电机节能改造技术与意义
[摘 要]：本文着重介绍了目前工矿企业电机使用现状，针对不同电机提出了不同节能修理改造方法，应用效果良好，具有明显的经济效益和社会效益。
[关键词]：电机修理；经济运行；改造意义
一、电机制造与使用现状
目前，我国工矿企业使用的电机大体分为三大类。
{dy}类为20世纪50年代制造、20世纪40年代水平的产品，如J、JO系列及相应水平的产品，约占总量的10%。这些电机采用A级绝缘，体积大、效率低。20世纪50年代建设的工矿企业和20世纪60年代生产的各种主机，如风机、水泵、车床等，均采用此类电机，经多年改造，至今已为数不多。
第二类是20世纪60年代至70年代制造，20世纪50至60年代水平的产品，如J2、JO2系列及其相应水平的产品，约占总量的50％左右。这些电机采用E级绝缘，体积大、效率低、启动性能差。
第三类是20世纪80年代制造，20世纪70年代末和20世纪80年代初的产品，如Y系列电机，占总量40%。这些电机采用B级绝缘，启动性能好、效率也较高。近几年生产的各种主机大多与这类电机配套。
二、电机的节能改造修理
供电质量、机械磨损、绝缘老化等诸多因素会造成电机的损坏。损坏的电机又受主体工艺设备及改造资金的制约不可能全部淘汰更新。这就需要对电机进行修理。在修理过程中，如何达到提高效率、节约能源的目的，我们采取了分类指导、区别对待的原则。具体做法如下。
1．J、JO系列的电机。逐步淘汰，根据实际负荷，选用相应的Y系列电机替代。
2．J2、JO2系列的电机。由于其采用E级绝缘材料，厚度较大。在修理过程中，采用Y系列电机的B级绝缘材料，通过减少绝缘材料的厚度，在保证槽满度的情况下，增加导线的截面积，通过降低定子铜耗提高电机效率。这样改造的电机效率可提高1％左右，而且不需要增加大量的投资。在同样的负载条件下，由于效率的提高，定子绕组的升温相应降低，延长了电机的使用寿命。
3．JO
4．一些大电机。大型电机由于其造价高，在工矿企业中更新替换的难度更大，其大容量、低效率又增加了企业生产成本。在修理过程中，根据大型电机的定子绕组一般为成型绕组、电机槽型为开口槽或半开口槽的特点，采用磁性槽泥或磁性槽楔的方法，通过降低铁损的方法来达到节能改造的目的。这样改造的电机，效率可提高1.5％左右。
三、经济效益
在电机修理过程中对电机进行节能改造，在不增加大量资金的情况下，达到了修理、改造、节能的目的，经济效益显著。我单位电机总容量为8MW，已对其中3MW电机进行了改造，年节约电量30万Kw&S226;h以上，创经济效益10万多元。
四、电机改造技术与实例分析
中国电机拖动系统消耗的电能多达全国总量的2/3，所用电机90%是交流异步电动机，其中风机、泵类拖动电机耗电量约占全国总量的35%，电动机容量约有1.5亿千瓦，拖动轧钢机、矿井提升机、磨机、交通运输机械、机床等生产设备的电动机容量约3亿千瓦，耗电量约占全国总量的30%。变负荷运行的风机、泵类达到总量的70%左右，装机容量近1亿千瓦，年耗电量约3000亿千瓦时，它们是靠闸板或阀门调节流量，以粗略适应负荷的需要，平均浪费20%以上的电能，年达200-300亿元。可见，电机拖动系统节能改造的潜力很大，这项节能改造的实施对中国经济的成长和环境保护都有重要的作用。
电机拖动系统节能改造的目的是使系统实现经济运行，可以采取的技术措施较多，对于变负荷运行的风机、泵类拖动系统，采用电机调速技术取代闸板或阀门调节流量，是一项很好的技术改造措施，既能xx及时的满足负荷变化的需要，又能减少电能消耗，这是因为从理论上讲，风机、泵类的输入功率与其转速的3次方成正比。绝大多数风机、泵类的拖动电机——交流异步电动机的调速方法（技术）很多，对于笼型电动机，变频调速技术是{zh0}的，它可实现无级调速，调速范围宽达{bfb}—5%，调速精度高达±0.5%，又可以实现软启动；对于要求调速范围较小，如{bfb}-80%，调速精度要求不高如±2%的风机、泵类拖动电机，用可控硅调压技术也是很好的，可用较低的初投资，达到节电目的。对于少数在用的高压大容量绕线型转子交流异步电动机拖动的风机、泵类，多采用串级调速技术，也可用双馈调速技术。调速节电效果即节电率大小，主要取决于风机、泵类负荷变化的幅度和频繁程度，而与所使用的调速技术关系很小，负荷变化幅度越大、变化越频繁，节电率越大，反之则小。
示范EMC已经实施约40多个风机、泵类变频调速改造项目，均属低压（0.4千伏）小功率（<250千瓦）变频调速装置，全得到了很好的节能效果，技改投资均可在2-3年收回。我国在用的风机、泵类按装机容量计，大多数的拖动电机是高压（3-6千伏）大容量（>250千瓦）交流异步电机，它们中的大部分尚未进行调速改造，少量已做节能改造者是使用机械调速技术，如液力偶合器等。近一时期，随着电力电子技术和微电子技术的发展，高效高压大功率变频技术和双馈调速技术等均已成熟，设备已成系列，造价也有所下降，示范EMC应抓紧利用这些节能新技术，开发这类项目，做出示范，可以鼓励更多EMC实施这项节能改造。在调速技术与调速设备选型时，要注意其谐波对电网的干扰，要符合GB/T4549-93《电能质量 公用电网谐波》这项国家标准。
资料显示，我国８０％以上的电机产品效率比国外先进水平低２～５个百分点。我国目前广泛应用的Ｙ系列电动机效率平均值为８７．３％；美国高效电动机的效率平均值为９０．３％，该效率水平为美国能源政策法令（ＥＰＡＣＴ法令）所规定的市场准入效率水平；美国超高效电动机是近几年的产品，其效率平均值为９１．７％。有计算表明，如果在２０１２年达到美国超高效率水平，那么我国当年新增电动机的节能潜力为８４．１２亿ｋＷｈ，相当于节约３２０万吨标准煤，约合节约４４９万吨原煤，相当于１．７个１００万ｋＷ电站的发电量。
近日，我国自主研发并获得国家专利的数控励磁调速技术日前在华润水泥企业日产5000吨新型干法水泥生产线2800KW窑尾高温风机上调试成功。该节能改造项目负责人告诉中国水泥网，这是国内首例在2500KW以上高压大功率电机上采用数控励磁调速节能技术，据测算，仅风机改造一项每年就可以为该企业节约电费220余万元。
据悉，此次获得成功应用的数控励磁调速技术是由北京紫御湾科技有限公司自主研发，并拥有xx知识产权的新一代电机节能技术。相对于传统的调速节能技术，新一代数控励磁调速技术更适合6KV以上高压大功率绕线型电机的节能改造，尤其在水泥行业节能效果显著。与传统的电机节能技术相比，该技术对电网不产生高次谐波，并具有高效节能、性能稳定可靠、运行维护方便等特点。从实际应用情况来看，在节能投入、节能效益、对运行环境的要求、设备维护量及维护费用等方面都具有明显优势。记者在采访中还了解到，该技术自2005年起已成功应用在多家水泥企业功率在400KW-2000KW的电机上，两年来运行平稳，节电率在20%—50%之间。
近年来，我国国民经济持续快速增长，但单位GDP能耗一直居高不下，因此，节能减排工作越来越受到国家各级政府的重视。在刚刚结束的十七大上，党中央明确提出要建设和发展生态文明，基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、增长方式、消费模式。有关专家在接受记者采访时表示，我国能源大多是以电能方式消耗的，而在国家总用电量中，有35%-40%是高压电动机消耗的。该专家进一步指出，在水泥、石油、化工、电力、冶金等高耗能行业，大功率电机设备所占的比例较大，因此做好电机设备，特别是大功率电机设备的节能工作无疑成为这些行业乃至全国“节能减排”工作的“重中之重”。数控励磁调速技术在高压大功率电机上的成功运用，标志着我国高耗能企业高耗电的状况有望得到改变，在为高耗能企业带来巨大经济效益的同时，也将产生良好的社会效益！
什么叫变频调速技术，它是一种以改变频率和改变电压来达到调速目的的技术。大家都知道，目前，无论哪种机械调速，都是通过来实现的。从大范围来分，有直流和交流。过去的调速，多数用直流，由于直流机调速容易实现。但直流机固有的缺点：滑环和碳刷要经常拆换，给人们带来太xxx烦。因此有人就想，如果把可靠简单的笼式交流用来调速那该多好！因而就出现了定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速、液力偶和调速等交流调速方式。当然也出现了滑差、绕线式、同步机、这些都是交流。
到20世纪80年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了对交流机来说{zh0}的变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流调速方式，乃至直流调速，而成为电气传动的中枢。因而说变频调速是时代的产物，只有在技术高度发展的今天，才能实现。为什么说它是基于电力电子、微电子、信息技术发展的产物？一是它的逆变部分都基于电流很大、电压很高的 SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT等电力电子器件来完成的。什么叫逆变：就是直流变交流（DC－AC）那么交流变直流就叫整流（AC－DC）。二是它的控制部分和负载状态的检测是由CPU（32位计算机）来完成，这是微电子器件发展的结果。三是内置4－20mA 接口和 RS485 接口可以和仪表、DCS 相接，通过总线Profibus、Interbus 通讯。
调速节能原理从二个方面来说明：
1、风机水泵的节电原理就是用调速控制代替挡风板或节流阀控制风流量，这是一个节电的有效途径。在用档风板控制额定风量Q1={bfb}输出时，则轴功率N1与面积AH1 OQ1成正比，若风量减半Q2 =50%输出时，则轴功率N2与面积BH2 OQ2成正比，它比N1减少不多，这是因为需要克服档风板阻力增大风压所致。如果采用调速控制同样风量减半输出时，转数由n1降至n2，按风机参数比例定律画出n2时的特性曲线，C点为新的工矿点，这时轴功率N2与面积CH3OQ2成正比，在满足同样风量Q2情况下，轴功能降低很多，节省的功率耗损△N与面积BH2H
2、流体力学的观点
流量∝转速，压力∝转速^2，轴功率∝转速^3，若转速下降20%，则功率下降到51.2% ；若转速下降50%，则轴功率下降到12.5% ，即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。
为此，许多行业、如钢铁、有色、石油、石化、化工、纺织、机械、电力、建材、医药、煤炭、造纸、卷烟、酒店、自来水等行业都在许多设备中采用交流变频调速技术，产生节电及增产的效果，下面举几个例子：
实例 1、空调类负载
家庭用空调只有0.5HP、1HP、2HP、3HP等，而工厂和宾馆的空调容量要大的多，节电明显。
北京丽都假日饭店动力中心是一个集中供冷、供热的工厂，安装有 20吨/小时蒸汽锅炉3台，300万大卡溴化锂制冷机4台，负责动力厂周围的丽都假日饭店、燕翔饭店、新万寿宾馆、国际学校、日本学校、德国学校及丽都饭店宿舍、托儿所、公园等涉外饭店、宾馆、公寓、学校的供热、供冷，供热面积30万平方米、供冷面积20万平方米。91年，对水泵制冷机、引风机采用变频控制，节电明显，一般在30～60%，年节电17.5万KW，优于其他调速方式。广州市鸣泉居度假村在冷热水、喷泉等设施上采用了变频调速控制，节电效果非常好。我们深圳市的东华假日酒店的空调也采用了变频调速，节电显著、房间温度适度。
实例 2、泵类负载
泵类负载，量大面广，包括水泵、油泵、化工泵、泥浆泵、沙泵等，有低压中小容量，也有高压大容量。
茂名石化公司炼油厂从1990年开始先后在蒸馏、裂解、加氢、糠醛、酮笨等20多条生产线上使用161台变频调速装置。变频器总功率达8091KW。1990年10月至1992年2月对其中30台泵进行测试，在同等工艺下，采用调节阀控制耗电999.9KW，而采用变频调速电耗为396.7KW，节电603.2KW,节电率60.3%。采用变频控制时，和泵的转数下降，轴承等机械部件磨损减低，泵端密封系统不易损坏，故障率降低，维修工作量大为减少。94年后，该厂又采用了14套6KV大容量变频装置，节电40%到70%。
实例 3、电梯高架游览车类负载
由于电梯是载人工具，要求拖动系统可靠，又要频繁的加减速和正反转，电梯动态特性和可靠性的提高，便增加了电梯乘坐的安全感、舒适感和效率。过去电梯调速直流居多，近几年逐渐转为交流变频调速，无论是日本，还是德国。我国不少电梯厂都争先恐后的用变频调速来装备电梯。如上海三菱、广州日立、青岛富士、天津奥的斯均采用交流变频调速。不少原来生产的电梯也进行变频改造。
许多人坐过深圳世界之窗的单轨高架游览车，该车行驶中频繁起动、停车、上坡、下坡，并要求起停平稳，车速恒定。由于是载人车，运行必须安全可靠，常年日晒雨淋，环境恶劣。以往要求调速性能高的传动装置，多采用带测速反馈的矢量控制系统，价格较高。为了降低价格，并维修方便，我们采用了通用型变频器转矩矢量控制方式，成功解决了起动 /加速、停车/减速、恒速/变速行驶等，并防止了“下滑”、“冲站”现象的产生，达到了安全可靠，用户非常满意。这次改造是由我们深圳华能电子有限公司完成的。
案例 4、搅拌机类负载
化工、医药行业搅拌机非常之多，采用变频调速取代其他调速方式，好处特多。
东北制药厂氢化发酵岗位共有 8台6.5吨发酵罐，功率为18.5KW，原为调速，如遇搅拌速度变化需拆卸三角，既笨重又不安全。改用变频调速后，年节电8.6万KW，发酵过程明显好转，提高了产品质量，减少了维修，仅减少三角带费用就节省3万元，减少了工人劳动强度，有益于工厂，有益于工人。又如：石家庄华曙制药厂用10套315KW变频器拖动搅拌机在制药工艺中生产土霉素。
实例 5 、注塑机类负载
注塑机是塑料加工成型的关键设备，数量多，耗电大。过去的节电方式多为通过△型转换 Y 型（星型）来节电的，效果一般。采用变频器调速不改变注塑机原来的结构，控制油泵几个过程的压力或流量（如锁模、合模、射胶、保压、脱模、退模等），可节电20%～52%，较好的取代过去的比例阀节流调速方式，大幅度降低能耗，珠三角的不少注塑厂都进行了变频改造。改造注塑机时，要注意合模加速，否则产量降低；注意输入端和输出端的谐波干扰。
实例 6 、污水处理等环保类负载
环境保护越来越被重视，它关系到人类赖以生存的环境，连申奥也有环境指标。于是乎清洁能源、绿色城市均出现了。变频调速可用在三个方面的环保类负载。一是工业污水处理，二是垃圾电厂，三是工业排烟、排气、除尘的控制。如广州炼油厂，改用曝气机污水处理的搅拌设备，采用笼式变频调速后，提高产品可靠性，节电40%以上，同时提高了活性污泥微生物群的寿命，提高了污水处理的效果。再如佛山垃圾电厂在工艺中选用52台变频器。可见变频调速已成为环境保护的主要设备。中国石化总公司制定一个熄灭火炬（主要指大炼油厂的可烧气体）计划，即是把可燃气体输送到用变频调速的压缩机柜回收。
实例7、音乐喷泉类负载
非常招揽游人的音乐喷泉，其水的高低和量的大小是靠变频控制的。亚洲喷水{zg}的广东河源市音乐喷泉和规模很大的山东济南泉城广场音乐喷泉均属于此，即节电又效果颇佳，在施工音乐喷泉时，要注意变频器谐波对控制系统的干扰。
实例 8、卷烟机类负载
卷烟行业过去进口的卷烟机，不论莫林8、还是莫林10，均非无级调速。因而，在卷烟行业主要是解决无级调速和可靠性问题，技术简单，变频器用法简单，收效极大。
昭通卷烟厂十九台进口的格兰特4卷接包装联合机组采用变频调速后，日增产香烟200 箱，200箱香烟的利税相当19台变频器的价格，即{yt}收回投资。因而，卷烟机改造迅速，受益很大。现在国产的烟机大部分都装备了变频调速功能。
实例 9 、大型窑炉煅烧类负载
冶金、建材、烧碱等大型工业转窑（转炉）以前大部分采用直流、整流子、滑差、串极调速。由于这些调速方式或有滑环、或效率低，近年来，不少单位采用交流变频控制，效果很好。
株州冶炼厂锌浸出渣挥发回转窑是回收锌的主体设备，共有三台。窑外径
实例 10 、吊车、翻斗车类负载
吊车、翻斗车等负载转矩大且要平稳，正反频繁且要可靠。变频装置控制吊车、翻斗车满足这些要求。
独子山石化厂酮苯车间为三台过滤器的安装而设置一台20吨桥式起重机，工艺要求防爆，采用防爆笼型。原生产的吊车主钩、辅钩、大车、小车无调速功能，不能定位。力矩小，吊起物体下滑，无法吊装19吨重的过滤器机座，使该车间晚开工一年多，损失千万元。91年7月采用变频调速加制动功能，使主钩、辅钩、大车、小车五台由一台变频器控制，效果很好。过载试验吊起22吨，很快把3台各重40吨的过滤机安装在
码头港机、车站龙门吊、货场堆取料机等都可以采用变频调速装置，以达到可靠、平稳、节电、少维修的目的。
变频调速装置，除节电显著外，还是某些生产工艺中必需的设备。
变频调速除节电外，还有增产、降耗、优质的效果。由于它具有体积些重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便等优点，深受使用人员欢迎，变频调速确是节能、降耗、优质、高产的理想设备，是迈入21世纪的首要的传动技术，利国利民。
五、电机节能改造带来的效益
中国的电能以火电为主，而火电燃料中煤炭占到75%，所以，这条项目线实施获得的环境效益是按照节约煤炭的折算量计量，虽然比直接节约煤炭燃烧污染物减排量稍小，但仍可减排大量温室气体CO2，有益于缓解全球气候变暖，还可以减排大量酸雨气体SO2和总悬浮颗粒物，可以改善地区的生态环境。
对以高耗能电机为主要产品的企业来说，日子开始变得越来越艰难。一个月后开始实施《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》标准意味着只有达到相关节能标准的电机企业才能拿到市场的通行证。这项强制性标准规定了中小型三相异步电动机的能效等级、能效限定值、目标能效限定值、节能评价值和试验方法。
调查了解到，目前中国电动机消耗的电量约占全国用电量的６０％，而中小型电动机占到全国电动机功率的７５％，若把中小型电动机的效率平均提高一个百分点，一年可节电２０多亿ｋＷｈ。由此可见，电动机的节能潜力巨大，提高中小型电动机的能源效率是工业终端设备节能的一个重要方面。
除此之外，电动机能效水平的提高所带来的电能节约还可以大大减少温室气体的排放，因此电动机节能工作对于环境和自然资源的保护将发挥重要的作用。平均每三年举办一次的全球电机系统能效论坛{dy}次把会议的地点选在中国，表明了中国电机产品耗能问题正在引起世界的关注。第五届全球电机系统能效论坛（ＥＥＭＯＤＳ）给笔者提供的资料显示，如果在２０２０年全部使用高效电动机，我国每年可以减少向大气排放２．６亿吨ＣＯ２，７８．９万吨ＳＯ２。电动机能效水平的提高不仅能够带来电能的节约，还可以提升电动机制造厂商的产品竞争力，扩大出口，促进电动机行业的发展；推动技术与装备的科技进步，拉动国民经济的增长。
有关专家透露，在这样的形式下，中国的电机生产企业必须要了解到关于提高能源利用效率的更多知识及其行业的发展方向。在我国，电动机系统是一个面广量大的应用产业。其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的１０．４％、２０．９％、９．４％和６％。从全球范围看，电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的７０％左右。因此，电机系统效率的提高，对节约电能意义十分
总之，企业实施节能改进,不仅可以降低能耗成本,而且有助于缓解政府能源供应和建设压力,对减少废气污染保护环境也有巨大的现实意义。
[参考文献]：
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[5]数控技术/杜君文，邓广敏/天津天津大学出版社2002
