效電機提高效率降低損耗的措施，與普通電機區(qū)別的特點。
1. 引言
隨著環(huán)境惡化、資源匱乏，節(jié)能環(huán)保理念越來越深入到經濟社會發(fā)展中，各國都在節(jié)能環(huán)保技術及推廣方面加大投資。隨著我國《“十二五”節(jié)能環(huán)保產業(yè)規(guī)劃》的出臺，節(jié)能環(huán)保被推上了一個新高度。據(jù)中投顧問發(fā)布的《2011-2015》年中國高效節(jié)能電機行業(yè)投資分析及前景預測報告顯示，目前我國電動機裝機總容量已達4億多KW，年耗電量達1.2萬億KWh，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%，其中風機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過2億KW，年耗電量達8000億KWh，占全國總用電量的40%左右。這些電動機大多在較低的電能利用率下運行，只要將這些電動機電能利用率提高10～15%，全年至少可節(jié)電100億KW以上。足以看出電機節(jié)能的市場巨大潛力和重要性。電機耗能現(xiàn)象嚴重，不僅增加了企業(yè)生產成本，造成了電力能源的極大浪費，更與我國推行的節(jié)能減排戰(zhàn)略不相符。目前提高電機運行效率可以有效地改變電機的高能耗現(xiàn)象，節(jié)能效果十分明顯，能耗可比普通電機降低20%至30%。電動機節(jié)能的主要途徑，一是通過變頻調速系統(tǒng)，改善變頻電機的運行效率;二是使用高效電機。
2. 變頻調速節(jié)能
變頻調速技術用于節(jié)能，目前用得最多的是對風機、泵類負載設備的調速節(jié)能，原因是風機、泵類負載的轉矩與轉速的平方成正比。用調速的方法改變其負載流量，節(jié)電率可達20%～60%等。我國電廠大部分風機和水泵都采用定速驅動，靠調節(jié)風門、風道擋板或閥門的開度來調節(jié)風機風量，水泵流量來滿足生產工藝對風量和水泵流量的要求，造成的電能浪費很嚴重。只有少數(shù)風機和水泵增設了液力偶合器等裝置調速，雖然改變了負載轉速，但是電動機轉速不變，部分能量損耗在液力偶合器中，其運行效率較低，節(jié)能效果不明顯。若采用高壓變頻器對風機水泵進行改造，通過改變風機水泵轉速，從而改變風機風量，水泵流量以適應生產工藝的需要，運行能耗最省，節(jié)能效果非常明顯。現(xiàn)在變頻調速技術已成為最理想的一種調速節(jié)能方式。
2.1原理。
(1)變頻調速就是通過改變輸入電源頻率來調節(jié)變頻電動機的轉速。
2.2特點。
(1)變頻調速可以實現(xiàn)變頻起動，啟動時間短，啟動電流小，拖動更大的負載轉動慣量，并且啟動平穩(wěn)，可無極平滑調速，對電網及電機無損害，延長機電設備使用壽命。
(2)操作方便維護簡單，無需設置調節(jié)擋板，避免了節(jié)流帶來的能量損耗。需要調節(jié)流量、壓力時，根據(jù)前面公式可知，只要改變頻率來改變電動機轉速即可。
(3)采用變頻調速不僅降低風機水泵的故障率，減少維修費用及管理費用的投入，同時也提高系統(tǒng)自動調節(jié)品質，節(jié)電效果明顯。
(4)采用變頻恒壓供水可消除水錘效應，實現(xiàn)閉環(huán)供水，用戶可直接從管網取水，避免了高水位水箱、水塔儲水的二次污染。不僅系統(tǒng)具有保護功能，自診斷和自處理能力強，實現(xiàn)樓宇智能化。
總之，變頻調速作為新型調速節(jié)能手段，有利于風機、水泵的安全經濟運行。不足之處是對電源的質量、變頻器的工作環(huán)境以及電機要求比較高，維修費用高等。
3. 高效電機
高效電機是指效率較高的電機，其效率應該滿足相關的能效等級要求。高效電機將新制造工藝及新材料完美運用到核心部件上，通過電機線圈優(yōu)化設計，有效降低電磁能、熱能和機械能的損耗，提升運轉效率，電機發(fā)熱量小、運行壽命長。
3.1降低損耗優(yōu)化措施：
眾所周知，電動機的損耗主要由定子銅耗、轉子銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗組成，高效、超高效電動機的開發(fā)，必須從降低這五大損耗著手，采取多種措施，挖掘潛力，降低損耗，提高電動機的效率。
3.1.1增加有效材料，降低銅耗和鐵耗。對于高效電機，由于效率指標提高較大，為降低繞組損耗和鐵心損耗，需要適當降低電流密度和磁感應強度，因此相應放大了導線截面和增加了鐵心長度，部分機座放大了沖片外徑，從而相應增加了有效材料用量。
3.1.2采用相對較高牌號的磁性材料，降低鐵耗。由于受到軸向尺寸和中心高的限制， 單純的增加有效材料達不到大幅降低鐵耗的目的，因此必須選用更低損耗的冷軋硅鋼片，這對中、大功率規(guī)格的電動機尤為重要。
3.1.3合理控制電動機溫升。由于溫升受使用材料的多少和機械損耗的影響，在材料不變的情況下，通過增大冷卻風量降低溫升，隨著溫升的下降，定、轉子銅耗下降，機械損耗上升，如果定、轉子銅耗下降大于機械損耗上升，效率就會提高，反之，效率就會下降。因此合理控制溫升對高效電機提高效率起到關鍵作用。
3.1.4降低雜散損耗的措施。
(1)改變槽配合當諧波磁場對鐵心表面發(fā)生相對運動時，就在鐵心鋼片的表面層附近產生渦流損耗和磁滯損耗，因此稱為表面損耗，其中主要是渦流損耗。這部分損耗與諧波磁場的幅值和頻率有關，幅值和頻率受槽數(shù)多少影響，因此這部分損耗與定、轉子
槽數(shù)有關。
(2)增大電動機氣隙，進而減小定、轉子諧波磁通的幅值，可以有效地減少雜散損耗。
3.2高效電機特點：
(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)典型設計情況下起動電流較大些。
(5)轉子慣量較大。
(6)額定負載下轉速較高，轉差率較小。
從節(jié)約能源、保護環(huán)境出發(fā)，高效電機是現(xiàn)今國際發(fā)展趨勢。2013年工信部將從推廣高效電機、淘汰低效電機以及既有電機系統(tǒng)節(jié)能技術改造等6個方面入手，推廣、淘汰和節(jié)能改造電機及電機系統(tǒng)1億千瓦，擴大高效電機市場份額，促進電機產品升級換代和產業(yè)升級。
4. 結束語
本文詳細的分析了變頻調速系統(tǒng)在風機與水泵負載中通過改變頻率進行速度控制，達到節(jié)能的目的，高效電機降低損耗等措施，有效提高電動機效率。這對于我國貫徹節(jié)能減排國策，節(jié)約能源，提高企業(yè)經濟效益無疑具有巨大的意義。
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