电机系统节能技术与管理.docx

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工业节能法规与标准概况中国标准化研究院赵跃进一、提高电机系统效率的意义为什么要提升电机系统能效？ l 工业用电占全社会用电量的70%以上； l 工业用电机用电占工业用电量75%； l 工业电机提高1%，年节电量260亿kWh; l 电机系统提高5-8%，年节电1300-2300亿kWh。 l 电机系统提高潜力15%-25%。77% 76% 工业占总电力消耗比例% 75% 74% 73% 72% 71% 70% 69% 2001 2002 2003 2004 2005 2006 68% 40000 35000 工业电力消耗量亿kWh 30000 25000 20000 15000 10000 5000 2009 2010 2011 2012 0 年 2007 2008 二、电机系统的概念 1. 电机系统的概念电机系统是由控制装置、电动机、转动装置、被拖动装置和管网等设备根据不同需求组成，将电能转化为机械能或功的设备总体。在工业领域，最常见的是泵、风机和空压机三大系统，并消耗了工业一半以上的耗电量。二、电机系统的概念 v 电机机组和系统的范围控制装置传动电动机泵管网控制装置传动电动机风机管网控制装置传动电动机空压机管网工作场所机组电机系统三、影响电机系统效率的因素 1. 影响电机系统运行效率和节能效果的因素：技术因素管理因素电力供应：电压稳定性、三相平衡度、谐波含量、功率因数等；系统装备：控制技术、设备能耗、设备匹配、设备产能、设备状况等；生产管理：生产调度、生产质量、生产负荷等; 能源统计：计量器具、统计范围、统计方法、计算方法等. 三、影响电机系统效率的因素 2. 电源问题影响电机运行的程度：电源对电电力供机影响程应的影度响度电压降低10% 不平衡度3% 电流总损耗增加11.7%，效率下降1.2%,定子电流增加4.1%。启动转矩降低19%，功率因数降低1%。频率降低10% 电流总损耗增加9.5%，输出功率降低 30%，效率下降2.5%，功率因数降低 8.4%。电流总损耗增加12%，效率下降1.4%。三、影响电机系统效率的因素 3. 电动机能效水平能效水平国际水平能效等级(GB 18613) 90kW 2极 1级 2级（节能值） 3级（限定值）水平1 IE4 96.2% 水平2 IE3（NEMA) 95.2% 水平3 IE2 94.2% 水平4 IE1 93.9% 2002版 2006版 201 2版三、影响电机系统效率的因素 4. 电机的工作制式（运行状态）： β β t 连续工作制S1 t 短时工作制S2 β β 停停 t t 断续周期工作制S3 起动断续工作制S4 三、影响电机系统效率的因素 β β 额定功率空载空载 t 连续周期工作制S6 t 长周期工作制额定功率 β t 非周期工作制三、影响电机系统效率的因素不调速电动机的选用类型的选择额定功率的选择负载经常变化 Ø 中小容量的机械负载，当起动、制动比较频繁，要求起动、制动转矩较大时，应选用堵转转矩大、堵转电流较小的笼型三相异步电动机； Ø 在堵转转矩不能满足要求时，可选用高转差式三相异步电动机或绕线转子三相异步电动机。 Ø 应使电动机的平均负载率不低于60%。平均负载率低于50%时，在改建和扩建设计中应更换成较小额定功率的电动机。 Ø 额定功率大于250 kW时，宜优先选用高压三相交流电动机。 Ø 连续运行、稳定负载时，宜使其长期运行在75%负载率。 Ø 对于负载经常变化的电动机，可采用合适的节电装置，实现经济运行。 Ø对于拖动风机、泵、压缩机的高压大功率电动机，当在技术经济上合理时，宜选用三相同步电动机 Ø 对于长期在低负载下运行的中小型电机，宜选用永磁电动机。 Ø 对于变工况连续的工作，应求出平均等效功率，电动机的额定功率应大于等效功率，并应对起动性能和过载能力进行校核。 Ø 对于短时或断续的工作，宜选用相应工作制的电动机，并使电动机额定功率略大于负载的功率。也可选用连续工作制电动机来替代，电动机的额定功率应略大于等效功率，并应对电动机的起动和过载能力进行校核。三、影响电机系统效率的因素调速电动机的选用类型的选择额定功率的选择 Ø 电动机的结构和性能应适合于变速运行要求。 Ø 在采用变频调速装置进行调速时，应选择适合于变频调速装置供电的电动机 Ø 在采用内反馈串级调速装置进行调速时，应采用定子有两套绕组的绕线转子三相异步电动机。 Ø 机械负载只要求有两种或三种转速时，可采用双速或三速三相异步电动机。 Ø 在对起动、制动和过载能力没有特殊要求的负载时，电动机的额定功率应等于或略大于负载轴功率 Ø 对于频繁起动、制动，或者要求有较高短时过载能力的负载，应在满足最大转矩和起动转矩要求的前提下，选择电动机的额定功率。一般宜使电动机的额定功率大于负载轴功率。匹配要求变极电动机宜采用全压起动。变频器选型原则绕线转子三相异步电动机应选用适当的起动设备。三、影响电机系统效率的因素调速方式和控制方法双速三相笼型异步电动机。空压机适用条件其他调速方式应通过技术经济分析比较后选用。对于低压380 V， 660 V供电的风机、泵负载，可采用开关磁阻电动机调速，其特点是起动转矩大，起动电流小。对于额定电压为6 kV、10 kV，功率较大的场合，可选用串级调速方式。变频调速变极调速串级调速开关磁阻调速耦合器及其他风机、泵适用条件多速三相笼型异步电动机。调速控制方式三、影响电机系统效率的因素变频调速风机、泵适用条件风机、泵的运行工况点偏离高效区，通过调速可使运行工况点再进入高效区。压力、流量变化幅度较大，运行时间长的系统。中、低流量变化类型的流量变化幅度≥30%、变化工况时间率≥40%、年运行时间≥3000 h；流量变化幅度≥20%、变化工况时间率≥30%、年运行时间≥4000 h；流量变化幅度≥10%、变化工况时间率≥30%、年运行时间≥5000 h。空压机适用条件对于长时间处于变负载运行的螺杆式空气压缩机，宜采用变频调速。电压为380 V、660 V三相异步电动机，应采用低压“交直交”电压源变频器。变频器选型原则电压为1140 V或3000 V三相异步电动机，宜采用二极管钳位式三电平变频器。电压为6 kV、10 kV三相异步电动机，宜采用串联H桥高压变频器匹配要求电压为6 kV、10 kV三相同步电动。机，宜采用电流型晶闸管逆变器。调速控制方式三、影响电机系统效率的因素变频器额定电流应大于电动机实际运行最大电流。拖动离心风机、离心泵的普通电动机，其额定电流应与变频器输出额定电流相符。对于其他负载，如深水泵，则应根据负载特性确定其最大电流和过载能力。电流匹配变频器输出额定电压与电动机额定电压相符。电压匹配空压机适用条件风机、泵适用条件变频调速应适当增大变频器容量或在变频器输出端加装电抗器。远距离安装对于要求有较大的起动转矩和加速转矩时，宜采用矢量控制方式或直接转矩控制。转矩匹配变电压变频率控制变频器选型原则匹配要求在一般工况下，可采用变电压变频率控制，利用脉宽调制技术改变变频器输出电压和频率。采用不同的压频比提升电动机的输出转矩，满足起动的要求。矢量控制调速控制方式当负载为短时工作制，且要求快速起动，宜采用矢量控制方式。直接转矩控制当负载为短时工作制，要求快速起动，也可采用直接转矩控制。三、影响电机系统效率的因素 v 设备效率对系统效率的影响 PR ηC 管网 η PY G 传动器开关 η 电源 ηD K ηB h= PY = h ´ h ´ h ´ h ´ h P K D C S G R 电机效率电机效率提高率系统效率系统效率提高率系统效率系统效率提高率 IE1 93 66.85 69.97 IE2能效3级 94.2 1.29% 67.71 1.29% 70.88 6.03% IE3能效2级 95.2 1.06% 68.43 1.06% 71.63 5.79% IE4能效1级 96.2 1.05% 69.15 1.05% 72.38 5.77% 只更换电机的系统效果综合改造的系统效果皮带转动改连接器，3级泵该2级泵。控制装置电机泵三、影响电机系统效率的因素 v 负载率对系统效率的影响： h cosj1 1 电机性能曲线 h = f ( P2 ) 负载率电机效率风机效率系统效率% 效率提高率 20% 46% 58% 24.84% 30% 60% 67% 37.43% 50.7% 40% 72% 77% 51.61% 37.9% 50% 79% 78% 57.37% 11.2% 60% 85% 81% 64.10% 11.7% 70% 88% 82.50% 67.59% 5.4% 80% 90.50% 81% 68.25% 1.0% 90% 91% 72% 61% -10.6% 100% 90% 61% 56.98% -6.6% cosj = f (P ) 1 2 p, P, η 风机性能曲线 0 PN P2 P-qV η-qV p-qV 风机机组效率曲线 O qV 80% 60% 40% 20% 0% 0 50 100 三、影响电机系统效率的因素 v 负载率引起电机系统效率低的主要问题： Ø 大马拉小车； Ø 电机与被拖动设备效率曲线不匹配； Ø 偶尔在高负载下运行，长期运行在低负载状态。 v 改造措施： Ø 更换小功率电机、变频器、耦合器、变极调速、变压等； Ø 更换电机或被拖动设备； Ø 更换永磁电机、绕线转子电机等。三、影响电机系统效率的因素 v 耗能企业在管理上存在的问题： 11 只关注技术节能C的li应ck用t，o而ad忽d视T管it理le节能的实施。 22 重点耗能企业缺Cl乏ic对k 管to理a节d能d 的Ti意tle识和知识。 3 由于缺乏管理，Cl一ic些k 节to能a技d术d 和Ti设tle备并没有发挥应有的效果。 2 4 我国节能技术改Cl造ic和k新to节a能d技d 术Ti的tle应用缺乏系统性，其节能效果有限。 51 我国缺少鼓励重C点lic耗k能to企业ad提d高T节itl能e管理的政策。四、电机系统节能方式 3. 电机系统的技术节能 1 采用高效节能设备技术节能方法 2 采用智能化控制装置 3 采用变频、变极等调速装置 4 采用在线监测装置 5 采用节能效果评估及核算应用软件三、电机系统节能方式 v 变频器产生的节能效果： 16 50 14 机组输入功率(kW) 频率（Hz） 12 48 10 工频机组 8 6 4 2 变频机组 46 变频器输出频率 44 42 -2 0 2 4 6 8 10 12 机组输出功率（kW）四、电机系统节能方式 v 改造案例： 1号小洗液泵：Y315-6-82 额定功率运行功率负载率 110kW 43.6kW 39.60% 改造方法改变定子绕组的连接方式：一台泵机组调整后运行功率降低运行功率年运行时间年节电电费节约电费 25.24kW 18.36kW 4380h 80401kWh 0.725 29.145万元三、电机系统节能方式电机系统存在的问题技术手段 1. 开发便于在线测量的智能化仪表。 2. 建立电机系统节能改造技术与管理平台。 3. 规范电机系统设计和改造方案和改造的实施。 4. 培训电机系统节能量计算方法。解决方案中标院的支撑管理手段 1. 建立企业节能标准管理体系。 2. 建立电机系统经济运行考核与评价制度。 3. 将电机经济运行考核纳入对企业的节能奖惩管理体系。 4. 培训电机系统经济运行标准。四、电机系统节能方式 3. 电机系统管理节能低效率的2台运转管理节能案例空气压缩机氮气制造装置空气压缩机氮气制造装置储气罐氮气使用量用气单位时间低负荷待机低负荷待机四、电机系统节能方式技术手段管理手段采用变频器技术制定供气时间表，规定各负荷供气时间段，通过管理调节负荷。空气压缩机氮气制造装置储气罐氮气使用量调配负荷后，采用1台高效空压机的运转用气单位关机时间四、电机节能标准体系控制装置 ηK 电机系统节能标准体系能效标准开关电源交流接触器电机 ηD 中小型三相电机高压笼型电机三相永磁电机传动器管网拖动设备 η G ηS 清水离心泵离心通风机鼓风机容积式空压机节能装置标准节能监测标准能量平衡标准节能量测量和验证标准系统优化设计标准变频调速节电传动系统及其应用泵类液体输送系统；制冷机组及供制冷系统；风机机组与管网系统；空压机及供气系统；泵类液体输送系统；通风机系统；压缩式制冷设备；电动机拖动设备；通则；泵类系统；通风机系统；电机系统优化设计指南经济运行标准系统经济运行通则；电动机经济运行；通风机经济运行；离心泵、混流泵；轴流泵和旋涡泵系统经济运行；容积式空压机经济运行五、电机系统节能量的分析与评估 1. 电机系统边界机组边界系统边界输入管网及附属设备控制装置用风对象风机传动机构电动机输送管网及附属设备电源系统边界 WSR 电机系统 WY WK WD WC WSS WG 五、电机系统节能量的分析与评估 2. 电机系统能量平衡根据能量守恒定律： WSR 或 WSR = WY = WY + WS + WK + WD + WC + WSS + W G 或 PSR T = (PY + PXK + PXD + PXC + PXS + P XG )T PS现场难于测试 P - P P h= SR S = Y = h ´ h ´ h ´ h ´ h PSR PSR K D c s G 五、电机系统节能量的分析与评估 3. 电机系统节能量的计算 ESe ∵ Eb = Er = Ea - Eb - A 因素影响能耗校准能耗 ∴ E Se = Er - Ea + A t 五、电机系统节能量的分析与评估电机系统效率变化的节能量 E = E - E + A = Pr × tr - Pr × tr + A η η s r a m m r b 电机系统采用节能装置的节能量 Es = (P1,on - P1, off ) × tr + Am 变工况时的节能量 Es = å(P1,oni n i =1 - P1,offi ) × tri + Ami 五、电机系统节能量的分析与评估 4. 电机系统节能改造节能量计算的问题节能量中的分量： ESe = Est + Esc + Af 随机负载变化影响量总节能量管理节能量 A = E - E 技术节能量 E = E - E f st sc Est = E rc - Eb sc bc b 当A f ＞0, 节能量被高估；当A f ＜0，节能量被低估。六、电机系统节能改造平台标准专家联盟技术与管理六、电机系统节能改造平台改造工程立项测试与诊断编写方案与可行报告审核方案与可行报告实施改造工程节能量测试与评价编写验收报告第一方第二方第二方第三方第二方第三方第二方第二方第三方第三方确立三个方面六、电机系统节能改造平台 v 电机系统节能改造平台运行模式政策/法规/标准认证/ 激励技术/效益/评估平台运行模式服务/ 推广企业库/ 产品库六、电机系统节能改造平台 34 测算原理/功能 v 标准参数化 v 建模图形化 v 输出数字化 v 诊断与评价功能 v 节能量计算功能 v 能量平衡计算功能控制电机传动拖动管网六、电机系统节能改造平台 v 电机系统测定与模拟电机→控制装置→传动/耦合→泵/风机/空压机 →管网企业产品数据库六、电机系统节能改造平台 v 电机系统节能量模拟计算 n n n P n P E = å P t - å P t = å Yri t - å Ybi t se ri i bi i h i h i i =1 i =1 i =1 ri i =1 bi 通讯方式：北京海淀区知春路4号 100088 中国标准化研究院赵跃进电话：010 58811721 传真：010 58811714 Email: zhaoyj@

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