淺談電機(jī)系統(tǒng)的選用

鄒教彬

(青海銅業(yè)有限責(zé)任公司，青海西寧 810008）

淺談電機(jī)系統(tǒng)的選用

鄒教彬

(青海銅業(yè)有限責(zé)任公司，青海西寧 810008）

在介紹電機(jī)能效及我國高效電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，主要對電機(jī)系統(tǒng)的基本要求、電動機(jī)選用的基本原則、不調(diào)速電動機(jī)的選用、調(diào)速電動機(jī)的選用以及電動機(jī)主要的調(diào)速方式進(jìn)行了分析探討。

電機(jī)能效；高效電機(jī)；電動機(jī)；選用

0 引言

節(jié)能減排在當(dāng)今世界是一個無法回避的話題，其影響著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。作為節(jié)能減排重點的工業(yè)領(lǐng)域，其中電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能潛力巨大，全球主要發(fā)達(dá)國家都將提高電機(jī)能效作為重要的節(jié)能措施。

1 電機(jī)能效

我國2006年發(fā)布了電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)(GB18613—2006），近年來參照IEC標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行了修訂，新標(biāo)準(zhǔn)(GB18613—2012）于2012年9月1日正式實施。按照國家新標(biāo)準(zhǔn)，高效電機(jī)是指達(dá)到或優(yōu)于GB18613—2012標(biāo)準(zhǔn)中節(jié)能評價值的電機(jī)。

電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 世界主要國家電機(jī)能效對照表

2 高效電機(jī)

高效電機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代第一次能源危機(jī)時，與一般電動機(jī)相比，其損耗下降約20%左右。由于能源供應(yīng)的持續(xù)緊張，近年又出現(xiàn)了所謂超高效率電機(jī)，其損耗又比高效電機(jī)下降15%～20%。這些電機(jī)的功率等級與安裝尺寸關(guān)系以及其他性能要求則與一般電動機(jī)相同。

我國目前廣泛應(yīng)用的Y系列電動機(jī)效率平均值為87.3%；高效電機(jī)的效率平均值為90.3%，超高效率電機(jī)其效率平均值為91.7%。

我國高效電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀:

(1）2003年Y3系列電機(jī)。從2002年底起淘汰熱疊軋工藝，停止生產(chǎn)熱軋硅鋼片，設(shè)計了“以冷帶熱”的Y3系列電機(jī)。該系列電機(jī)采用冷軋硅鋼，全系列基本滿足GB18613能效限值標(biāo)準(zhǔn)。

(2）2005年高效電機(jī)(IE2）——YX3系列電機(jī)。中小型電機(jī)中滿足GB18613節(jié)能評價值即中國2級、IE2級的高效電機(jī)。從導(dǎo)磁材料選擇、沖片研究、通風(fēng)改善等方面改進(jìn)，效率平均提高2.76%。

(3）2010年超高效率電機(jī)(IE3）——YE3電機(jī)。針對美國2011年將在全球率先強(qiáng)制推行超高效率標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，由國內(nèi)電科所牽頭，研制開發(fā)超高效率電機(jī)系列產(chǎn)品。該電機(jī)損耗值比高效電機(jī)降低20%。

(4）2012年超超高效電機(jī)(IE4）——YE4電機(jī)。針對新國標(biāo)GB18613—2012要求，由國內(nèi)廠家開始試制。

3 電機(jī)系統(tǒng)

電機(jī)系統(tǒng)是指由控制裝置、電動機(jī)及其拖動的負(fù)載機(jī)械和管網(wǎng)等設(shè)備組成的系統(tǒng)。

3.1 電機(jī)系統(tǒng)的基本要求

對供電電源質(zhì)量的要求:(1）電源電壓與額定電壓的偏差范圍為-5%～5%。(2）三相電壓系統(tǒng)負(fù)序分量不超過正序分量的1%(長期運(yùn)行），或不超過1.5%(不超過幾分鐘的短時運(yùn)行），且零序分量不超過正序分量的1%。(3）電源頻率偏差不超過額定頻率的±1%。

對電機(jī)系統(tǒng)功率因數(shù)的要求:應(yīng)根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行方式合理實施無功補(bǔ)償，補(bǔ)償后設(shè)計工況下功率因數(shù)應(yīng)不低于0.9。

3.2 電動機(jī)選用的基本原則

(1）匹配:電動機(jī)應(yīng)與被拖動機(jī)械的負(fù)載特性相匹配。在滿足負(fù)載要求的前提下，經(jīng)濟(jì)合理地確定電動機(jī)的額定功率和類型。

(2）電壓:電動機(jī)的額定電壓應(yīng)根據(jù)其額定功率和所在系統(tǒng)的配電電壓或供電電源的輸出電壓選定。

(3）環(huán)境:根據(jù)工作場所的環(huán)境條件，選擇相應(yīng)防爆型式、外殼防護(hù)等級和絕緣等級的電動機(jī)。

(4）質(zhì)量:電動機(jī)的一般性能、安全性能、防爆性能以及噪聲和振動要求應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

(5）連接:電動機(jī)與被拖動負(fù)載的轉(zhuǎn)軸宜采用聯(lián)軸器直接連接。

(6）起動:起動方式應(yīng)符合GB50055的規(guī)定。大功率、高電壓三相同步電動機(jī)宜采用無換向器同步電動機(jī)方式進(jìn)行起動。

(7）轉(zhuǎn)矩:堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及其調(diào)節(jié)范圍等，應(yīng)滿足所拖動的負(fù)載在各種運(yùn)行方式下的要求。

(8）特殊要求:在有頻繁起動、高起動轉(zhuǎn)矩和沖擊負(fù)載等特殊要求時，可選用相應(yīng)的專用電動機(jī)并進(jìn)行轉(zhuǎn)矩校驗。

(9）變化負(fù)載:對于有規(guī)律變化的負(fù)載，應(yīng)根據(jù)其工作制和定額，按GB755選擇相應(yīng)工作制類型與定額的電動機(jī)。

(10）調(diào)速負(fù)載:對于需要調(diào)速的負(fù)載，宜根據(jù)調(diào)速范圍、效率及長期經(jīng)濟(jì)效益等因素，選擇適合于調(diào)速方式的電動機(jī)。

3.3 不調(diào)速電動機(jī)的選用

(1）類型的選擇。中小容量的機(jī)械負(fù)載，當(dāng)起動、制動比較頻繁，要求起動、制動轉(zhuǎn)矩較大時，應(yīng)選用堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、堵轉(zhuǎn)電流較小的籠型三相異步電動機(jī)。在堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不能滿足要求時，可選用高轉(zhuǎn)差式三相異步電動機(jī)或繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)。對于拖動風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)的高壓大功率電動機(jī)，當(dāng)在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上合理時，宜選用三相同步電動機(jī)。

(2）額定功率的選擇。應(yīng)使電動機(jī)的平均負(fù)載率不低于60%。平均負(fù)載率低于50%時，在改建和擴(kuò)建設(shè)計中應(yīng)更換成較小額定功率的電動機(jī)。額定功率大于250 kW時，宜優(yōu)先選用高壓三相交流電動機(jī)。連續(xù)運(yùn)行、穩(wěn)定負(fù)載時，其額定功率應(yīng)大于負(fù)載軸功率。對于變工況連續(xù)工作，應(yīng)求出平均等效功率，電動機(jī)的額定功率應(yīng)大于等效功率，并應(yīng)對起動性能和過載能力進(jìn)行校核。對于短時或斷續(xù)工作，宜選用相應(yīng)工作制的電動機(jī)，并使電動機(jī)額定功率略大于負(fù)載的功率。也可選用連續(xù)工作制電動機(jī)來替代，電動機(jī)的額定功率應(yīng)略大于等效功率，并應(yīng)對電動機(jī)的起動和過載能力進(jìn)行校核。

3.4 調(diào)速電動機(jī)的選用

(1）類型的選擇。電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能應(yīng)適合于變速運(yùn)行要求。在采用變頻調(diào)速裝置進(jìn)行調(diào)速時，應(yīng)選擇適合于變頻調(diào)速裝置供電的電動機(jī)。在采用內(nèi)反饋串級調(diào)速裝置進(jìn)行調(diào)速時，應(yīng)采用定子有兩套繞組的繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)。機(jī)械負(fù)載只要求有兩種或三種轉(zhuǎn)速時，可采用雙速或三速三相異步電動機(jī)。

(2）額定功率的選擇。在負(fù)載對起動、制動和過載能力沒有特殊要求時，電動機(jī)的額定功率應(yīng)等于或略大于負(fù)載軸功率。對于頻繁起動、制動，或者要求有較高短時過載能力的負(fù)載，應(yīng)在滿足最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩要求的前提下，選擇電動機(jī)的額定功率。一般宜使電動機(jī)的額定功率大于負(fù)載軸功率。

3.5 主要調(diào)速方式

電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的類型、風(fēng)機(jī)或泵或空氣壓縮機(jī)的特性、調(diào)速范圍、起動轉(zhuǎn)矩、年負(fù)荷曲線等要求，考慮壽命周期成本。根據(jù)壽命周期成本分析，作出不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，選擇壽命周期成本最低的方案。廠房布置、電氣布線、繼電保護(hù)等應(yīng)符合電機(jī)系統(tǒng)調(diào)速設(shè)計的要求。

(1）變頻調(diào)速:是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。

(2）變極調(diào)速:是通過改變定子繞組極對數(shù)即改變定子繞組接線方式來改變旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的，是一種無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式。通常雙速電動機(jī)的定子是單繞組，三速和四速電動機(jī)是雙繞組。

(3）串級調(diào)速:是在繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入一個與轉(zhuǎn)子電動勢相反的附加電動勢，可減少轉(zhuǎn)子電流，降低轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，同時可將電動機(jī)在調(diào)速時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率送回電網(wǎng)以實現(xiàn)平滑調(diào)速和節(jié)電。

(4）開關(guān)磁阻調(diào)速:由電動機(jī)和控制器組成，電動機(jī)內(nèi)安裝有位置傳感器，控制器由功率電路和控制電路等單元組成。

4 結(jié)語

青海銅業(yè)有限責(zé)任公司采用高效、超高效電機(jī)，不僅降低了損耗，提高了能源使用效率，而且實現(xiàn)了節(jié)能減排，改善了大氣環(huán)境，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

青海省123科技支撐計劃項目，項目編號:2012-G-157A

2014-10-10

鄒教彬(1969—），男，湖北人，電氣工程師，研究方向:電氣自動化及儀表控制。