三相異步電動機的經(jīng)濟運行及其節(jié)能技術(shù)研究

1、西 京 學(xué) 院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：三相異步電動機的經(jīng)濟運行及其節(jié)能技術(shù)研究 教學(xué)單位： 機電工程系 專 業(yè)： 自動化 學(xué) 號： 0811060107 姓 名： 寧 邇 指導(dǎo)教師： 閻治安 2012年5月摘要論述了三相異步電動機節(jié)能的幾種方法，包括電機的合理選擇與使用,保證供電電壓質(zhì)量和電機就地無功補償?shù)?。論述了變頻器在風機和壓縮機上節(jié)能的分析與運用，能明顯提高三相異步電動機的效率。恰當?shù)剡\用這些方法，能較大程度地提高電動機運行時的效率和功率因數(shù)，通過運用這些方法進行節(jié)能計算能明顯的顯示三相異步電動機的節(jié)能效果。關(guān)鍵字：三相異步電動機;變頻器;空氣壓縮機;節(jié)能 ABSTRACTDiscus

2、ses the three-phase Asynchronous Motor, several methods, including the rational selection and use of the motor to ensure the quality and the motor in place of the supply voltage reactive power compensation. Discusses the analysis and utilization of the inverter energy-efficient fans and compressors,

3、 can significantly improve the efficiency of the three-phase asynchronous motor. The appropriate use of these methods can improve the efficiency and power factor when the motor is running, energy-efficient computing through the use of these methods to display the energy saving effect of the three-ph

4、ase asynchronous motor.Keywords:three-phaseasynchronous motor; inverter; air compressor;energy-saving目錄第1章 引言11.1 三相異步電動機節(jié)能的背景11.2 三相異步電機節(jié)能目的及意義1第2章 三相異步電動機的構(gòu)造及工作原理32.1 三相異步電動機的構(gòu)造32.2 三相異步電動機的工作原理3第3章 變頻器在節(jié)能方面的分析53.1 變頻器的工作原理53.2 變頻器節(jié)能原理6 變頻節(jié)能63.2.2 功率因數(shù)補償節(jié)能6 軟啟動節(jié)能63.3 變頻器節(jié)能應(yīng)用的場合63.3.1 變頻器在空壓機上運用的節(jié)能

5、分析7 螺桿式空氣壓縮機的工作原理和能耗分析7 變頻器和PLC的控制模式和節(jié)能效益8第4章 電動機節(jié)能方面的分析與研究94.1 目前在電機節(jié)能方面存在的主要問題94.1.1 舊(淘汰)型電機的使用94.1.2 電機負載率低94.1.3 電機電源電壓不對稱或電壓過低94.1.4 負荷調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速控制不當94.2 減少有功損耗以提高電動機效率104.3 電動機的選用104.4 電動機節(jié)能原理104.5 電動機的節(jié)能措施11第5章 三相異步電機節(jié)能分析與應(yīng)用實例135.1 電動機的合理選型和節(jié)能改造 選用節(jié)能型電動機：13 合理選用電動機類型：13 合理選用電動機的額定容量：13 老式電動機的節(jié)能改造

6、135.2 電動機啟動和運行形式的合理設(shè)計14 高壓籠型電動機14 大型繞線型電動機14 中、小型繞線電動機155.3 電動機的調(diào)速速節(jié)能15 繞線式電動機液體調(diào)速155.4 電動機的功率因數(shù)補償16 應(yīng)注意的問題165.5 實際應(yīng)用計算16煤氣循環(huán)水泵與豎爐熱水泵節(jié)能的分析16第6章 空氣壓縮機節(jié)能的分析與研186.1 空氣壓縮機的工作原理186.2 加、卸載供氣控制方式存在的問題186.3 空氣壓縮機系統(tǒng)的節(jié)能原理196.4 恒壓供氣控制方案的設(shè)計196.5 實際應(yīng)用計算19總結(jié)21致謝22參考文獻23第1章 引言1.1三相異步電動機節(jié)能的背景 能源是社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是提高

7、人們的生活水平的先決條件。人類社會要發(fā)展，必須建筑在大量消耗能源的基礎(chǔ)上。然而現(xiàn)有的不可再生資源已經(jīng)被人類過度消耗。我國的能源政策是注重能源資源節(jié)約和合理利用。緩解我國能源資源與經(jīng)濟社會發(fā)展的矛盾，必須立足國內(nèi)，顯著提高能源資源利用效率。堅決實行開發(fā)和節(jié)約并舉，把節(jié)約放在首位的方針。鼓勵開發(fā)和應(yīng)用節(jié)能降耗的新技術(shù)。2004年，我國為電力、煤炭、石油等能源價格上漲而付出的代價高達百億美元，而能源短缺間接對國民經(jīng)濟造成的經(jīng)濟損失更難以用具體的數(shù)值來估量。節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，也是當前一項極為緊迫的任務(wù)。電動機是電能消耗的最大用戶，也是節(jié)電潛力最大的用戶。1.2三相異步電機節(jié)能

8、目的及意義 現(xiàn)代社會中，三相異步電動機成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的主要動力設(shè)備。統(tǒng)計表明世界各國電動機的用電量約占發(fā)電總量的60%，我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展期,電動機的用電量占全國總發(fā)電量的60%以上。根據(jù)國家標準的有關(guān)規(guī)定，異步電動機的運行狀態(tài)可分為經(jīng)濟運行狀態(tài)、允許運行狀態(tài)和非經(jīng)濟運行狀態(tài)。目前我國相當多的異步電機及其拖動系統(tǒng)處于非經(jīng)濟運行狀態(tài)，白白浪費大量的電能，極大地影響著企業(yè)發(fā)展及經(jīng)濟效益。經(jīng)濟要發(fā)展，電力要先行。近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度的提高，有很多經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的電力供應(yīng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的緊張局面，這直接制約著這些地區(qū)的的經(jīng)濟發(fā)展。因此，我們一方面需要開發(fā)更多的的能源來緩解電能緊張的局面。面

9、對不可再生的一次能源，如石油、煤、天然氣等資源的枯竭，全世界對于節(jié)能的呼聲越來越高?；谶@方面的考慮。我們要更努力著手于用電設(shè)備的節(jié)能研究。電動機的運行效率與負載的大小有關(guān)。當電動機的額定負載附近運行的時候，其效率的功率因數(shù)都較高；但當負載率較低時候，其功率因數(shù)和功率都急驟降低。異步電機在空載時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率約等于0，即歸算到轉(zhuǎn)子側(cè)得等效電阻無窮大，轉(zhuǎn)子相當于開路，電流接近于0；而定子電流基本上市勵磁電流，其主要分量是無功的磁化電流，其值越大定子電抗就越大，致使電機功率因數(shù)降低。電動機在輕載時。由于端電壓過高使勵磁電流大，會導(dǎo)致功率因數(shù)下降。實際運行中的電機，由于產(chǎn)品容量的不連

10、續(xù)性，安全系數(shù)過高的選擇等，經(jīng)常處于負載，甚至輕載，使電動機功率因數(shù)較小，效率很低，電能的浪費十分嚴重。對于非滿載的運行的情況下的電動機，節(jié)能的關(guān)鍵在于采取必要地措施提高其運行的效率，改善功率因數(shù)。利用調(diào)壓的方法, 可以根據(jù)電動機的負載率來不斷的降壓電動機的端電壓, 使其運行處于高效率的狀態(tài)。高效率運行不僅可以節(jié)省電動機在非滿載情況下的功率損耗, 提高工功率因數(shù)、節(jié)約能源，而且對于裝置自身的冷卻和控制環(huán)境污染方面也有重要的意義。 全國有上百億元的電動機市場, 而且每年還在以20%的速度增加。如果全部能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的話, 相當于每年我國增建了2到3臺中型火力發(fā)電廠。 這既可以節(jié)省煤,又能減少環(huán)境污

11、染。可見，電動機節(jié)能的經(jīng)濟效益和社會效益非常顯著。因而研究三相異步電動機的節(jié)能技術(shù)是非常迫切和必要的，開發(fā)帶有節(jié)能的產(chǎn)品勢在必行。第2章 三相異步電動機的構(gòu)造及工作原理2.1三相異步電動機的構(gòu)造 三相異步電動機主要有由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子主要由三相繞組，鐵心，機座，端蓋組成。定子鐵心一般由0.35或0.5毫米厚、表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。三相繞組由三個在空間互隔120°電角度、對稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同的線圈連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。三相定子繞組通入三相電流，產(chǎn)生n1為轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)磁場。機

12、座通常為鑄鐵件，大型異步電動機機座一般用鋼板焊成，微型電動機的機座采用鑄鋁件，其作用是固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護、散熱等作用。封閉式電機的機座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護式電機的機座兩端端蓋開有通風孔，使電動機內(nèi)外的空氣可直接對流，以利于散熱。端蓋主要起固定轉(zhuǎn)子，支撐和防護作用。轉(zhuǎn)子主要由鐵心和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的槽，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來沖制轉(zhuǎn)子鐵心。一般小型異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，中、大型異步電動機（轉(zhuǎn)子直徑在300500毫米以上）的轉(zhuǎn)子鐵心則借助

13、與轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。（1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個繞組的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對于100KW以上的電動機采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。鼠籠轉(zhuǎn)子分為：阻抗型轉(zhuǎn)子、單鼠籠型轉(zhuǎn)子、雙鼠籠型轉(zhuǎn)子、深槽式轉(zhuǎn)子幾種，起動轉(zhuǎn)矩等特性各有不同。（2）繞線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。2.2三相異步電動機的工作原理當電動機的三相定子繞組（各相差120度電角度），通入三相對稱交流

14、電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。第3章 變頻器在節(jié)能方面的分析 變頻器按直流電源的性質(zhì)分為電流型變頻器和電壓型變頻器。電流型變頻器，由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名，其優(yōu)點是具有四象限運行能力，能很方便地實現(xiàn)電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網(wǎng)會有一定的影響。電壓型變頻器由于在變

15、頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名，其特點是不能進行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸出還需要增設(shè)正弦波濾波器。此外變頻器還可以按其供電電壓、按供電電源的相數(shù)、按其功能、按輸出電壓調(diào)節(jié)方式、按控制方式等類型分類。3.1 變頻器的工作原理三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為 式中 同步轉(zhuǎn)速；電源頻率，單位為Hz；極對數(shù)；轉(zhuǎn)差率。從公式可知，改變電源頻率即可實現(xiàn)調(diào)速。對異步電動機實行調(diào)速時，希望主磁通保持不變，因為磁通太弱，鐵芯利用不充分，同樣轉(zhuǎn)子電流下轉(zhuǎn)矩減小，電動機的負載能力下降；若磁通太強，鐵芯發(fā)熱，波形破壞。根據(jù)三相異步電動機定子每相電動勢的有效值為式中 電動機

16、定子頻率，單位為Hz；定子相繞組有效匝數(shù)；每極磁通量，單位為Wb。從公式可知，對和進行適當控制即可維持磁通量不變。因此，異步電動機的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻器獲得電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源。3.2 變頻器節(jié)能原理3.2.1變頻節(jié)能由流體力學(xué)可知，P（功率）=Q（流量）H（壓力），流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，當要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速N可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成立方比的關(guān)系。通過我的計算:一臺水泵電機功率為55KW，當轉(zhuǎn)

17、速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電48.8，當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5.3.2.2 功率因數(shù)補償節(jié)能 無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設(shè)備使用效率低下，浪費嚴重，由公式，其中S視在功率，P有功功率，Q無功功率，功率因數(shù)，可知越大，有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數(shù)在之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。3.2.3軟啟動節(jié)能 由于異步電動機如果采用直接啟動，啟動電流等于(-7)倍額定電流

18、，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動對擋板和閥門的損害極大，對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用軟啟動器將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。節(jié)省了設(shè)備的維護費用。3.3 變頻器節(jié)能應(yīng)用的場合 變頻器在有的地方有節(jié)能效果，有的地方可能沒有。風機、水泵之類的需要調(diào)速的地方用變頻器，節(jié)能效果特別好。變頻器具有節(jié)電功能，前提條件是：1、大功率并且為風機/泵類負載；2、裝置本身具有節(jié)電功能（軟件支持）；3、長期連續(xù)運行。除此之外，無所謂節(jié)不節(jié)電。變頻器

19、節(jié)能最為明顯的是在風機水泵行業(yè)應(yīng)用，因風機水泵的消耗功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以當外界用風/水量不高時，使用變頻會自動將轉(zhuǎn)速降低，則節(jié)能效果明顯。而且跟傳統(tǒng)的調(diào)速方法相比的話的確節(jié)能不少，傳統(tǒng)的是串電阻及利用接觸器切換來調(diào)速；電阻也要消耗電能，而且消耗40%左右的電能；變頻調(diào)速是改變輸入頻率來達到調(diào)速的目的，省去了電阻及接觸器切換消耗的電能。3.3.1 變頻器在空壓機上運用的節(jié)能分析螺桿式空氣壓縮機運用很廣泛，傳統(tǒng)的控制大多采用接觸器直接對空壓機主電機加載工頻電源，依靠進氣閥門的開關(guān)來控制空壓機的進氣口是否進氣，從而達到控制空壓機供氣的目的。由于生產(chǎn)線上使用空壓氣的設(shè)備的工作周期和生產(chǎn)工藝的差

20、別，使得用氣量瞬時變化非常大，這就造成進氣閥門加載、卸載動作頻繁。卸載后空壓機沒有進氣，但電機依然維持在工頻運轉(zhuǎn)，造成電能的浪費;當系統(tǒng)壓力變小后，進氣閥突然打開加載，會對供電電網(wǎng)和空壓機設(shè)備造成很大的沖擊，也增加了設(shè)備的機械磨損。3.3.2螺桿式空氣壓縮機的工作原理和能耗分析 螺桿式空壓機由一對相互平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子(或稱螺桿)在氣缸內(nèi)轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒槽之間的空氣不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化，空氣沿著轉(zhuǎn)子軸線由吸入側(cè)輸送至輸出側(cè)，實現(xiàn)螺桿式空壓機的吸氣、壓縮和排氣的全過程?？諌簷C的進氣口和出氣口分別位于殼體的兩端，陰轉(zhuǎn)子的槽和陽轉(zhuǎn)子的齒在主電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)。   &#

21、160; 傳統(tǒng)的加載和卸載控制方式使得壓縮空氣的壓力在之間來回變化。是能夠保證現(xiàn)場用氣點正常工作的最低壓力。一般情況下，與之間關(guān)系可以用下式來表示: =P（1），其中大致在15%30%之間。     在加載和卸載控制方式下的空壓機，浪費的能量主要在兩個部分：（1）加載時的電能消耗。在壓力值達到最小后，檢測元件檢測到壓力低信號，這時控制元件會打開進氣閥門，空壓機對氣體做功，氣壓會持續(xù)上升直到最大壓力值。在加壓過程中，一定要向外界釋放更多的熱量，從而導(dǎo)致電能損失。另一方面，大于氣動元件所需要的壓力的壓縮空氣在進入氣動元件前，其壓力一般需要經(jīng)過減壓閥減壓，這一

22、過程同樣是一個釋放能量的過程。（2）卸載時電能的消耗。當壓力達到壓力最大值時，空壓機通過關(guān)閉進氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)的方法來降壓卸載。這種調(diào)節(jié)方法造成很大的能量浪費。據(jù)測算，空壓機卸載時的能耗約占空壓機滿載運行時的15%35%(這還是在卸載時間所占比例不大的情況下)。很明顯，在加載、卸載供氣控制方式下，空壓機電機存在很大的節(jié)能空間。3.3.3變頻器和PLC的控制模式和節(jié)能效益    采用變頻凋速控制時，就把管網(wǎng)壓力作為控制對象，壓力變送器YB將儲氣罐的壓力P轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査徒oPLC的PID調(diào)節(jié)器，與壓力設(shè)定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算

23、，產(chǎn)生控制信號送變頻器，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。  空壓機電機參數(shù):功率為185kW，轉(zhuǎn)速為1480r/m，額定電流405A，功率因數(shù)為0.89;變頻器功率為200kW。在傳統(tǒng)的接觸器直接加工頻電源控制電機模式下，正常生產(chǎn)情況時，壓力維持在0.455.6MPa范圍內(nèi)，空壓機進氣閥門開關(guān)都呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即閥門打開加載時間約為118s，關(guān)閉卸載時間約為96s(即加載時間占總時間的55%，卸載時間約占45%）;加載時電機電流大約為額定電流的1.4倍，關(guān)閉閥門電機電流約為額定電流的0.4倍。按照以上電機參數(shù)計算，電機每天做功約為5409k

24、W.k(假設(shè)24h不停機)。    采用變頻恒壓控制以后，正常生產(chǎn)時，管網(wǎng)壓力保持在5.2MPa這樣一個相對穩(wěn)定的值，變頻器顯示40Hz，電機電流維持在275A左右，上下波動很小。按照這樣的情況，電機每天做功約為3475kW.h(功率因數(shù)約為0.8)，這樣每天節(jié)約的電能大約為1934kW.h。如果按照每年正常供氣350天計算(只在檢修時間停機)，年節(jié)約電能為676900kW.h。工業(yè)電價按0.57元/(kW.h)計算，每年可節(jié)約生產(chǎn)成本約為38.6萬元。    利用變頻器+PLC的控制模式實現(xiàn)了螺桿式空氣壓縮機的節(jié)能運行，同時空壓機電

25、機從靜止到旋轉(zhuǎn)工作由變頻器來啟動，實現(xiàn)了軟啟動，避免了啟動沖擊電流和啟動給空壓機帶來的機械沖擊，降低了原系統(tǒng)噪音，減少了設(shè)備維修最等，該控制模式具有實用價值。第4章 電動機節(jié)能方面的分析與研究4.1 目前在電機節(jié)能方面存在的主要問題4.1.1 舊(淘汰)型電機的使用 我國20世紀七八十年代制造，六七十年代技術(shù)水平的J、JO、JO2系列及其相應(yīng)水平的派生電機，現(xiàn)在約占裝機容量的3%5%，即約2 000萬kW，這些電機采用E級絕緣，體積較大，起動性能較差，效率較低。雖經(jīng)歷年改造，但目前我國的少數(shù)企業(yè)還在使用這類電機，如風機、水泵、車床等使用的主機。另外，早期使用的Y系列電動機，經(jīng)過12次大修，性能

26、變差，效率降低，本應(yīng)該淘汰，卻仍在使用。這類電機占裝機容量的15%20%。 4.1.2 電機負載率低由于電動機選擇不當，富裕量過大或生產(chǎn)工藝變化，使得電動機的實際工作負荷遠低于額定負荷，大約占裝機容量 30% 40% 的電機在 30% 50%的額定負載下運行，運行效率過低。如現(xiàn)在我國風機的平均運行效率為 60%，水泵的平均運行效率只有 51%。4.1.3 電機電源電壓不對稱或電壓過低 由于三相四線制低壓供電系統(tǒng)單相負荷的不平衡，使得電動機的三相電壓不對稱，電機產(chǎn)生負序轉(zhuǎn)矩，增大電機運行中的損耗。另外電網(wǎng)電壓長期偏低，使得正常工作的電機電流偏大，因而損耗增大。三相電壓的不對稱度越大，電壓越低，則

27、損耗越大。4.1.4 負荷調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速控制不當 在調(diào)節(jié)風機的風量與水泵的流量等方面，還有些場合是采用擋板或閥門來調(diào)節(jié)，使得截流功率損耗大。許多設(shè)備還采用機械調(diào)速方法，而未采用電氣調(diào)速。此外，由于調(diào)速方法與負載的性質(zhì)、大小配合不好，轉(zhuǎn)速控制不當，也使得調(diào)速過程中的損耗增大。4.2 減少有功損耗以提高電動機效率異步電動機的損耗分為有功損耗與無功損耗兩種，減少有功損耗，就能提高電動機的效率，從而達到節(jié)能的目的，這可以從兩個方面進行在電機的設(shè)計、制造與改進方面對電機進行優(yōu)化設(shè)計與制造要做到：(1)采用較薄的低損耗硅鋼片，減少電機的渦流損耗；加長電機鐵芯，用較多的硅鋼片達到減少磁密、降低鐵損的目的。(2)

28、采用較大截面的銅導(dǎo)線，縮短繞組端部長度，增大電機的滿槽率，達到減小導(dǎo)線電阻與定子電流、降低定子銅損的目的。4.3 電動機的選用 下列情況下應(yīng)該考慮選用高效電動機。（1）在新上項目需要新的電動機時；（2）舊電動機損壞或電動機需要進行重繞時；（3）在電動機長期運行于低負載或過負載狀態(tài)下需要更新電動機時。4.4電動機節(jié)能原理電動機節(jié)能的基本原理：電動機節(jié)能的過程就是提高其效率的過程。P2：電動機機械輸出功率（kW）；p1：電動機從電網(wǎng)或供電裝置中吸收的電功率；p：電動機在能量轉(zhuǎn)換中的損耗功率（kW）；因此，電動機節(jié)能的關(guān)鍵是如何減小電動機在能量轉(zhuǎn)換中的損耗功率p。電動機損耗功率構(gòu)成p=pcu1 +p

29、Fe +pcu2 +pmec +pad pcu1：定子繞組銅損；pFe：鐵芯損耗; pcu2：轉(zhuǎn)子繞組銅損；pmec ：雜散損耗；pad：機械摩擦損耗。有效降低電機損耗電機損耗分類：（1）發(fā)熱損耗：p= pcu1+ pFe + pcu2 ；（2）雜散損耗：pad ；（3）風磨損耗：pmec + pad。降低發(fā)熱損耗：（1）優(yōu)化電機內(nèi)電與磁的合理匹配；（2）選用優(yōu)質(zhì)的繞組材料；（3）選用損耗與磁性能匹配合理的鐵芯材料；（4）有效增大銅面積。降低雜散損耗：（1）合理設(shè)計齒槽關(guān)系和氣隙；（2）可靠的制造工藝減少磁場琦變。降低風磨損耗：降低風磨損耗：合理的軸承結(jié)構(gòu)和滑設(shè)計；降低通風損耗：（1）提高熱傳

30、導(dǎo)效率；（2）提高自然對流散熱能力，減小通風量需求；（3）提高冷卻的熱交換效率；（4）提高冷卻風扇的效率。 結(jié)論：電動機節(jié)能的原理是通過對電動機的電、磁、機械和通風的優(yōu)化，優(yōu)質(zhì)材料及先進制造工藝的使用，并結(jié)合先進全面的試驗及測試手段，切實有效地降低電動機的各方面損耗。4.5電動機的節(jié)能措施電動機的節(jié)能方法和節(jié)能措施1、新購電動機，應(yīng)首先考慮選用高效節(jié)能電動機，然后再按需考慮其他性能指標，以便節(jié)能電能。2、提高電動機本身的效率，如將電動機自冷風扇?？稍谪摵珊苄』驊敉怆妱訖C在冬季時停用冷風扇，有利于降低能耗。3、將定子繞組改線成星三角形星混合串接繞組，按負荷大小轉(zhuǎn)換星形接法或三角形接法，有利于改善

31、繞組產(chǎn)生的磁動勢波形及降低繞組工作電流，達到高效節(jié)能的目的。4、采油其他連續(xù)調(diào)速運行方式，如使用調(diào)速器、變極電動機、電磁耦合調(diào)速器、變頻調(diào)速裝置等。5、更換“大馬拉小車”電動機，電動機“大馬拉小車”除了浪費電能外，極易造成設(shè)備損壞?！靶●R拉大車” 會損害電動機。 另外，合理調(diào)整電動機配套使用，可使電動機運行在高效率工作區(qū)，達到節(jié)能的目的。6、合理安裝并聯(lián)低壓電容器進行無功補償，有效地提高功率因數(shù)，減少無功損耗，節(jié)約電能。7、從接火處通往電能表及通往電動機的導(dǎo)線截面應(yīng)滿足再流量，且導(dǎo)線應(yīng)盡量縮短，減小導(dǎo)線電阻，降低損耗。第5章 三相異步電機節(jié)能分析與應(yīng)用實例5.1 電動機的合理選型和節(jié)能改造選用

32、節(jié)能型電動機：Y系列電動機是全國統(tǒng)一設(shè)計的新系列產(chǎn)品,是國內(nèi)目前較先進的三相異步電動機。20世紀80年代中期即在全國推廣應(yīng)用。其優(yōu)點是效率高、節(jié)能、啟動性能好。而目前國內(nèi)許多老水泥企業(yè)仍大量采用JO2系列電動機,相比來說Y系列比JO2系列電動機效率提高了0413%。因此用Y系列電動機取代舊式電動機勢在必行。5.1.2合理選用電動機類型：選擇電動機類型除了滿足拖動功能外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟運行性能。對于年運行時間大于3000h，負載率大于50%的場合，應(yīng)選擇YX系列高效率的三相異步電動機。與Y系列相比，其效率平均高3%，損耗降低20%一30%，雖然價格高于Y系列電動機，但從長期運行考慮，經(jīng)濟性還是明顯

33、的。同步電動機能提高企業(yè)電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電線路損耗，但控制系統(tǒng)繁雜，價格較高。隨著異步電動機制造水平的提高，新設(shè)備已很少采用。5.1.3合理選用電動機的額定容量：國家三相異步電動機3個運行區(qū)域作了如下規(guī)定：負載率在70%-100%之間為經(jīng)濟運行區(qū)；負載率在40%-70%之間為一般運行區(qū)；負載率在40%以下為非經(jīng)濟運行區(qū)。若電動機容量選得過大，雖然能保證設(shè)備的正常運行，但不僅增加了投資，而且它的效率和功率因數(shù)也都很低，造成電力的浪費。因此考慮到既能滿足水泥廠設(shè)備運行需要，又能使其盡可能地提高效率，水泥企業(yè)一般負載率保持在60%一100%較為理想。對于負載率小于40%的三角形接法電動機可改為

34、星型接法，以提高其效率。 5.1.4老式電動機的節(jié)能改造     (1)更換電動機的外風扇，將電動機的外風扇改為節(jié)能型，對于不同型號的電動機，有對應(yīng)的節(jié)能型風扇產(chǎn)品可供選用。主要用于單方向運轉(zhuǎn)的2極和4極電動機，改后可提高效率1.35%一2.55%。     (2)采用磁性槽泥代替原來的槽楔，用磁性槽泥進行電動機節(jié)能改造后，可降低電動機的鐵芯損耗和附加損耗，提高效率，雖然啟動轉(zhuǎn)矩會下降10%-20%，但很適應(yīng)空載或輕載啟動的電動機改造。5.2電動機啟動和運行形式的合理設(shè)計 5.2.1低壓籠型大中型電動機若

35、采倍額定電流之間可調(diào)，啟動時間可調(diào)。  5.2.2高壓籠型電動機傳統(tǒng)的啟動方式多選用電抗器、自耦變壓器等，但這些啟動設(shè)備都不能很好地滿足啟動要求，很難獲得理想的啟動參數(shù)。目前出品的熱變電阻軟啟動裝置能較好地滿足啟動要求。熱變電阻器由具有負溫度系數(shù)的電阻材料制成，電阻器串于電動機定子回路，當電動機啟動、電阻體通過啟動電流時，其溫度升高，而阻值隨之減小，從而使電動機端電壓逐步升高，啟動轉(zhuǎn)矩逐步增加，以實現(xiàn)電動機的平穩(wěn)啟動。根據(jù)電動機參數(shù)和負載要求的啟動轉(zhuǎn)矩，能方便地配置適當?shù)膯与娮柚但@得最佳的啟動參數(shù)，即在較小的啟動電流下，獲得足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩。海螺集團回轉(zhuǎn)窯風機上己有應(yīng)用，啟動電流為

36、2.92Ie。與用電抗器相比，電流下降了28%，電網(wǎng)壓降由8%降到了5%。這說明在啟動過程中有一定的節(jié)能效果，延長了電動機的使用壽命，減少了對機械設(shè)備的沖擊。由于啟動裝置熱容量大，幾乎無需維修，因此在水泥企業(yè)的相關(guān)電動機上有明顯的推廣價值。         5.2.3大型繞線型電動機 目前較為成熟的方式是采用液體變阻啟動器。它是利用兩極間的液體電阻，通過機械傳動裝置便極板的距離逐步接近，直至接觸，達到串入轉(zhuǎn)子回路中的電阻無級變小最后為零，實現(xiàn)電動機無沖擊的平滑啟動。其特點是啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊，熱容量大，可連續(xù)

37、啟動5-10次，維護方便，使用可靠。5.2.4中、小型繞線電動機主要采用頻敏電阻器和油浸電阻器啟動，由于有滑環(huán)、碳刷、短路環(huán)等零件與繼電器、交流接觸器、頻敏或油浸變阻器等電器元件組成的啟動系統(tǒng)都安裝在粉塵較大的生產(chǎn)現(xiàn)場，因此它具有故障率高、維修量大的缺點，經(jīng)常影響設(shè)備的正常運行，而無刷無環(huán)啟動器較好地解決了上述問題，它是一種啟動平滑，不改變運行特性且不受粉塵干擾的啟動設(shè)備。其一次啟動電流限制在3.0-4.01e之間，適合于11-600kW的高低壓繞線型電動機。該啟動器是利用頻敏變阻器的原理，利用貼磁性材料的頻感特性研制而成，安裝在電動機轉(zhuǎn)軸原來裝集電環(huán)的位置，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，省去了電動機的輔助

38、啟動裝置。5.3電動機的調(diào)速速節(jié)能5.3.1變頻調(diào)速 變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，調(diào)速精度高，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，節(jié)能顯著。變頻調(diào)速確實穩(wěn)定可靠，節(jié)能顯著，建議對直流調(diào)速、電磁滑差調(diào)速的設(shè)備進行變頻調(diào)速改造。5.3.2繞線式電動機液體調(diào)速對于一些調(diào)速精度要求不高，調(diào)速范圍要求不寬，并且不頻繁調(diào)速的繞線式電動機，如風機、水泵等設(shè)備的大中型繞線式異步電動機采用液體調(diào)速效果顯著。與變頻調(diào)速、可控硅串級讕速相比，該方式更經(jīng)濟、可靠、實用，維護簡單，雖調(diào)速時效率稍低，但功率因數(shù)高，且全速時效率高于變頻調(diào)速，價格僅為變頻調(diào)速的幾分之一。該設(shè)備采用強制冷卻的方法由循環(huán)水裝置來降低在調(diào)速過程中液體電阻因通

39、電發(fā)熱所升高的溫度，有效地解決了以前熱容量不夠容易引起開鍋的現(xiàn)象。1臺460kW噴槍泵上使用已有2年，投入前一次運行電流平均為42A，投入后平均電流降低為36A。運行功率由340kW降為286kW，節(jié)電達16%。廣東肇慶小湘水泥有限公司一分廠制成355kW排風機電動機使用了l臺YQT-500型液體調(diào)速器，投入前一次運行電流平均為36A，投人后平均電流為26A，節(jié)電率達28%。因此水泥企業(yè)的窯尾排風機高壓繞線電動機最適宜液體調(diào)速改造。5.4電動機的功率因數(shù)補償5.4.1原理及補償類型 籠型電動機通常采用并聯(lián)電容器就地補償?shù)姆椒?。?5臺37kW以上的籠型低壓電動機上進行了并聯(lián)電容器補償，每年節(jié)電

40、17萬kWh。繞線式電動機可采用進相機補償?shù)姆绞?。進相機補償分旋轉(zhuǎn)式和靜止式2種，由于旋轉(zhuǎn)式進相機結(jié)構(gòu)上的缺陷，目前逐步被靜止式進相機所代替。在原料磨l000kW電動機上采用了靜止式進相機補償，電動機溫升下降了16，功率因數(shù)升為0.98，一次電流降低16%；每年節(jié)約電費9.6萬元。 5.4.2應(yīng)注意的問題經(jīng)常停機的電動機，年利用率很低的電動機，多速電動機，經(jīng)常反復(fù)開停、點動或堵轉(zhuǎn)的電動機和雙向轉(zhuǎn)動或反接制動的電動機，不宜進行就地補償。5.5 實際應(yīng)用計算5.5.1煤氣循環(huán)水泵與豎爐熱水泵節(jié)能的分析（1）煤氣生產(chǎn)過程中，需要循環(huán)水對煤氣進行洗滌冷卻。循環(huán)水泵是煤氣生產(chǎn)工藝中的重要設(shè)備，循環(huán)水泵不

41、能調(diào)速，利用出口閥門來控制水流量和管網(wǎng)壓力，由于循環(huán)水泵的選擇是按最大負荷情況來選型，而在實際運行中循環(huán)水泵留有較大的余量，冷卻水的流量與壓力是通過冷卻水循環(huán)泵出、入口聯(lián)絡(luò)管上的調(diào)節(jié)閥來進行調(diào)節(jié)，從而造成電動機運行效率較低，造成電能浪費，為降低生產(chǎn)成本，因此對煤氣循環(huán)水泵進行變頻調(diào)速節(jié)能改造，以解決能源浪費問題。 循環(huán)泵運行電流約為70 A，額定電流為102.5A，額定功率55 kW。則沒上變頻器前，上變頻器后循環(huán)泵運行電流為57A，頻率38Hz即76%，變頻器效率為96%，負荷率41%，則平均運行負荷為；55 kW X41%=22.5 kW，年經(jīng)濟效益為循環(huán)泵年節(jié)電量： (39-22.5)&

42、#215;24×330=130680(kWh)，平均電費是0.5元/kWh，即循環(huán)泵一年可以節(jié)省0.5×130680=65340元。（2）豎爐的熱水循環(huán)水泵也是不能調(diào)速，而是利用出口閥門來控制水流量和管網(wǎng)壓力，由于循環(huán)水泵的選擇是按最大負荷情況來選型，而在實際運行中循環(huán)水泵留有較大的余量，循環(huán)水的流量與壓力是通過循環(huán)泵出、入口聯(lián)絡(luò)管上的調(diào)節(jié)閥來進行調(diào)節(jié)，從而造成電動機運行效率較低，造成電能浪費，為降低生產(chǎn)成本，我司也對熱水循環(huán)泵進行了變頻改造。 一期熱水循環(huán)泵是3備兩用，額定電流35.9A，額定功率18.5kW，額定為0.97，運行電流約為28A。則  =1.73

43、2×28×0.38×0.9717.9 (kW)      上變頻后熱水循環(huán)泵運行電流為15A，頻率30Hz，變頻器效率為96%，負荷率為，=（n1/n2）2/0.96=1.15×（0.6）2/0.9643%則平均運行負荷為；18.5kW×43%8kW，年經(jīng)濟效益為循環(huán)泵年節(jié)電量：(17.9-8)×24×330=78408(kWh)，平均電費是0.5元/ kWh，即循環(huán)泵一年可以節(jié)省0.5×78408=39204元。一期2臺水泵節(jié)省78408元。二期熱水泵額定電流：7

44、0.5A，額定功率37kW，額定為0.80，運行電流約為52A則  P=3IUcos=1.732×52×0.38×0.827(kW)上變頻后熱水循環(huán)泵運行電流為30A，頻率38Hz即76%，變頻器效率為96%，負荷率為，=（n1/n2）2/0.96=1.15×（0.76）2/0.9670%則平均運行負荷為；18.5kW×70%12.8kW，年經(jīng)濟效益為循環(huán)泵年節(jié)電量：(27-12.8)×24×330=112464(kWh)，平均電費是0.5元/ kWh，即循環(huán)泵一年可以節(jié)省0.5×112464=56323

45、元。一期2臺水泵節(jié)省112464元。第6章 空氣壓縮機節(jié)能的分析與研究6.1 空氣壓縮機的工作原理目前空壓機上都采用兩點式控制（上、下限控制）或啟停式控制（小型空氣壓縮機），也就是當壓縮氣體氣缸內(nèi)壓力達到設(shè)定值上限時，空壓機通過本身氣壓或油壓關(guān)閉進氣閥，小型空氣壓縮機則停機。當壓力下降到設(shè)定值下限時，空壓機打開進氣閥，小型空壓機則又啟動。傳統(tǒng)的控制方式容易對電網(wǎng)造成沖擊，對空壓機本身也有一定的損害，當用氣量頻繁波動時，尤其明顯。正常工作情況下，空氣被壓縮到儲氣罐?？諌簷C各點的檢測（包括壓縮空氣溫度、壓力，鏍桿溫度、冷卻水壓力、溫度和油壓、油溫等等）和整體控制由主控制單板機控制。當空壓機出口壓力

46、達到設(shè)定值上限時，通過油壓分路閥關(guān)閉進氣口，同時打開內(nèi)循環(huán)管路，作自循環(huán)運行。此時用氣單位繼續(xù)用氣。當壓力下降到設(shè)定值下限時，油壓分路閥關(guān)閉循環(huán)管路，打開空氣進口，空氣又由過濾器經(jīng)壓縮到儲氣罐中。在靜態(tài)，原起動方式（Y-），及加載、卸載時對電網(wǎng)供配電設(shè)備及鏍桿都會造成極大的沖擊。尤其是能源的嚴重浪費。主電機轉(zhuǎn)速下降，軸功率將下降很多。節(jié)能潛力相當大。6.2加、卸載供氣控制方式存在的問題我們知道，加、載控制方式使得壓縮氣體的壓力在之間來回變化。是最低壓力值，即能夠保證用戶正常工作的最低壓力。一般情況下， 、之間關(guān)系可以用下式來表示：C=（1+）是一個百分數(shù)，其數(shù)值大致在10%25%之間。 而若采

47、用變頻調(diào)速技術(shù)可連續(xù)調(diào)節(jié)供氣量的話，則可將管網(wǎng)壓力始終維持在能滿足供氣壓力上，即附近。 由此可知，在加、卸載供氣控制方式下的空壓機較之變頻系統(tǒng)控制下的空壓機，所浪費的能量主要在2個部分： （1）壓縮空氣壓力超過所消耗的能量 在壓力達到后，原控制方式?jīng)Q定其壓力會繼續(xù)上升（直到）。這一過程同樣是一個耗能過程。（2）卸載時調(diào)節(jié)方法不合理所消耗的能量 通常情況下，當壓力達到時，空壓機通過如下方法來降壓卸載：關(guān)閉進氣閥使電機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時將分離罐中多余的壓縮空氣通過放空閥放空。這種調(diào)節(jié)方法要造成很大的能量浪費。 6.3 空氣壓縮機系統(tǒng)的節(jié)能原理采用變頻器控制空壓機的轉(zhuǎn)速以達到節(jié)能是一種較為科學(xué)的控制

48、方法。根據(jù)空壓機運行特性知： Q1 / Q2 = n1 / n2 H1 / H2 =（ n1 / n2）2 P1 / P2 =（ n1 / n2）3式中 Q空壓機供給管網(wǎng)風量；H管網(wǎng)壓力； P電機消耗功率； n空壓機轉(zhuǎn)速。 由上式可知，當電機轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的80%，則空壓機供給管網(wǎng)風量降為80%，管網(wǎng)壓力降為（80%）2，電機消耗功率則降為（80%）3，即51.2%，去除電機機械損耗和電機銅、鐵損耗等影響，節(jié)能效率也接近40%，這就是調(diào)速節(jié)能的原理所在。6.4 恒壓供氣控制方案的設(shè)計應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)進行恒壓供氣。通過壓力變送器采集實際壓力P送給PID智能調(diào)速器，與壓力設(shè)定值P0作比較，并根據(jù)差值的大小按既定的PID控制模式進行運算，產(chǎn)生控制信號送變頻調(diào)速器VVVF，通過變頻器控制電機的工作頻率與轉(zhuǎn)速，從而使實際壓力P始終接近設(shè)定壓力P0。本系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，在原來的壓力儲氣罐上加裝一個壓力傳感器，將壓力信號轉(zhuǎn)換成4-20mA的電信號，送到變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器將信號與壓力設(shè)定值進行比較運算后輸出控制信號，變頻器根據(jù)該信號輸出頻率，改變電動機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)供氣壓力，保持壓力的恒定，使空壓機始終處于節(jié)電運行狀態(tài). 同時，該方案可增