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日志

 
 

电机节能  

2010-01-20 16:45:37|  分类: Motor |  标签: |举报 |字号 订阅

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世界在号召节能。

国家在号召节能。

工厂能源多在电,电的消耗多在电机。即使不用变频器,而仅将电机自身的损耗降1个百分点,那每年全国节约下来的电能也是十分可观的。所以,使用效率高的电机是节能的重要手段。电机节能工程也是国家十大重点节能工程之一。

电机的效率高,是指电机在运行过程中,自身消耗的能量少,能量转换效率高。

电机的效率,在电机生产完毕后就固定了,这是电机的一个固有参数,与额定参数一样。高效率的电机,其制造工艺不同于普通电机,它的制造精度更高,工艺更复杂,价格也高一些。

衡量电机的效率,国家有一些标准。常见的是用铭牌上标的Eff1,Eff2,Eff3来标识。 

Eff3电机称为低效率(Low Efficiency)电机,

Eff2电机称为改善效率(Improved Efficiency)电机,

Eff1电机称为高效率(High Efficiency)电机。

目前西门子已经不生产Eff3的电机了。只有Eff1和Eff2两种。全新 1LE1 系列电机包括 EFF1 EFF2 两种效率型号。节能型 EFF1 电机使用铜转子获得高效率。因而这种电机结构非常紧凑,尤其适用于泵和风机应用。

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电机的价格不该成为采购的关键因素。

电机生命周期中,你为电机花的所有钱,电机本身的价格只占一小部分,90%以上交的是电费。

就跟买了汽车后,要交加油费一样。

买一个效率高的电机,很快就能从节能的电费中收回成本。

---------------------------------

详情如下:

 

电动机能效现状及节能措施

一、    前言

电动机广泛应用于工业、农业、国防、公共设施及家用电器等各领域中的机械装备、风机、水泵、压缩机、冶金、石化、纺织、造纸、交通、建筑、矿山、食品等行业,属于量大面广的通用标准产品。目前,电动机的用电量平均占世界各国总用电量的40%以上,占工业用电量的60%以上。表1为一些国家和地区电动机用电量占工业用电总量的比例。据美国、欧盟等统计,电动机用电量约占总用电量的42%~50%;三相异步电动机用电量占电动机总用电量的90%左右;37kW及以下电动机占电动机总装机数95%以上、占电动机总用电量的50%左右。

表1 一些国家/组织电动机用电量占工业用电量的比重

国家/组织名称

电机占工业用电量的比重

欧 盟

~69%

美 国

~80%(占全国用电量的~70%)

日 本

~61%

法 国

~67%

俄罗斯

~60%

我国是亚洲第一大电力消耗国,也是世界上目前缺电最为严重的发展中国家,从1992年起我国的年发电量和用电量均居世界第二位,而其中60%以上的电能被用于驱动电机运转。因此,电动机能源效率水平的提高对于我国能源节约、环境保护以及资金节约均具有重要意义。同时,高效电动机的开发与应用也是目前国际上的发展趋势,世界各国对电动机的节能工作都给予了高度的重视。

二、    我国电动机的能效现状

我国有一定规模的中小电机生产企业有300家左右,生产的中小型电机有300个系列,1500个品种,产品以一般效率的Y、Y2、Y3系列和高效率的Y2-E、YX3系列,其中Y系列电机为我国80年代产品,Y2系列为90年代产品,Y3系列基本达到了21世纪初国际同类的先进水平,可达到欧洲能效标准的eff2水平,目前属于全国推广产品。YX3系列基本可达到欧洲能效标准的eff1水平,同时达到GB18613-2006《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》中能效等级1级要求。

我国可生产Y2-E、YX3系列及其它多种型号的高效电机,并能批量出口到欧美,说明我国的电机制造水平目前大公司已达到世界先进水平。我国使用的电机70%以上均是中小交流电机,主要集中在3kW至90kW,平均效率为89.3%。高效电机的平均效率可达94%。我国中小型交流电机占电机总量的70%,每年新增中小型电机的损耗约为78.6 亿kWh,如使用高效电机,可节能950万kW;如将旧电机全换为高效电机,可节能550万kW。高效电机的投资回报,以55kW电机为例,回收期为1.06年;以22kW电机为例,回收期为1.48年。

我国于2002年出台第一部有关电动机的能效标准:GB18613—2002《中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值》,2004年国家发展和改革委员会制定了《节能中长期专项规划》,把高效节能电动机列入第十一个五年计划中的重点节能推广项目,同时于2005年6月对GB18613标准进行修定。2006年8月发布了GB18613—2006《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》标准。

该标准参考了欧盟EU—CEMEP协议、澳大利亚与新西兰AS/NZS 1359.5同类标准,直接采用了欧洲eff1和eff2的效率标准。该标准根据我国电动机生产和使用的现状,对电动机的效率水平进行了3个等级的分级,即Eff1 ,Eff2和Eff3。标准规定Eff3为能效限定值(最低效率值),效率Eff2值在GB18613—2006标准实施之日4年后开始执行(2010年12月),并替代Eff3的电动机能效限定值,成为我国电机最低效率保证值。

三.国外电动机的能效现状

在2005年9月的电机系统能效国际会议上,来自世界各国的代表就这一问题达成了共识,新的IEC61972标准的颁布与实施,将会有力地推动电动机全球能效标准一体化的进程。

目前,世界上已制订电动机强制性能效标准的国家和地区有澳大利亚、新西兰、加拿大、巴西、美国、墨西哥,印度、中国。

1.            欧盟

欧盟在上世纪90年代中期开始对电动机节能进行调研和政策制定工作。1999年,欧盟委员会交通能源局(EU-DGTE)与欧洲电机和电力电子制造商协会(CEMEP )就电动机分级计划达成了自愿协议(简称CEMEP协议),该协议对电动机的效率水平进行了分级,即Eff1 ,Eff2,Eff3。在2005年底,禁止生产和流通Eff3级电动机。效率Eff2为最基本的能效要求。2008年8月11日起,欧盟EuP指令正式转化为欧盟成员国的法规。它是继欧盟2006年实施的RoHS(《电气电子设备中限制使用某些有害物质指令》)和WEEE(《废弃电气电子设备指令》)两项贸易壁垒之后的又一道“绿色指令”。指令规定,想要进入欧盟市场的用能产品必须提供相应的“生态学档案”。“生态学档案”,是指对产品在原材料获取、生产加工、运输、销售等生命周期各环节对生态的影响进行的数据搜集、统计和整理,即对产品生态数据的管理。这些影响既包括产品从环境中输入了多少,比如采用了多少原材料,消耗了多少能源、水等,也包含向环境输出了多少,比如排放了多少污染物。

刚刚出台了第一批产品实施细则中包含有电动机,欧盟已表示要从2008年底起将高效电动机作为强制性要求,最低标准效率执行Eff1,到2010年为过渡期。

表2 2010年欧盟异步电动机节能预测值

功率范围/kW

标准电动机效率/%

高效电动机效率/%

2010年异步电动机用电量/GWh

节能预测值/GWh

节能比例/%

0.75~7.5

80

86

253000

17000

7

>7.5~37

90

93

213000

5600

3

>37~75

93

95

130000

2000

2

>75

95

96

276000

3000

1

2.            美国

20世纪70年代第一次能源危机后,美国能源部已认识到电动机节能的重要性,组织相关机构积极研究开发高效电动机,并采用市场方式推广高效电动机的应用。但是经过十几年的推广实践,到1988年时发现,高效电动机的推广应用速度甚缓,市场占有率还不到20%,大大低于既定目标。为了改变这种情况,美国政府于90年代初决定采取行政干预的方式。1992年,美国国会通过了“能源政策法令”(EPACT法令),该法令对电动机的最低效率值做出了规定,并要求在60个月后正式生效。也就是说,从1997年10月24日起,凡是在美国销售的通用电机,都必须达到最新制定的最低效率指标,即EPACT效率指标。EPACT效率指标是根据美国全国电气制造商协会(NEMA )1990年的标准NEMA12-10(即NEMA 12-6C)的规定制定的。EPACT所规定的效率指标为当时美国主要电动机制造商所生产的高效电动机效率指标的平均值。美国在完成了其最低效率标准NEMA12-10的制订工作后,考虑到用户对更高效率水平产品的需求,又制订了一系列超前标准,如NEMAE设计标准(即NEMA12-11标准),其效率指标较NEMA12-10提高了1-4个百分点;美国能源效率联盟(CEE)与美国NEMA联合制定的超高效率电机(Premium Efficiency)指标,其效率水平接近NEMAE设计,较EPACT指标提高了1-3个百分点,损耗较EPACT指标下降了20%左右。大部分美国电动机制造商按照EPACT法令仅用2~3年就完成了从一般效率电动机转换到高效率电动机的生产过渡。为了进一步推动电动机的节能,美国能源部、环保局以及美国能源效率联盟(CEE)组织在2001年推出超高效率电机(NEMA Premium')的生产和应用。2003年,NEMA Premium'超高效电机的市场份额已经上升至20%以上。美国能源部、环保局以及美国能源效率联盟(CEE)于2007年3月通过决议,将用36个月的时间(既到2010年)强制执行超高效电机标准,该标准主要用于美国的石油化学工业和纸浆、纸张工业。IEEE 841-之001标准的电动机效率指标比EPACT指标提高了1~2 个百分点。

3.            澳大利亚

澳大利亚政府为节约能源和保护环境,自1999年起,开始对家用电器和工业设备实施强制性能效标准计划(MEPS计划),由澳大利亚政府下属温室气体办公室会同澳大利亚标准委员会进行管理。澳大利亚的电动机强制性标准于2004年7月批准生效,新西兰也执行此标准。在澳洲和新西兰生产和进口的电机均需达到或超过此标准所规定的最低效率指标。该标准除规定了强制性的最低标准外,还规定了高效率电机指标,为推荐性标准,并鼓励用户采用,其数值与欧盟的Eff1及美国的EPACT相近。澳大利亚和新西兰还确定了以欧盟Eff1为基础的强制性电动机能效标准,并于2006年4月开始实施。此外,加拿大、墨西哥、巴西等国都制订了强制性最低能效标准。

4.            国际电工IEC

国际电工委员会IEC/TC2于2006年提出制定一项电动机能效分级标准,以统一和协调全球市场。该标准得到世界各国认可。新的IEC60034-30标准将电动机的效率分为Eff1、Eff2、Eff3、Eff4共4级,基本损耗在降低15%~20%的基础上形成高一等级的效率指标。今后,国际市场上将统一规范为4级效率等级的电动机。

Eff1为标准效率电机,几乎是列入各国既将淘汰的效率等级;Eff2为高效率电机;Eff3为超高效率电机;Eff4为超超高效率电机;澳大利亚、加拿大、美国、欧盟等将Eff2效率等级电机列为本国最低强制效率标准。

四.    电动机提高效率的措施

电机的节能是一项系统工程,涉及电动机的全寿命周期,从电动机的设计、制造到电动机的选型、运行、调节、检修、报废,要从电动机的整个寿命周期考虑其节能措施的效果,国内外在这方面主要考虑从以下几个方面提高电机的效率。

节能电动机的设计是指运用优化设计技术、新材料技术、控制技术、集成技术、试验检测技术等现代设计手段,减小电动机的功率损耗,提高电动机的效率,设计出高效的电动机。

电动机在将电能转换为机械能的同时,本身也损耗一部分能量,典型交流电动机损耗的分布见表3,表4。这些损耗一般可分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分。可变损耗是随负荷变化的,包括定子电阻损耗(铜损)、转子电阻损耗和电刷电阻损耗;固定损耗与负荷无关,包括铁芯损耗和机械损耗。铁损又由磁滞损耗和涡流损耗所组成,与电压的平方成正比,其中磁滞损耗还与频率成反比;其他杂散损耗是机械损耗和其他损耗,包括轴承的摩擦损耗和风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗;其主要提高效率的措施有:

表3 交流电动机的损耗及比例

电动机的损耗

占总损耗的比例

电动机的损耗

占总损耗的比例

定子绕组铜耗

35~40

通风摩擦损耗

5~10

转子绕组铜耗

15~25

杂散损耗

10~15

铁芯损耗

15~25

 

 

 

 

 

 

表4 标准感应电机中满载时的损耗分布

损耗分布

50 hp感应电动机

标准电动机的平均损耗(% )

W

损耗(%)

标称损耗

定子绕组铜耗

1540

38

0.04

37

转子绕组铜耗

860

22

0.02

18

铁芯损耗

65

20

0.02

20

机械损耗

300

8

0.01

9

附加杂散损耗

452

12

0.01

16

电机总损耗

3917

100

0.01

 

输出功率

37300

 

 

 

输人功率

41272

 

 

 

效率(%)

90.5

 

 

 

电动机定子绕组电阻损失:降低电动机定子绕组的电阻是减少定子损失的主要手段,实践中采用较多的方法是:(1)增加定子槽截面积,在同样定子外径的情况下,增加定子槽截面积会减少磁路面积,增加齿部磁密;(2)增加定子槽满槽率,这对低压小电动机效果较好,应用最佳绕线和绝缘尺寸、大导线截面积可增加定子的满槽率;(3)尽量缩短定子绕组端部长度,定子绕组端部损耗占绕组总损耗的1/4~1/2,减少绕组端部长度,可提高电动机效率。实验表明,端部长度减少20%,损耗下降10%。

电动机转子绕组电阻损失:电动机转子的损失主要与转子电流和转子电阻有关,相应的节能方法主要有:(1)减小转子电流,这可从提高电压和电机功率因素两方面考虑;(2)增加转子槽截面积;(3)减小转子绕组的电阻,如采用粗的导线和电阻低的材料,这对小电动机较有意义,因为小电动机一般为铸铝转子,若采用铸铜转子,电动机总损失可减少10%~15%,但目前铸铜转子所需制造温度高且技术尚未普及,其成本高于铸铝转子15%~20%.

电动机铁耗损失:电动机铁耗损失可以由(1)减小磁密度,增加铁芯的长度以降低磁通密度,但电动机用铁量随之增加;(2)减少铁芯片的厚度来减少感应电流的损失,如用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片可减小硅钢片的厚度,但薄铁芯片会增加铁芯片数目和电机制造陈本;(3)采用导磁性能良好的冷轧硅钢片降低磁滞损耗;(4)采用高性能铁芯片绝缘涂层;(5)热处理及制造技术,铁芯片加工后的剩余应力会严重影响电动机的损耗,硅钢片加工时,裁剪方向、冲剪应力对铁芯损耗的影响较大。顺着硅钢片的碾轧方向裁剪、并对硅钢冲片进行热处理,可降低10%~20%的损耗 等方法来实现。

电动机杂散损失:目前对电动机杂散损失的认识仍然处于研究阶段,现今一些降低杂散损失的主要方法有:(1)采用热处理及精加工降低转子表面短路;(2)转子槽内表面绝缘处理;(3)通过改进定子绕组设计减少谐波;(4)改进转子槽配合设计和配合减少谐波,增加定、转子齿槽、把转子槽形设计成斜槽、采用串接的正弦绕组、散布绕组和短距绕组可大大降低高次谐波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代传统的绝缘槽楔、用磁性槽泥填平电动机定子铁芯槽口,是减少附加杂散损耗的有效方法。

电动机摩擦损失及流动损失:摩擦损失和流动损失以往未得到人们应有的重视,它占电机总损失的25%左右。摩擦损失主要有轴承和密封引起,可由(1)尽量减小轴的尺寸,但需满足输出扭矩和转子动力学的要求;(2)使用高效轴承;(3)使用高效润滑系统及润滑剂;(5)采用先进的密封技术,如有无弹簧的新密封使用情况的报道,称通过有效减少与轴的接触压力,可使以6000 rpm转动的45mm直径的轴降低损耗近50 W;流动损失是由冷却风扇和转子通风槽引起的,用于产生空气流动来冷却电动机。流动损失一般占电动机总损失的20%左右。整个电动机的流体力学及传热学分析较复杂,其复杂程度甚至超过航天飞机部件分析,好的流体力学和传热学设计会极大提高电动机的冷却效率并降低流动损失。

美国于本世纪初又出现了更高效率的所谓“超高效电动机”。一般而言,高效电动机与普通电动机相比,损耗平均下降20%左右,而超高效电动机则比普通电动机损耗平均下降30%以上。因为超高效电动机的损耗较高效电机有更进一步下降,因此对于长期连续运行、负荷率较高的场合,节能效果更为明显。要实现从普通电机到超高效电机的效率提高,除了增加硅钢片和铜线的用量以及缩小风扇尺寸等措施外,还必须在新材料的应用、电机制造工艺以及优化设计等方面采取措施,以控制成本和满足电机结构尺寸的限制。国外很多企业在这些方面开展了积极的研究,并取得了一些进展。一般电工钢片经加工成铁心压装入机座后,铁耗大幅度增加,而英国Brook Hansen公司与钢厂合作,应用一新研制成功的电工钢片,加工成铁心制成电机,铁耗在加工前后变化不大。日本东芝公司是美国高效电机和超高效电机的主要供货商之一。该公司声称由于改进了制造工艺和采用新材料,使高效电机的成本下降了30%,所采取的措施包括:应用特殊的下线工具,提高定子槽满率,增加铜线的截面积;提高制造精度,缩短间隙长度,从而减小励磁电流及其所引起的铜损;采用转子槽绝缘工艺,降低杂散损耗;采用激光铁心叠压工具,使铁损下降。由于铜比铝的电阻率降低40%左右,所以如果用铸铜转子代替铸铝转子,电机总损耗将可显著下降。近年来,国际铜业协会在美国能源部的支持下,进行了压力铸铜工艺的研究,目前已解决高温模具的材料以及相关的压铸工艺问题,从而使得有可能较经济地批量生产铸铜转子电机。2003年6月,德国SEW Eurodrive公司已运用此项压铸技术成功地推出了采用铸铜转子的齿轮电动机系列。意大利科技教育部组织相关机构开展了铸铜转子和铸铝转子的性能数据对比试验项目。该项目由意大利LAFERT电机公司、Thyssen Krupp钢铁公司和法国FAVI铸铜公司合作进行。试验在不改变定、转子槽形,仅改变磁性材料和长度的情况下进行,所得的数据表明,采用铸铜转子,可使电动机的能耗在原有基础上降低15%~25%,电机效率可提高2%~5%。但由于转子电阻降低会引起启动转矩下降,因此在设计时应进行其他参数的调整,以使之在提高效率的同时,满足其他主要性能指标。

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