电厂电动机节能降耗技术分析

湛江电力有限公司 刘伯平

引言

电厂运行过程中异步电动机应用较广泛，该电动机性能好、结构轻便、成本较低，可提供动力能源，发挥着积极作用。实际生产过程中电动机电力消耗量大，资源浪费较严重。根据现有资料，我国中小型异步电动机用电负荷在整个电网负荷中占比超过80%，在主要电网中电动机的电能消耗量在电厂总用电量中不低于50%[1]。当前电动机生产设计时更注重其安全余量，导致所设计的电动机安全余量很多，但实际应用时电动机的空载和轻载现象较严重，电动机负荷较小、运行效率低，电力能源浪费现象严重。

1 电动机选型和改造

根据《三相异步电动机经济运行》规定的电动机选型和经济要求开展为电动机节能降耗改造工作。

1.1 电动机选型

选择节能电动机。电动机效率由有效输出功率和输入功率所决定，其节能过程即为效率提高过程。电动机效率计算公式：η=P2/P1×100%=(1-ΔP) ×100%，其中：P2为输出功率，P1为吸收电功率，ΔP为损耗功率。从该公式中可发现，电动机节能重点在于减少电动机的能量转换损耗功率。而电动机损耗功率包括：ΔP=PCu1+PCu2+PFe+Pad+ Pmcc+PwcP，该公式代表电动机损耗受到定子绕组、转子绕组、铁芯、杂散以及机械摩擦、通风等损耗决定[2]。

由此可得到电动机损耗内容包括：减少杂散损耗。科学设计电动机的齿槽关系及气隙部件，并采用合理制造工艺减少磁场畸变现象；减少发热损耗。优化配置电动机中的电、磁能量，使用节能绕组材质，使用损耗和磁性能相匹配的铁芯并扩大铜面积；减少通风损耗。提升热传导效率并增强自然对流散热能力，减少通风量的需求；减少机械摩擦损耗，科学设计轴承和润滑部分。

选择高效电动机。主要指高效三相异步电动机，其效率水平符合电动机能效标准要求。根据国家对电动机能效的规定，电厂在选用高效电动机时需考虑新项目所需新电动机的要求，并考虑旧电动机损耗时重绕，考虑电动机长时间在低负载状态下对电动机的更新。

合理选择额定容量。根据国家标准要求三相异步电动机运行区域包括：负载率处于70～100%范围内是经济运行区域；负载率处于40%～70%范围内是一般运行区域；负载率处于低于40%范围内是非经济运行区域。电动机经济运行水平由电动机效率和功率因数所确定，其与负载率有着直接关系。若是电动机容量大，尽管可保证电动机运行安全稳定，但会增加投资成本，同时也会降低电动机功率因数及运行效率，导致电能浪费。要想同时满足电动机运行和节能减排要求需控制好电动机负载率，使其处于60～100%范围内。

1.2 设计启动运行方案

一方面，合理设计大中型电动机启动方案可挖掘其节能降耗潜力，如选择全压直接启动方式需电力系统容量足够，但实际运行过程中的电力系统负载率并不高，导致供电效率受到影响，而选择直接启动方式会导致电机被烧或对电网设备运行产生影响，因此为减少电机启动次数导致电动机空转情况下并未停车，造成电能资源浪费[3]。这种电机可选择YQT型液体启动调速器启动方式，不仅可优化电动机启动性能、也能降低电网容量要求，有效节约电力能源和一次性投资。

另一方面，大型火电发电厂在选择大型高炉风机和短时满载运行但长期轻载运行过程中的电动机时，需考虑其调速运行方案，因此一般选择异步电动机，并搭配了经济性的YQT水电阻调速运行方案，这种调节风门方式配置具有明显节能效果。

1.3 老式电动机节能改造

本研究针对老式电动机节能改造提出两种方案：更换外风道冷却风扇。电动机采用节能型外风扇，不同型号电动机选用的是对应型号节能型风扇产品，一般用于单方向运行2极电动机和4极电动机中，经改造后电动运行效率可提高约1.3～2.5%。另外也可选择使用轴流式机翼风扇，并在电动机上装置风罩，增加风扇压差浮力，加速电动机运行的同时降低电能消耗，减少运行阻力和风扇噪声，提高降温能力；改造原槽楔。选择磁性槽楔改造电动机，其可减少铁芯损耗及附加损耗，提高电能运行效率，而启动转矩可降低电能损耗约10～20%，因此一般应用在空载启动或轻载启动状态下的电动机中。

2 无功补偿

2.1 感性负载

三相异步电动机在运行过程中会消耗有功功率、无功功率，前者是电动机机械转矩及驱动负载中所需功率，随着负载增多电流也会提升；后者是在电动机的电源和磁场应用，随电源频率变化功率也会产生变化，电源与负载的持续运行需消耗一些功率。负载影响下无功电流并不会产生较大变化，同时相位层面电流变化与电压90°的电流变化相比更为滞后，即为纯电感性质。电动机运行时，有功和无功电流的矢量和就是电源为电动机所供给的总电流，在此过程中电动机满负荷下的有功电流高于无功电流，但总电流功率因数较高，电动机负载下降情况时的有功电流随之降低且无功电流不变，但总电流功率因数较低。

2.2 无功功率就地补偿

对于供电路径较远的电动机，可在电动机周边安装就地补偿装置，其直接连接电动机的补偿方式即为无功功率就地补偿，也就是个别补偿。笼式电动机补偿方式为并联电容就地补偿，绕线式电动机采用的是SPM型智能化静止相机就地补偿方式。该补偿方式可减少电力系统线损，挖掘供电潜力，提高电动机回收率。

电容负载时，超前无功电流与电感负载中的滞后无功电流彼此补充，此时电机电源终端并联构成了一定容量电容器，其可为电机供给无功电流，减少输配电电线所产生的总电流，降低电线中的损耗。电机正常运行下的线路可输送恒定有功功率，此时就地补偿电动机无功功率为Q2、视在功率则为S2，因此就地并联安装完无功电容量（QC=Q1-Q2）后的电机所吸收的无功功率会从Q1降至Q2，视在功率从S2降至S1，功率因数有所提升。总之，无功功率得到就地补偿后即为降低线路所输送的视在功率，进而达到电力节能目的。

3 变频调速

3.1 软启动节能

变频器利用电力半导体元件所具有的通断功能使工频电源转换为电能控制装置，实现软启动且变频调速交流异步电机，并改变功率因数。电机在进行直接启动或Y/D启动时所需电流是额定电流的4～7倍，这种电流对机电设备和供电电网产生巨大冲击，同时需较大电网容量，而由于启动时的电流、振动较大，因此会严重损害挡板和阀门，也会缩短设备和管理寿命。变频器在电动机中的应用主要通过软启动功能实现从零启动，所需电流最大数值限定为额定电流，这样才能降低启动电流对电网的冲击，符合供电容量标准，有效节约电动机启动电能，延长阀门及设备使用寿命。

3.2 调速节能

从流体力学角度可得到P=QH，此时水泵效率一定的情况下随着流量下降，水泵转速也会随之下降，输出功率呈立方速度下降，即水泵电机耗电功率与转速呈立方比。一般变频器实际运行效率为93%左右，加上相应的冷却装置的投入大约耗能为电动机的额定负荷有功功率的5%左右，两者相加的总损耗根据不同的工况损耗约在12%左右，因此综合计算一般的水泵在不同的负荷工况下，其综合节能约为25%左右，变频器在水泵风机领域应用具有明显的节能效果。

YQT型液体启动调速器可作为负荷启动器使用，相对于变频调速和可控硅串级调速而言更加经济实用，维护工作也比较简单，尽管调速时效不高但cos数值较高，同时全速运行时的效率超过变频运行时的效率，但是价格相对于变频更低、值得推广，一般应用在水泵、风机和空压机设备调速节能运行中。

无刷双馈变频调速电机。高压变频器价格高、控制系统复杂，导致其推广应用受到影响，因此为加大推广需降低调速系统成本，由此基于HUNT电机提出一种无刷双馈变频调速电机，通过样机试验所得节能效果较好。该电机类似于转子接串调或是双馈调速装置绕线式电机，其只需使用小容量变频器即可调速控制大功率电机，尤其适合应用在大功率风机及水泵类负载调速节能中。

该电机具有绕线式异步电机特征，其并无电刷和滑环，原型机也就是二电机级联系统，该系统可将两转子软组联接起来。而所联接的两台电机中，第一台的定子绕组与电网相连接并在其中输入功率，利用转子所输入的功率传输至第二台电机中的定子绕组中，而第二台电机中的定子绕组也就是控制绕组，联接串联装置或是双馈装置，可以达到调速目的（图1）。

图1 电机运行原理图

无刷双馈变频调速电机中包括定子、笼型转子、公共磁路等部件，其中定子中的绕组有两套，其中一组为功率绕组并与三相电网连接，另一组为控制绕组并与变频装置连接。该电机中的绕组极对数在确定下，通过对绕组变频器输出频率的调整实现电动机无级调速，但调速范围由极对数、二套电源输出频率所决定，转速计算公式为：n=60(fp+fq)/(p+q)(r/min)。从中可得到，通过电源旋转磁场和变频器输出磁场方向不同做到双向调速，可扩大调速区域、缩小变频器容量。同时，电源频率为50Hz时只需变频器输出一定频率即可确定电动机转速，并提高调速精确性。

4 结语

在电厂应用无刷双馈变频调速电机可降低成本、精确转速控制，但启动性差，利用感应启动器启动并不适用于任何场所。但相对于其他调速器而言，无刷双馈变频调速电机性能较优越，其可合理结合变频器技术和电机结构改造实现一体化控制，不仅能够降低调速成本、也能够避免有刷调速，具有交流调速发展前景。