低壓高效變頻電機的節(jié)能系統(tǒng)設計

陳金剛，黃莉明

低壓高效變頻電機的節(jié)能系統(tǒng)設計

陳金剛，黃莉明

（德州恒力電機有限責任公司，山東德州 253005）

本文通過對普通低壓標準電機與高效變頻電機的效率比較，講述低壓高效變頻電機的節(jié)能優(yōu)勢。由低壓高效變頻電機的設計制造到實際使用中不同負載率下的效率和功率因數(shù)的變化，論述了低壓高效變頻電機本體節(jié)能和系統(tǒng)節(jié)能的措施，說明低壓高效變頻電機節(jié)能需綜合運用各種控制技術，全面考慮，才能達到最大限度的節(jié)約能源，提高效率。

低壓高效變頻電機 總損耗 效率 功率因數(shù) 系統(tǒng)節(jié)能

0 引言

低壓電機的效率是衡量電機運轉性能的重要經濟指標，實際運行時的效率高低與被拖動的負載、電機的轉速、類型和電源的電壓有關。同步轉速相同，不同容量的電機，隨電機額定功率的增加，額定效率逐步提高。同型號電機，在額定負載內運行時，隨著電機輸出功率的增大，單位損耗相對減小，效率相應提高。減少電機固定損耗是提高電機本身效率，節(jié)約能源的重要途徑。

1 普通低壓標準電機與高效變頻電機本體效率比較

一般低壓三相異步電機的額定效率為 75%～96% 。低壓高效變頻電機運用優(yōu)化設計技術，通過采用優(yōu)質原材料和運轉過程中利用智能變頻控制，進行調速、調壓、改善功率因數(shù)來減小電機的固定損耗和負載損耗，提高電機效率，從而達到節(jié)能降耗的目的。高效低壓變頻電機單從本身提高效率的角度來說，額定效率比低壓普通標準電機提高3%～8%。圖1是額定功率(0.75~120) kW，同步轉速1500 r/min的普通低壓標準電機與高效變頻電機額定效率對比參考圖。

低壓高效變頻電機不但本體可直接節(jié)能，同時，通過與變頻器配套使用，利用微機智能控制，調節(jié)帶動壓縮機，水泵，風機等設備的運行參數(shù)，可提高整個系統(tǒng)的效率水平，進而提高整個設備制造業(yè)的能效水平。

圖1 (0.75~120) kW，同步轉速1500 r/min普通低壓標準電機與高效變頻電機額定效率對比圖

2 低壓高效變頻電機的設計特點和優(yōu)點

低壓高效變頻電機的設計主要在適應變頻電源調速運行和提高電機本身效率兩方面考慮。高效變頻調速系統(tǒng)由于變頻電源的特殊性，以及系統(tǒng)對高速或低速運轉、轉速動態(tài)響應的需求，對作為系統(tǒng)能源轉換主體的電動機，提出了更高的要求，給低壓高效變頻電機帶來電磁、結構、絕緣等各方面新的挑戰(zhàn)。

由于低壓高效變頻電機可以直接啟動，過載能力和啟動性能不需要過多考慮，電機設計重點是改善本身對非正弦波電源的適應能力，提高電機在不同負載率下的效率。電磁設計時主要考慮減小定子，轉子電阻；抑制電機低速運轉時電流中的高次諧波；磁路設計成不飽和狀態(tài)，以適應低速運轉時高次諧波加深的磁路飽和。同時注意電機在低頻運行時，為提高輸出轉矩，應適當提高變頻器的輸出電壓。低壓高效變頻電動機結構設計時，主要考慮非正弦電源特性對變頻電機的絕緣結構、振動、噪聲及冷卻方式等方面的影響。為滿足電機的高速運轉，抵抗變頻器高頻電流沖擊對絕緣的破壞，提高電機繞組匝間絕緣介電強度和機械性能強度，繞組采用高分子絕緣材料及真空壓力浸漆制造工藝，采用特殊的絕緣結構。為避開與各次力波產生的共振現(xiàn)象，充分考慮電動機構件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，提高平衡質量，振動等級要求為R級。對需要高速運轉的高效變頻電機，采用專用高精度進口軸承。

為提高低壓高效變頻電機本身效率，在電機設計時定子線圈采用新型繞制工藝，定轉子沖片使用高規(guī)格優(yōu)質冷軋硅鋼片精密沖壓，為減少轉子損耗采用鑄銅轉子。盡量減少各種損耗，提高電機效率。

低壓高效變頻電機較普通電機存在以下優(yōu)點：高效變頻電機可在0.1 Hz~130 Hz的頻率范圍內長期運行，可適用于設備的各種調速場合，適應不同工況條件下的頻繁變速；具備有自啟動功能；采用電磁設計，減少定子和轉子的阻值，提高電機效率；采用獨立風機對電機進行冷卻，在各種轉速下，均能良好地散熱。

3 低壓普通標準電機和高效變頻電機運行效率比較

在實際應用中，普通標準電機效率可分為額定效率、運行效率、最高效率。額定效率指輸出功率為額定值時的效率；運行效率指電機拖動某負載運行時的工作效率；最高效率指電機可能達到的最高運行效率。低壓電機的效率高低直接取決于其負載率；當負載率低于40％時，電機效率將迅速下降。圖2是15 kW，1460 r/min的低壓普通電機不同負載率下的效率與功率因數(shù)對比圖。當負載率為80％左右時，電機的運行效率最高，所以人們將70％～90％的負載率稱為有功經濟負載率。

圖2 15 kW、1460 r/min低壓普通電機不同負載率下的效率與功率因數(shù)對比圖

低壓高效變頻電機通過變頻器調節(jié)輸入本身的電壓和頻率，使電機的效率和功率因數(shù)在很寬的調速范圍內都很高。因此，低壓高效變頻電機的功率因數(shù)和效率可以比普通低壓標準電機設計得更高，功率密度更大。通常，以變頻器供電的低壓高效變頻電機比普通低壓標準電機在額定負載下運行時，效率提高3%~8%，功率因數(shù)提高10%~15%。基于低壓高效變頻電機在變頻調速控制方面較普通電機的優(yōu)越性，對需要變速運行的設備一般用低壓高效變頻電機通過變頻器來實現(xiàn)，節(jié)能效果顯著。使用變頻器的低壓高效變頻電機在額定負載不變速的情況下，由于變頻器消耗一部分電能，約占電機功率的4%~6%，隨著電機效率和功率因數(shù)的提高，可抵消這部分損耗，系統(tǒng)整體節(jié)電效果不明顯；在輕負載變頻調速的情況下，設備節(jié)電率達30%左右，較高的情況下可達40%~60%，系統(tǒng)整體節(jié)電的效果非常明顯。

4 低壓高效變頻電機的節(jié)能原理

低壓高效變頻電機在轉速不變的情況下，主要通過輕負載降低電壓實現(xiàn)節(jié)能。在風機或水泵等恒壓環(huán)境下運行，當需要較小的流量時，電機會通過降低頻率而降低速度；當不考慮變頻器本身消耗的電能時，電機的耗能跟轉速的1.7次方成正比，如果加上5%的變頻器耗電，通過變頻器調速節(jié)能的效果也是很明顯的，整體系統(tǒng)節(jié)電率一般達到30%~60%。節(jié)電率是指低壓變頻高效電機在降低頻率運行時，額定頻率下運行消耗的電能與降低頻率運行消耗的電能之差占額定頻率下運行時消耗電能的百分數(shù)。表1是不同轉速下的流量、風壓、軸功率的理論節(jié)能關系表。拖動轉距負載由于轉速沒有多大變化，變頻器通過降低電壓、改善功率因數(shù)、提高效率來節(jié)能，但節(jié)能有限，與普通標準電機相比，一般整體節(jié)能5%~10%左右。

5 低壓高效變頻電機系統(tǒng)節(jié)能的措施

低壓高效變頻電機系統(tǒng)節(jié)能包括電機本體節(jié)能，被拖動設備及傳動系統(tǒng)節(jié)能，管網系統(tǒng)節(jié)能，系統(tǒng)內不同部件或子系統(tǒng)合理匹配節(jié)能。系統(tǒng)控制方式的節(jié)能，涉及設計、制造、各種工況以及運行管理等多方面的綜合性技術。選型時由于考慮到啟動、過載等因素的影響，普通電機正常運轉時，通常達不到滿載運行，使電機的效率降低，浪費一部分電能。低壓高效變頻電機利用電機本身效率的提高，通過變頻調速系統(tǒng)的推廣和改進，改善風機、泵類電機控制系統(tǒng)調節(jié)的方式，消除“大馬拉小車”現(xiàn)象，合理匹配電機運行系統(tǒng)，做到集成化、智能化、信息化相互融合，充分利用智能控制來達到設備整體節(jié)能。

6 結論

從節(jié)約能源、保護環(huán)境和各項技術的發(fā)展來看，低壓高效變頻電機的生產、制造、推廣和應用已成為國際發(fā)展趨勢。高效變頻節(jié)能電機，智能變頻調速系統(tǒng)的綜合運用開辟了設備制造業(yè)的新篇章。使用高效變頻電機，采用變頻調速節(jié)能系統(tǒng)，可使高效變頻電機在達到需要的負載下，減少損耗，節(jié)約電能。特別是對風機、泵類負載的運行，通過變頻調速來調節(jié)流量，將閥門、擋板開到最大，減小管路的阻尼，通過智能控制使高效變頻電機在經濟節(jié)能狀態(tài)下運行，節(jié)能效果十分明顯。高效變頻電機利用變頻調速節(jié)能智能系統(tǒng)進行控制，由于具有無級調速和節(jié)能雙重優(yōu)勢，所以是今后機械設備提高效率、節(jié)約能源、調速運行的發(fā)展方向。

[1] 陳金剛, “綠色”電動機[J]. 電氣時代, 2012, (2): 18-19.

[2] 張紅枝, 陳金剛. 低壓變頻調速電機的特點及變頻調速節(jié)能控制應用[J]. 防爆電機, 2018, (1): 31-33.

[3] 張令東. 變頻節(jié)能技術及應用展望[J]. 科技創(chuàng)新及應用, 2012, (12): 120-120.

[4] 黃威, 黃禹. 變頻器的使用與節(jié)能改造[M]. 北京化學工業(yè)出版社, 2011,(3).

[5] 孟祥瑞. 變頻技術在風機、泵類設備中的節(jié)能應用[M]. 數(shù)字技術與應用, 2011, (2): 64-64.

Design of Energy-Saving System for Low-Voltage and High-Efficiency Frequency Conversion Motor

Chen Jingang, Huang Liming

(Dezhou HengLi Electrical Machinery CO.,LTD, Dezhou 253002, Shandong, China)

TM301

A

1003-4862（2019）02-034-03

2018-09-19

陳金剛（1974-），男，工程師。研究方向：電機檢測與故障分析。E-mail: cjg2516@163.com