电机系统节能技术在散状物料输送设备上的应用

2018-09-14湖南泰富重工制造有限公司

大众用电 2018年2期

● 湖南·泰富重工制造有限公司段能龙乐

散状物料输送设备（通常是指装卸船机、斗轮机、带式运输机、门机等）使用的电机功率大、数量多，如何对其电机系统的节能降耗一直是各大港口码头、钢铁、火力发电、冶金、水泥等行业及国家的重要关注点。

1 电机系统的拖动模型

散状物料输送设备上电机系统的传统拖动模型通常为：电源（变压器）→配电→电机控制装置（断路器、接触器、热继电器等）→驱动电机→联轴器→减速箱→传动轴→执行机构。现实中，很多电机系统过大考虑了安全余量,致使它们经常处于轻载下运行,这种“大马拉小车”的情况致使电机系统的效率低下，造成了巨大的能源浪费。如能对电机系统的电源、电机控制装置、驱动电机这3个环节进行节能控制，提升电机系统的效率，其节电量是非常可观的。

2 电机电源节能分析与措施

电机系统的电源一般为变压器，它贯穿于电力系统的发、输、变、配、用电各个环节。一般说来，在电压变换过程中变压器必然产生有功和无功损耗。

（1）变压器损耗包括铁耗和铜耗。铁耗与铁芯的材质有关，与负荷大小无关，其值基本上是固定的；铜耗与变压器的负载密切相关，近似与负荷电流的平方成正比。

（2）变压器的损耗包括有功损耗与无功损耗。变压器的有功损耗计算公式如下：

式中：ΔP-变压器有功损耗（kW）；Po－变压器空载损耗（kW），KT－变压器负载波动损耗系数（不同类型的变压器不同），β－变压器负载率，Pk－变压器额定功率负载损耗（kW）。

变压器的无功损耗计算公式如下：

式中：ΔQ－变压器无功损耗，QO－变压器空载励磁功率（kvar），KT－变压器负载波动损耗系数（不同类型的变压器不同），β－变压器平均负载率，Qk－变压器额定负载漏磁功率（kvar）。

式中：ΔW－正常工作日变压器损耗电能（kWh），W1－正常工作日变压器输入电能（kWh）。

（4）变压器的经济运行。设计中应考虑合适的负载率，当β=50%时变压器的能耗最小。根据《变压器允许过负荷系数的负荷率最大负荷持续时间关系曲线》可求得变压器的过负荷系数；在确定变压器容量时，综合考虑变压器的安装费，配电柜费用以及运营成本，负荷固定，不再考虑变压器运行当中应预留的使用余量，按85%左右的负荷率选择变压器。

（5）综上分析，电机电源环节节能措施有：采用高效变压器（采用节能型变压器）；合理选择变压器容量，减小轻载运行现象；提高变压器输出负荷的功率因数（二次侧加装无功补偿装置）；考虑到其他综合因数，按85%左右的负荷率选择变压器。

（3）变压器的电能利用率公式计算：

3 电机控制装置节能分析与措施

通过电机控制装置实现节能是电机系统节能的另一种方式。

电机输出功率公式：

式中：P-电机输出功率（kW），T-电机输出转矩（N*m），n-电机转速（r/min）。

可见电机拖动负载的功率可以用电机的转速和转矩的乘积来表示；通过降低电机转速来节能的实质是电动机根据负载的实际需要提供机械负载，消除不必要浪费，这是电机节能最重要的一环。

对于异步电机通过调速达到节能目的方法很多。老方法有：改星形-三角形、永磁、调压调速、串电阻调速等。新方法有：软启动、变频调速等，在各种调速节能中，变频调速是异步电动机调速效果最好、最成熟、最有发展前途的节能技术，最高节电效率可达40%左右，节能效果显著，且利用变频器节能与高效节能电机技术可以同时运用，并不冲突。且变频器应具有抑制高次谐波的措施，自身输出负载的功率因数可达到大于0.95。

根据行业统计数据，在不更换驱动电机的情况下，采用变频速度就可取得平均节电30%的效果。从调速效果看，变频调速技术也是最好的，它的调速范围最宽，可达到5%～100%，调速精度最高，因此在节能水平、可操作性上，变频调速技术都具备非常好的推广基础。另外，特别是交流四象限变频器，当电机处于发电状态时，能将电机产生的电量回馈到电网，达到节能的目的。

4 驱动电机节能分析与措施

（1）电机的效率是指电机的有功输出功率与有功输入功率之比。对一台电机而言，它的效率值高低直接取决于其负载率；当负载率低于40%时，电机效率迅速下降；当负载率为75%左右时，电机的运行效率最高，所以将70%～80%的负载率称为有功经济负载率。

（2）电机的功率因数是指电机输入端的有功功率与视在功率比，对一台特定的电动机而言，其功率因数的大小与电机的负载率有关。当电机空载时，功率因数很低，仅0.1～0.2，随着负载率增加，功率因数也增大，当负载率在80%以上达到额定负载时，功率因数达到最佳；因此，应尽量避免电机在轻载状态下运行。

（3）不同电机效率、功率因数也不同；通常，同容量的鼠笼式电机的效率、功率因数均比绕线式电机高；转速高的电机其效率、功率因数比转速低的高；同一系列的电机容量大的效率、功率因数比小容量的电机高。因此，要使电机处于经济运行状态，必须合理选择电机的类型、容量，使之与负载机械特性相匹配，运行效率最高。

（4）选用节能型电机。Y、Y2、Y3系列电机是国内目前先进的三相异步电动机新系列产品，其优点是效率高、节能、起动性能好；合理选用电动机类型。散状物料输送设备的电机均要求能24小时运行，需要选择Y2、Y3系列高效率的三相异步电机。与Y系列相比，效率平均提高3%，损耗降低20%～30%，长期运行，经济性好；合理选用电机的额定容量。避免“负荷过低,大马拉小车”现象，电机70%～80%的功率匹配机械负载；有条件的用户，对电机采取合适、正确的无功补偿；一般采用就地补偿方式，即在电机附近设置电容器，随电机一起投入运行或退出。