大功率电动机节能技术研究应用

蒲爱国

摘要：介绍了大功率电动机，通过变频调速技术的应用，在炼铁炉罗茨鼓风电动机上安装了400Kw变频器;在变频柜内装设输入电感器和输出电感器;在配电室安装了630KvA变压器，解决了启动困难的问题、消除了噪音、消除了煤气放散对环境的污染，降低了耗电量，体现了节能效果。治理了变频器工作是产生的谐波及带来的污染电网和设备高温的负面影响。并对节能技术效果进行了分析。

关键词：电动机;节能;技术;应用

Keyword：motor; energy saving; technology; application

引言：

宏鑫公司在线运行的5台320KW低压电动机中频单机降压启动困难，启动时电压波动导致其它风机跳闸的现象，中频降压启动次数多，启动时间长，时有启动设备损坏或引起变电站跳闸的故障。结合各高炉车间的大功率电机的起动和运行情况，发现现有电动机的利用率偏低，能源浪费非常严重，这使得生产成本居高不下。特别是在生产过程中，无法根据高炉的生产情况实现精确控制，能源消耗大。希望通过对高炉的大功率电动机设施节能技术改造后，使高炉的设备整体能耗下降10%～20%，实现提出的降低生产成本，提高企业的综合竞争力的目标。

1.研究方法：

从流体力学的原理得知，使用感应电机驱动的风机，轴功率P与风量q，风压h的关系为P∝q×h，当电动机的转速由h1变化到h2时，q、h、P与转速的关系如下：

q2=q1×h2×/h1（1）

h2=h1×h2/h1 （2）

P2=p1×h2/h1 （3）

可见风量P和电机的转速h是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80%的额定风量时，通过调节电机的转速至额定转速的80%即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2%。

当所需风量从q1减小到q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积h2×q2成正比。 如果采用调速控制方式，风机转速由h1下降到h2，其管网特性并不发生改变。但风机的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点，此时所需轴功率P3与面积hB×q2成正比，从理论上分析，所节约的轴功率Deit（p）与（h2-hB）×（C-B）的面积成正比。 考虑减速后效果下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机类负载通过调节控制节约电可达20%～50%。

2.改造技术方案

在集团公司、宏鑫公司领导的关注及大力支持下，相关部门通过论证，针对引起故障的技术关键问题，制定了相应的四大项目改造技术方案。

一是引进变频技术在宏鑫公司大功率电气设备上进行应用，解决大功率电气设备启动困难及引起全厂电压波动的问题。

二是通过国内外市场调查及价格对比，2009年8月投资10万元，选择国产品牌{HLP}功率400KW/P型柜机一台，以四号炉为目标进行首次改造试验。

三是采录四号炉中频运行时的单位（24小时）平均耗电量，以生产部四号炉320KW罗茨风机电动机为目标进行首次改造试验，以前的主供电电源不变，拆除355KW中频降压启动柜，更换变频启动柜进行调试运行。

四是借鉴首次试验成功的案例，2010年初公司再次投资100多万，对全厂55KW以上的电动机进行了运行方式升级改造。决定选择WIN-PSS-P矢量型节电系统，对3个高炉的355KW的2台，315KW和132KW各1台，合计4台风机进行节能改造。

3.研究过程与结果：

3.1研究过程：

项目改造过程分为以下四个阶段：

一是空载试运行阶段： 频率50HZ，电压380v，主要观察电气设备系统的运行状况及各种技术参数是否正常，一次电流150A，cos?=0.92;时间：24小时，设备运行正常，电动机温度58℃。采录24小时耗电量及系统技术参数。

二是负载试运行阶段：设定频率50HZ，根据高炉需要，关闭放散阀，在满足高炉需风压的前提下（风压350-360水银汞柱），调整频率46HZ，电压380v，一次电流380A，使电机在最佳状态下运行;时间：24小时，温度65℃，并伴有电磁噪音，设备运行正常，采录24小时耗电量及系统技术参数，COS?=0.93。采录24小时耗电量及系统技术参数。

三是超负载试运行阶段：根据高炉故障悬料时需要的风压（400-420水银汞柱）进行冲击试验，试验时间一小时，以便高炉发生悬料故障时设备能满足风压需要，观察记录了重负载时电气系统的工作状态及技术参数。频率50HZ，电压380V，一次电流460A，电动机温度71℃，温度已接近极限，电动机产生尖锐的电磁噪音，其他设备运行正常。采录24小时耗电量及系统技术参数。

四是交付正常运行阶段：变频在通过以上三个试运行阶段后，频率调至43HZ，电压380V，一次电流350A，温度65℃，交付生产部正常运行，观察记录设备的运行状况及单位（24小时）耗电量。COS?=0.92。采录24小时耗电量及系统技术参数。

3.2研究结果

此次变频技术应用改造虽然取得成功，但是出现了变频输出侧产生谐波引起电动机产生电磁噪音的新问题，经论证、谐波具有降低电气系统绝缘程度，产生非正常热量、降低设备使用寿命，污染电网系统。为此，公司再次投资采购了两台500KVA交流电抗器，分别加装在变频器输入、输出侧，解决了谐波污染电源等问题。实践证明，变频技术的应用节能效果非常明显，生产设备运行平稳、正常，即解决了能源浪费的问题，也解决了高炉放散时粉尘对环境的污染，达到了预期目地，经济效益显著，为公司及其他地方工业的节能方面起到了带头应用、示范、推广作用。通过对高炉的大功率电机设施节能技术改造后，使高炉的设备整体能耗下降10%～20%，实现提出的降低生产成本，提高企业的综合竞争力的目标。

4.技术创新点

4.1控制方法应用创新

通过变频调速技术的应用，在罗茨鼓风电动机上安装了400Kw变频器，解决了启动困难的问题，更主要的是关闭了前期用以调节风压的调节阀，根据负载运行工况及高炉最大需风量调整电机转速使风压以达到最佳运行状态，消除了冷风调节阀不间断的噪音，消除了热风系统的煤气放散对环境的污染，通过调频、调压，降低了耗电量，体现了节能效果。

改造前，高炉热风助燃风机通过调整风机进风阀门开度，及调压阀开度来实现风量调节，由人工在控制室根据风量需求，在计算机上进行手动调节，或在风机现场手动调节。采用变频器后，保持进风阀全开，调节阀全关，根据风压和流量的需求，远程手动调节风机转速，系统可随时改变鼓风量，以适应高炉生产的变化，保持风机的正常经济运行，达到稳定控制，方便操作，节约能源的目的。

4.2工艺技术应用创新

在4#变频柜安装了电抗器，在4#炉配电室安装了630KvA变压器，治理了变频器工作时产生的谐波，及谐波带来的负面影响（污染电网，设备高温）。

改造时，拆除配电室原有的自耦降压启动装置，对每一台风机电机配置一套变频节电系统柜，考虑到矿区电网电压的波动范围大，在柜内装设输入电抗器和输出电抗器，在柜门上要求能实现起动、停止、调速、故障复位等功能，并能监视节电系统的频率、电压、电流、转速等信号，以便操作和监视。

4.3设备技术应用创新

利用变频技术根据负载电流的百分比精确选择变压器容量，直接降低了容量费用。四号炉前期用800KVA的变压器，设备启动困难。通过变设备频技术的应用，现已有800KVA更换为630KVA，设备运行正常。由于项目投资大，根据设备工况正确的应用变频技术，以达到预期目标，应用的目地不同、效果也不同。

改造前采用常规运行（减压启动），在条件相同的条件下，由电度表读数得知，320KW电机在常规运行时每小时耗电275KW.h。

改造后经过变频运行新技术配置，320KW电机在变频运行时每小时耗电220KW.h，节电率达20%。变频节能系统的安装，解决了以前自耦降压启动装置起动失败，而且需连续起动多次才能正常运行，并时有烧坏控制柜内低压电气的现象，实现了很好的节电效果。

改造前后电流数据对比：

序号

5.总体性能指标与同类技术比较、技术成熟程度

5.1总体性能指标

由于生产正常时要求供风持续并且稳定，因此风量，风压变化不大，故可通过变频器准确调节风机转速，消除节流损失，同时提高风机的运行效率。虽然由于电动机负载率的下降会使其运行效率降低，但因风机运行功率的下降幅度很大，电动机的损耗也有所减少最终使电动机运行功率大幅下降，从而达到节电的目的。

4套罗茨风机及电机参数如表1所列。表1   风机与电机的参数：

序号

5.2变频技术节电同类技术比较

以1#炉，4#炉现场为例，现场的数据如表2为例。

由表中数据获悉，采用常规运行（中频降压启动）与变频运行，在条件相同的情况下，由电度表读数得知，320KW电机在常规运行时每小时耗电275KW.h，变频运行时为220KW.h，节电率达20%。运行频率43Hz，压力44kpa.为了高炉操作方便，输出频率基本不变，可通过放散阀所留有的余量进行适当的调节。

表1 、高炉风机系统改造前耗电量 （调压阀长期开启，用调压阀手动调节风量及压力）

序号

5.3技术成熟程度

变通过5年的使用、观察、发现变频设备对使用环境要求较高，针对上述问题，公司采取了相应的技术措施;隔离了变频器与电动机的工作环境，采取强制冷却方式保持变频器的工作温度在25℃左右。根据功率需要配置了进、出线电抗器，抑制了谐波频率，加强了设备的点检力度。至今，整改系统的电气设备正常运转率始终保持在98%以上，为生产奠定了坚实的基础。提高了生产效率，节约了大量的维修费用，取得了显著的社会及经济效益。

该项目的成功投运获得到了集团公司领导的肯定，为下一步集团下属各子公司及当地大容量用电企业的节能改造起到示范应用推广、引导作用，使公司在节约型发展的道路上迈出了重要的一步。借鉴四号炉改造的成功案例，已在其它设备上广泛推广，目前已投资100多万元在100KW以上的大、中型电动机上应用，使用效果显著，已具备操作、维修技术水平。

6.推广应用情况

变频器以精确、完善的保护功能，宽幅度的调速范围，操作方便的特点是最理想的调速设备，已被逐渐广泛应用在工艺生产的各个领域，在进行节能改造，改善生产工艺方面发挥了重要作用。 根据前期变频技术改造应用取得的效果及效益，宏鑫公司在变频技术应用方面有了更大的投入，配置320KW电机5台，280KW电机2台，132KW电机2台（以上设备属于连续运行状态），配置了变频器的设备运行正常。平稳、两高一低（高故障.高能耗.低效率）现象消失，节能效果显著，日平均总耗电量比改造前下降5500度。年工作时间以300天计算，一年可节约电量165万度，为公司的发展奠定了基础。

下附2/4#炉中频（表1）与变频（表2）：

24小时耗电量对比表：

表1

7.社会效益、经济效益及分析

7.1社会效益

公司现有110KW以上大、中型电动机17台（其中：355KW2台，320KW5台，280KW2台，132KW4台，110KW4台），合计功率3838KW。其中已进行改造9台，合计功率2424KW，占以上合计功率的63.16%。剩余36.84%正在逐步实施技术改造，预计实施改造后日均节约电量2000度左右。计划到2018年底，将变频技术在110KW以下，22KW以上的60多台电机进行配置，巨大的节能空间将为节约大量的能源，提供更多的就业岗位，创造和谐的社会环境，为地方经济建设做出巨大贡献。

7.2经济效益及分析

至2014年8月，全厂月耗电量由改造前的200万KW.h下降到170万KW.h，取得了理想的节能效果。改造前采用常规运行（减压启动），在条件相同的条件下，由电度表读数得知，320KW电机在常规运行时每小时耗电275KW.h。改造后经过变频运行新技术配置，320KW电机在变频运行时每小时耗电220KW.h。相同的设备，经过新技术配置，运行效果截然不同，耗电量由改造前的3692KWh下降到2681KW.h。不仅如此，在容量利用方面也取得了意想不到的效果，四号炉前期使用的S11-800/10电力变压器由于条件限制，工作温度60℃，高压保护开关经常发生跳闸现象。改造后，由于控制了负载电流，总电流由前期的780A下降到685A，工作温度由60℃下降到40℃。为了合理利用资源，2009年10月，将800KVA变压器更换为630KVA，至今设备运行正常，取得了良好的经济效益。

8.结束语

我国电动机耗电量占总发电量的60%以上，电动机运行效率低于国外先进水平约10-20个百分点，运行效率低下造成的电量浪费相当严重，因此提高电动机运行效率是重要的节能措施，变频调速与高效电动机是可行的两种节能方式。而变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的，宏鑫公司通过变频调速来调节风量、流量，应用效果明显，系统运行可靠平稳，控制灵活方便，保护功能齐全，灵敏度高，不仅节约了能源，同时也降低了设备故障与噪音，节约了大量的维修费用，彻底解决了大功率电动机起动困难的问题。为生产提供强有力的动力，收到了到节能环保的双重效果。

参考文献：

[1]实用电工手册2006年版本，第933页变频技术内容，金盾出版社。

Reference： 1， practical electrician manual 2006 edition， page

[2]国产hLP牌变频器使用手册，上海丹佛斯科技有限公司，电抗器使用说明。

the domestic brand hLP inverter manual， Danfoss Shanghai limite 933rd of frequency conversion technology content， Golden Shield press.d company of science and technology， reactor instructions.

[3]WIN-VA/VC高性能矢量变频器使用说明书，深圳市微能科技有限公司。

WIN-VA/VC high performance vector inverter manual， Shenzhen Micro Technology Co. ltd..

[4]森兰SB-HV系列变频器用户手册，希望森兰科技股份有限公司。

Senlan SB-HV series inverter user manual， hope Senlan Polytron Technologies Inc.

[5]WOS3系列矢量变频器（产品使用手册），美国沃尔森电气有限公司。

2、国产hLP牌变频器使用手册，上海丹佛斯科技有限公司，电抗器使用说明。

3、WIN-VA/VC高性能矢量变频器使用说明书，深圳市微能科技有限公司。

4、森兰SB-HV系列变频器用户手册，希望森兰科技股份有限公司。

5、WOS3系列矢量变频器（产品使用手册），美国沃尔森电气有限公司。

WOS3 series vector frequency converter （manual）， the United States Watson Electric Co. ltd..