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3 前 言 电机是拖动风机 泵 压缩机 机床 传输带等各种设备的驱动装置, 广泛应用于冶金 石化 化工 煤炭 建材 公用设施 家用电器等多个行业和领域, 是用电量最大的耗电机械 其用电量占全社会总用电量的 60% 以上, 占工业总用电量的 75% 左右 近年来在国家政策的支持下, 我国电机能效水平得到不断提高, 但总体看能效水平仍然较低, 我国电机效率平均水平比国外低 3-5 个百分点, 电机系统运行效率比国外先进水平低 个百分点, 大量在用的低效电机造成了电力和能源的巨大浪费 为贯彻落实 十二五 节能减排规划和工业节能 十二五 规划, 推动高效电机开发和推广应用, 促进电机产业升级, 全面提高电机能效水平, 工业和信息化部决定组织实施 电机能效提升计划 ( 年 ) 为便于电机系统节能工作的参与者全面了解电机能效提升的相关政策 标准及技术案例, 我们委托国家中小型电机及系统工程技术研究中心编制了全国电机能效提升计划系列教材 本系列教材分为 政策汇编 技术指南 和 案例汇编 三个部分, 分别从政策解读 技术理论和实践案例三个方面进行了阐述, 旨在为企业实施电机系统节能改造提供政策导向 技术途径和改造模式 教材主要介绍了电机的种类及电机效率不断提升的发展过程 电机与拖动的典型负载设备的特性和节能措施 电机系统节能技术和误区 电机的高效再制造以及电机系统节能改造典型技术 案例等相关内容, 使企业对电机 系统能效及电机系统能效提升措施有较全面的了解和科学的认识, 希望对企业采用适宜的技术措施实施电机系统节能改造有所帮助 教材既对电机系统节能技术基本原理作了简要介绍, 又结合实际, 重点介绍了应用这些技术进行节能改造的典型案例, 整体上通俗易懂 由于时间紧张, 加上编写组的水平有限, 教材中不可避免的存在一些错误和不足之处, 敬请广大读者批评指正 也希望读者能够提供更多电机系统节能改造的典型案例, 进一步补充和完善教材 全国电机能效提升计划培训系列教材 编写组 2013 年 6 月 1

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5 目 录 第一章电机系统节能技术与案例 电动机的变极调速节能改造 火电厂循环水泵电机的变极调速改造 火电厂增压风机电机的变极调速改造 电动机的变频调速节能改造 变频调速技术在污水处理中的应用 变频调速在压缩机上的节能应用 罗茨风机的变频节能改造 高效永磁电机的替换改造 化纤厂干燥转炉电机的替换 纺织细纱机用永磁电机的替换 化纤倍捻机用永磁电机的替换 清水离心泵用永磁电机的替换 伺服电机及控制系统的节能应用 缝制设备伺服电机的节能应用 注塑机伺服电机的节能应用 低效电机的高效再制造 水泵电机的高效再制造 压铸机电动机的高效再制造 大中型无滑环绕线转子异步电动机产品应用 双速凸极同步发电机和电动机产品应用 无刷双馈变频调速电动机产品应用 抽油机用典型节能电机产品应用 开关磁阻电机的节能应用 复合驱动电机及其应用 新型 DDR 永磁直驱电机型机床全电主轴产品 第二章水泵风机系统节能技术与案例 高效水泵置换技术 泵与风机管路优化技术 叶轮切削技术与再制造高效电机匹配 第三章空压机系统节能技术与案例 I

6 1 液位传感技术应用于空压系统冷凝水排放的节能改造 替换无油主机 ( 无油转子 ) 在空压机节能上的应用 两级压缩螺杆空压机置换普通空压机的应用 压缩空气系统集中控制技术 喷油螺杆空压机热回收技术 第四章制冷空调系统节能技术与案例 蒸发式冷凝器产品在制冷系统中的节能应用 冷水机组冷凝热回收节能改造 一次泵变流量系统的节能与控制 新风换热器节能技术 地 / 水源热泵系统 绿色环保空调系统 第五章合同能源管理模式及部分案例 电机系统合同能源管理主要商务模式 节能效益分享型 节能量保证型 高效电机取代低效电机 创新融资模式 融资租赁型 未来收益权质押 担保型 部分开展电机系统节能改造节能服务公司列表 II

7 第一章电机系统节能技术与案例 1 电动机的变极调速节能改造 1.1 火电厂循环水泵电机的变极调速改造 某发电厂 8 号机组投产于 2005 年 8 月, 汽轮机为东方汽轮机厂生产, 型号为 N /535/535-2 型, 属超高压中间再热三缸二排汽冷凝式机组 机组配备两台 1400KLA-31 型循环水泵, 属立式斜流泵结构形式 与循环水泵配套电机为 YLKS 型, 额定功率 1700 kw, 电压 6 kv, 额定电流 200A 机组经过一年的运行检验, 发现其所配备的循环水泵运行性能不够理想, 加上与循环水泵配套的单速电机在运行中转速恒定, 运行方式单一, 机组的循环水量不能根据运行工况进行转速调整, 电能浪费严重 设备效率偏低 2007 年 1 月, 结合 8 号机组中修机会, 将 8 号机组的 2 台 10 极循环水泵电机, 改造为 10 /12 极双速电机 (1) 改造方案 电机单速改双速, 是利用电机原有绕组结构, 在不更换定子绕组和不降低原绝缘等级的情况下, 将电机原单一极相组接线拆开引出至附加接线盒中, 通过改变电机内部绕组接线方式 ( 在电机附加接线盒中进行极相组连接 ), 形成 595/495r/min2 种转速, 达到改变循环水泵转速的目的 8 号机组循环水泵电机改造前 后数据对照见表 1-1 表 号机组循环水泵电机改造前 后数据 (2) 改造后的试验及效能分析 1

8 循环水泵电机在单速改双速后即投入运行, 为了验证循环水泵在电机改造后运行的实际效果, 淮北发电厂在 2008 年 2 月下旬, 委托安徽省电力科学研究的效果进行试验 试验方案中, 将循环水泵运行方式分为甲泵低速运行 甲泵高速运行 甲乙泵低速并联运行 甲乙泵高速并联运行 甲泵低速乙泵高速并联运行 甲泵高速乙泵低速并联运行 乙泵低速运行 乙泵高速运行等 8 种工况进行 ( 见表 1-2) 表 种工况数据对比 试验测量及计算数据汇总表的结果可以看出, 循环水泵电机单速改双速运行, 高速结合低速并联运行对提高机组效益明显, 电机改造效果理想 这是因为电机在低速运行中, 经改造后的电机额定功率只有 kw, 比原高速运行时的电机额定功率 1700 kw 减少 300kW, 耗电量明显降低 另外, 经对试验测量及计算数据分析认为, 循环水泵在低速运行时的运行效率明显高于高速运行, 分析原因是由于该循环水泵在选型时对扬程选择过大, 使循环水泵的实际运行点远远偏离水泵设计工作点, 当降低转速运行相当于降低了水泵的设计扬程 a) 电机改造前 后节能效果 选择 8 号机组 2 台循环水泵改造前具有代表性的运行方式为 : 春夏秋 3 季 2 台泵高速并列运行 4000 h, 冬季 1 台高速运行 2000h ( 按全年运行 6000h 计算 ) 春夏秋季 2 台水泵高速运行 :( ) 4 000= (kW h) 2

9 冬季 1 台水泵高速运行 : = ( kw h) 循环水泵改造前全年用电量合计 : = (kW h) 在对循环水泵电机进行改造后, 通过调整循环水泵的转速, 可组合为 5 种运行方式 : 即双高速 高低速 双低速 单高速 单低速 运行时可根据循环水温 机组负荷进行灵活选择 ( 由于甲循环水泵存在缺陷, 未进行双低速长期运行试验 ) 如还是按机组全年运行 6000h 考虑, 循环水泵运行方式按照 4 种来组合进行, 夏季 2 台泵高速运行 2000h ( 2.8 个月 ), 春秋季 1 台泵高速与 1 台低速并列运行 h ( 1.4 个月 ), 冬季 1 台泵高速运行 2000 h, 则 : 夏季 2 台水泵高速运行 :( ) 2000= ( kw h) 春秋季水泵 1 高速 1 低速运行 :( ) 2000= (kW h) 冬季 1 台水泵高速运行 : = (kW h) 改造后循环水泵用电量合计 : = (kW h) 循环水泵电机改造后节省电量 : = (kW h) 如按每度电价 0.36 元计算, 可节约费用为 : = ( 元 ) b) 对投资回报等指标的分析 8 号机甲 乙 2 台循环水泵电机双速改造投资共计 26 万元, 按上述计算方法, 当年可收回设备改造投资 从改造后的试验测量及计算数据汇总结果看, 各种试验工况下的运行效率均比改造前有了大幅度提高, 循环水泵可根据机组负荷状 3

10 况和季节特征进行各种运行方式组合 如能在春秋季保持 2 台水泵低速运行 冬 季保持 1 台水泵低速运行, 取得的经济效益将更为显著 如结合改造循环水泵, 扬程选择在高速下 ( 流量 m 3 /h 左右 ) 26-28m, 节电效益会更显著 (3) 改造后循环水泵运行中的注意事项 a) 8 号机组经改造的 2 台循环水泵电机中, 乙泵较甲泵效率高 由于甲 泵存在效率低的问题, 故不经常投入使用, 有待于对水泵进行处理, 以提高 循环水泵的整体效能 b) 在冬季单台循环水泵运行时, 循环水流量会比双水泵下降很大且使 循环水流速降低, 为保持凝汽器效率, 宜投入胶球清洗装置运行 c) 因为循环水泵在低速运行时会使循环水扬程偏低, 可能造成发电机氢冷器中的冷却水流量下降或断流, 这时要根据情况及时投入氢冷升压泵运行, 保证发电机氢冷器冷却水正常投入, 不致因冷却水流量下降或断流对发电机造成危害 d) 由于电机进行双速改造时没有添加开关等设施, 使电机不能够在运 行中进行转速切换, 故需要在改变转速前先将电机停电, 然后才可进行电机 内部绕组接线联片调整, 进行此项操作的时间显得偏长 e) 循环水泵电机在改造后的试转和运行中, 发现电机上部推力轴承的温度均较改造前有显著升高 在改造前轴承运行温度为 73, 改造后为 84, 高于电机制造厂规定的标准 ( 报警 75, 跳闸 80 ) 经与改造厂家共同对此现象进行检查, 没有发现原因 分析可能是由于上轴承原装测温元件损坏后, 重新更换的元件与原测温元件型号不符有关系 经与电机制造厂专家协商研究, 将循环水泵电机推力轴承温度报警值调整到 88, 将跳闸值调整到 95 现循环水泵电机推力轴承运行在规定的范围内, 需注意的是在夏季高温季节时, 应加强这方面的监视 1.2 火电厂增压风机电机的变极调速改造 4

11 某发电厂, 总装机容量 4000MW, 其中有 4 台 600MW 机组,2 台 350MW 机组, 2 台 375MW 机组 ; 其中一套 600MW 机组的锅炉排烟管道脱硫系统用的 2 台增压风机电动机, 型号 :YKK800-12,2000KW,6KV, 当机组负荷变化时, 靠调节挡板开度来调节风量, 当负荷为 600MW 时, 挡板开度约 40%, 当负荷为 300MW 时, 挡板开度约 20%, 电动机存在 大马拉小车 的现象, 电能浪费严重 (1) 电动机变极改造方案的设计与实施 如何把电动机的输入功率降下来是本项节能改造方案的难点 因为电动机的输出功率等于风机的轴功率, 风机的轴功率近似与转速的 3 次方成正比, 在电动机转速不变或变化不大的情况下, 调节定子电流的大小或更换一台小功率的电动机, 电动机所消耗的输入功率变化不大 如何把电动机的转速降低? 同时又能满足风机的风量 风压的要求? 由于电动机基本上是恒速运行, 无必要使用变频器 ; 而把电动机的极数由 12 极改为 16 极, 同步转速可由 500r/min 降低到 375r/min, 风机风量减少 25%, 能满足系统的要求, 而风机所需轴功率由 2000KW 下降到 844KW, 减少 57%, 节能效果显著 将 YKK800-12,2000KW,6KV 改为 YKK800-12/16,2000KW/844KW,6KV 双速电动机, 更换定子绕组, 同时, 由于电动机的转速降低使得电动机自带外风扇的风量降低, 影响了电动机的通风散热效果, 为了保证电动机温升不超过 80K, 冷却方式由 IC611 改为 IC616, 更换冷却顶罩, 总费用 20 万左右 ; 电动机功率由 2000KW 降低到 844KW, 按每小时节电 1156KW h,, 每天运行 24 小时, 每度电 0.30 元计算, 则运行 1 天可节电 :1156*24*0.30=8323 元, 需 1 个月左右收回改造成本 从以上分析确定, 电动机改极节能方案是可行的 电动机电磁性能计算及分析 : (a) 首先根据定转子铁心 绕组的实测数据, 进行 YKK800-12,2000KW,6KV 的 方案核算 ; 5

12 (b) 在定转子铁心数据不变的情况下, 选择合适的绕组匝数 节距 并联路数 接法, 进行 YKK800-16,844KW,6KV 的方案计算, 在保证性能的情况下, 同时兼 顾 YKK800-12,2000KW,6KV 的性能 电动机绕组变极接线方案 : (a)12 极时 : 每极每相槽数 q=108/(3*12)=3, 并联路数为 2 路,Y 接 ; (b)16 极时 : 每极每相槽数 q=108/(3*16)=2¼, 为 3,2,2,2 循环, 并联路 数为 1 路, 接 ; (c) 为保证 12 极 /16 极两种极数的顺利切换, 并在每种极数下运行时其三相磁 势对称, 必须引出 27 个线圈出线头, 引至变极接线箱内, 通过铜连接片来实现 变极 (2) 改造后的电动机节能效果分析 增压风机电动机变极改造后, 在机组不同负荷的情况下, 分别对 2 台电动机 在 2 台 12 极运行 一台 12 极一台 16 极运行 2 台 16 极运行下的电流 输入功 率 挡板开度进行比较 ( 分别见表 1-3 表 1-4 和表 1-5): 表 1-3 工况 1: 机组负荷 300MW 左右时 运行方式 2 台 12 极 一台 12 极一台 16 极 2 台 16 极 负荷 (MW) 总风量 (t/h) 烟气入口压力 (pa) 风机 A 电流 (A) 风机 A 功率 (KW) 风机 A 开度 (%) 风机 B 电流 (A) 风机 B 功率 (KW) 风机 B 开度 (%) 风机 A+B 总功率 (KW) 节电功率 (KW) 比 2 台 12 极低 267 比 2 台 12 极低 668 6

13 表 1-4 工况 2: 机组负荷 450MW 左右时 运行方式 2 台 12 极 一台 12 极一台 16 极 2 台 16 极 负荷 (MW) 总风量 (t/h) 烟气入口压力 (pa) 风机 A 电流 (A) 风机 A 功率 (KW) 风机 A 开度 (%) 风机 B 电流 (A) 风机 B 功率 (KW) 风机 B 开度 (%) 风机 A+B 总功率 (KW) 节电功率 (KW) 比 2 台 12 极低 268 比 2 台 12 极低 525 表 1-5 工况 3: 机组负荷 600MW 左右时 运行方式 2 台 12 极 一台 12 极一台 16 极 2 台 16 极 负荷 (MW) 总风量 (t/h) 烟气入口压力 (pa) 风机 A 电流 (A) 风机 A 功率 (kw) 风机 A 开度 (%) 风机 B 电流 (A) 风机 B 功率 (kw) 风机 B 开度 (%) 风机 A+B 总功率 (kw) 节电功率 (kw) 比 2 台 12 极低 267 比 2 台 12 极低 1153 通过上述数据对比可以看出, 在不同负荷下, 电动机变极后的运行比原来高转速运行, 都有明显的节能效果 ; 在 600MW 工况时,2 台 16 极运行比 2 台 12 极运行每小时节电 1153kW h., 节电率约 41% 7

14 2 电动机的变频调速节能改造 2.1 变频调速技术在污水处理中的应用 应用交流变频调速技术对工程应用中的污水处理工艺的鼓风机 进水泵等工艺设备进行控制调节, 从而使各系统风量 水流量等负荷工况参数按负荷情况得到适时调节, 不但能改善系统的调节品质, 达到阀门 风门节 / 回流调节等落后调节方式所不能相比的调节性能, 更能节省大量电能 (1) 变频调速的原理 交流异步电动机的转速公式为 : ( ) n= 60 f 1 s / p 式中 :n 电机转速 r/min; P 极对数 ; F 定子供电频率 Hz; S 转差率 由上式可知, 异步电动机的供电频率 f 与电机的转速 n 呈近似的线性关系 ( 一般交流异步电机在频率变化时转差率变化范围较小 ) 三相交流电动机磁通与转矩也是关键指标, 决定于供电电压和频率的比值 U/f, 因此, 电机调速过程中, 调节供电频率的同时, 还要调节供电电压 (2) 节能的原理 风机 水泵都为典型的平方减转矩负载, 下面以风机的工作特性来分析节能原理 风机的电动机轴功率 Pw 与其流量 Q, 风压 p 之间的关系式如下 : Pw Q p 当电动机的转速为 n1 n2 时, 流由 Q1 变化到 Q2, 此时 Q p P 相对于转速的关系 : 8

15 Q2=Q1 (n2/n1) p2=p1 (n2/n1) 2 Pw2=Pw1 (n2/n1) 3 由上述公式式可以看出, 调节电机转速即可调节流量, 风压与转速的 2 次方成正比, 风机轴功率 ( 功率输出 ) 与转速的 3 次方成正比, 从理论上讲, 速度降低 10% 时会带来 30% 左右的功率下降, 由于功率的大幅度降低, 可获得显著的节能效果显著 如下表 1-6 为调速后与调速前功率理论比值表 : 表 1-6 调速后与调速前功率理论比值 n 2 /n 1 100% 90% 85% 80% 70% 60% 50% P W2 /P W1 100% 73% 61.4% 51% 34% 21.6% 13.0% 节电率 0 27% 38.6% 49% 66% 78.4% 87% 而图 1-1 中,(a) 显示出了风机的压力与流量的关系曲线,(b) 转矩与电机速度 的关系曲线, 从中可以看出当采用变频调速时, 可以根据需要调节电动机的转速, 改变风机的性能曲线, 使风机满足工艺要求 压力 转速 N 2 时 转速 N 1 时 功率 P W 转矩 T 功率与转速的立方成正比 H 1 阻力曲线 转矩与转速的平方成正比 H 2 0 Q 2 Q % 转速 (a) 风机的压力与流量的关系曲线 (b) 转矩与电机速度的关系曲线 图 1-1 风机变频调速相关曲线 (3) 变频节能技术的应用 污水处理一般过程为, 污水先进入提升泵站, 而后依次通过爆气沉沙 氧化沟 二沉池, 把水和污泥彻底分离, 处理过的水打到排污口 其简单的示意图 2 9

16 所示 : 废水 格栅 一级沉淀 曝气池 二级沉淀 消毒池 排放 提升泵 沉砂池 回流污泥 回流泵 图 1-2 污水处理流程示意图 某污水处理厂, 根据厂区实际工况, 首先用两台 90kW 和一台 37kW 的污水提升泵将污水提升到 8 米的高度, 进行污水处理 ; 曝气池采用三台 200kW 的单级离心式鼓风机通过进风口风门调节曝气量 ; 而回流污泥通过两台 30kW 潜水泵已经通过变频运行, 其具体主要设备技术参数如下所示 ( 表 1-7): 表 1-7 主要设备技术参数 曝气鼓风机技术参数 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 风压 进风风门开度 目前运行电流 200kW 380V 365A 2974rpm 70kPa 20% 219A 提升泵技术参数 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 流量 扬程 备注 90kW 380V 185A 735rpm 1600~2700m 3 /h 8m 37kW 380V 74A 970rpm 600~1200m 3 /h 8m 回流污泥泵技术参数 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 流量 扬程 备注 30kW 380V 62A 970rpm 900~1200m 3 /h 5m 设备运行情况为 : 曝气鼓风机目前采用软启动器实现软启动, 一般使用两台曝气风机运行, 根据需要的曝气量人工调节进风口风门 ; 提升泵目前 90kW 采用软启动器实现软启动,37kW 直接启动每日污水处理量 50000m 3 / 天, 根据需要液位传感器的反馈值控制电机起停, 保证水池水位基本恒定 ; 回流污泥泵目前已经采用变频器自动变频调节, 可以根据工艺需求调节水泵转速 通过运行情况分析, 曝气池通过检测池内氧含量来调节曝气风机, 根据氧含量设置和检测得到的氧含量信号控制曝气量 目前污水处理中曝气风机达不到节能的要求, 需对曝气鼓风机环节进行变频技术改造 10

17 (4) 变频节能技术控制方案 图 1-3 曝气鼓风机变频一拖一应用示意图 考虑该厂情况对于曝气鼓风机, 采用 200kW 变频器对三台曝气鼓风机实现一拖一变频控制, 控制原理示意图如图 1-3 所示 人工选择任一台电机变频运行, 启动系统后, 人工根据需要调节调节器, 改变电机运行频率, 根据需求起停工频运行风机 变频器检修时可切换到现有系统运行, 保证生产 一拖一控制系统的优点在于, 运行平稳, 软起软停 ; 变频运行的调节范围广, 避免风机变频时对最低频率限制产生的工变频切换过程产生的阶跃, 造成系统运行产生跳跃的情况 ; 系统的所有电机均运行在变频状态, 节能效果相当明显 (5) 节能效果分析 系统风机变频调速的节能分析及风口风门调节的鼓风机变频调速节能计算 : 系统在工频运行情况下, 由于系统在工频运行时电网电压不变, 改造前采用进风口风门调节, 因此风机的进风和出风的压差保持不变, 可推导出公式为 : p w节流 p we = I I 2 e 式中 :P w 节流 节流运行时的电功率 ; P we 电机额定功率 ; I 2 节流运行时的电机电流 ; I e 电机额定电流 系统在变频运行情况下, 由于频率的变化, 使风机转速发生变化, 来保证输出的流量, 变频后进风口风门全开, 只要保证出口流量达到变频前的流量即可, 11

18 这时频率变化流量 压力都在变化 由此经过推导可得到采用变频后的耗电功率和采用变频前的耗电功率比值为 : P P w变频 w节流 = I 2 2 ( ) I e 式中 :P w 变频 变频运行时的电功率 P w 节流 节流运行时的电功率 P we 电机额定功率 I 2 节流运行时的电机电流 I e 电机额定电流 因此可得节电率为 : Pw 节流 Pw 变频 I = 1 P I w节流 2 2 ( ) e 根据实测的数据和节能分析, 对曝气鼓风机的节能理论分析计算如下 : 对于曝气鼓风机, 在风机阀门开度 20% 的情况下, 变频运行后进风口风门全 开, 运行输出工况保持目前状态, 且考虑额定电流为 365A, 在实际运行下余量 的要求, 需要满足额定电流的 1.2 倍系数范围内, 即电流为 365/1.1=304 A 按照鼓风机满负载工况时电机运行电流为 304A 计算, 故鼓风机变频改造后的计算节电率为 :1-(219/304) 2 =51.9% 通过变频改造后对系统节电效果检测, 实际节电率达到 45% 变频节能改造后不但节电效果比较明显, 而且满足了工艺要求 2.2 变频调速在压缩机上的节能应用 在实际应用当中, 比较常用的主要是往复式 ( 活塞式 ) 和螺杆式压缩机 空气压缩机其工作原理是当储气罐 ( 管路 ) 内空气压力达到设定压力上限 ( 例如 0.7MPa) 时, 压缩机进入空转卸载状态, 当储气罐内空气压力低于设定压力下限 ( 相对应值 0.6MPa) 时, 压缩机又进入满载工作状态 由于生产线上使用空压机的设备的工作周期和生产工艺的差别, 使得用气量瞬时变化非常大, 这就造成空气压缩机工作时总是在重复满载 - 卸载工作方式 满载时的工作电流接近电动机的额定电流, 卸载时的空转电流约为 30~50% 电动机额定电流, 这部分电流不 12

19 是做有用功, 而是机械在额定转速下的空载损耗 这种机械式调节装置虽然也能起到压力调节作用, 但是压力调节精度低, 压力波动大, 卸载后空压机依然在额定转速下工频运行, 造成电能的浪费 ; 突然加载时, 又会对供电电网和空压机设备造成很大的冲击, 增加了设备的机械磨损 (1) 压缩机的变频调速节能原理 根据空气压缩理论, 压缩机的轴功率 排气量和轴转速符合下列公式 : P r M r n 9550 = Vd 1 = k Vh 1 n 2 式中 : P r 压缩机轴功率,kW; M r 压缩机输入的平均轴扭矩,N m; n 压缩机轴转速,r/min; k 与气缸容积 温度 压力和泄露有关的系数 ; n 2 变频调节后的压缩机转速,r/min; V h1 吸气容积,m 3; V d1 在 n 2 转速下的排气量,m 3 /min 根据上述理论分析, 在空气压缩机的吸气容积一定 ( 同一压缩机容积一定 ) 的条件下, 只有调节压缩机的转速能改变排气量, 空气压缩机是恒转矩负载, 压缩机轴功率与转速呈正比变化, 在压缩机总排气量大于用气量时, 通过降低压缩机转速调节供风压力, 是达到压缩机经济运行的有效方法 可以选用的压缩机变极电动机 改变皮带轮传动比 串级调速等调速方法中, 变频调速与其他调速方法相比, 具有无极调速 容易实现自动控制 不用改变设备结构和安装量小的特点 变频调速的优点是压力给定方便, 根据用气量的变化随时调整设定值, 能够实现压力闭环运行, 实现压缩空气的恒压供应, 提高空压机的运行效率, 达到节能的目的 (2) 压缩机变频恒压控制节能分析 计算 压缩机系统为典型的恒转矩负载特性, 对于压缩机的恒压输出系统而言, 恒 13

20 压控制后系统运行在恒转矩变流量状态 在采用变频调速时, 系统流量需要减小时, 降低压缩机转速, 使压缩机在规定压力下低流量点运行 压缩机的输入功率与流量成近似线性关系, 如图 1-4 所示 图 1-4 压缩机恒压变流系统减速运行的功率消耗示意图 因此压缩机系统进行变频改造后的节能效果主要决定于所运行流量的大小, 压缩机的耗电量与流量成正比关系 对于全速工频运行的压缩机系统, 采用卸载自动进行调节后, 虽然总管道输出压力保持在一定范围, 但这时压缩机电机运行在轻载和满载两种状态, 白白浪费掉电机运行在卸载状态时的能量消耗, 因此采用变频恒压控制改造后降低了压缩机的运行转速, 节约了能量的消耗 系统改造后还可使系统实现软启动 软停止, 减少系统启动对电网的冲击, 减少系统启动次数, 系统运行平稳 ; 由于压缩机运行转速的降低, 减少机械磨损, 延长电机和压缩机的使用寿命 系统若采用压力闭环控制方案改造后, 可实现全自动控制, 真正实现无人值守 根据压缩机的负载性质, 我们可以得到压缩机的输入功率表达式 : 14

21 P = P + P r k y 式中, P r 压缩机输入功率 (kw); 其中 : P k 压缩机的空载损耗功率 (kw); P y 压缩机的有效功率 (kw); P = k Q y P yl 式中, k 比例系数 ; Q 压缩空气流量 (m 3 /min); P yl 压缩空气的压力 (kpa) 由于工频运行时, 压缩机组运行在满载和空载两种状态, 假设机组空载运行时的系统损耗和满载运行时的系统损耗相同 ( P k ), 因此工频运行时电机消耗电能的表达式为 : W = P 工频 k + Py) t + P t P t P 满载 k = 空载 k + y ( t 满载 式中, W 工频 工频运行压缩机的耗能量 (kwh); t 压缩机空载 满载运行时间和 (h); t 满载 压缩机满载运行时间 (h); t 空载 压缩机空载运行时间 (h) 机组在变频运行时, 在恒压控制时压缩机的输入功率和流量成正比, 根据压缩机的工作特性, 压缩机组的流量与转速成正比, 即与电机的运行频率成正比, 由此可得 : 式中, Q 变频 f Q = 1 变频 f1 变频 Qe f 即 : = e Qe f e Q 压缩机在变频运行时的流量 (m 3 /min); f 1 压缩机拖动电机变频运行频率 (Hz); f e 电机工频运行频率 (Hz); Q e 压缩机在工频运行时的流量 (m 3 /min) 压缩机组采用变频运行后, 要保证用户的用风量, 这样同一运行时间下变频 15

22 运行的压缩风量应与工频运行相同, 因此有 : 式中, t Q t = Q Q t t 变频 e 满载即 : 变频 = Q t 工频运行时满载与空载时间和 (h); t 满载 工频运行时满载运行时间 (h) e 满载 由上式可知 : f f 1 e = t t 满载 从上述公式的推导可以看出, 由于工 变频运行压力要保持不变 ( 这里忽略工频运行时的压力变化 ), 变频运行时压缩机组的输入功率为 : t P t 满载 P y变频 = P y t 即 : 变频 = P t y 满载 式中, P y变频 压缩机在变频运行时的有效功率 (kw); P y 压缩机在工频运行时的有效功率 (kw) 变频运行时电机消耗电能的表达式为 : W 变频 = P + P ) t ( k y 变频变频 式中, P k变频 压缩机在变频运行时的损耗功率 (kw) 根据机械负载的特点, 近似认为机械损耗功率与转速成正比, 可知 : t Pk 变频 = Pk 满载 t 变频运行压缩机的耗能量为 : W 变频 = P k t + P t P t P 满载 y = 变频 k + 满载 y t 满载 式中, W 变频 变频运行压缩机的耗能量 (kwh) 16

23 使用变频后压缩机轴端输入功率减少量为 : Δ W W W P t t ) z = = 工频变频 k ( = 满载 k P t 空载 式中, t 空载 工频运行时空载运行时间 (h); Δ W z 压缩机轴输入能量节约量 (kwh) 以上计算得到了压缩机轴输入 ( 电机轴输出 ) 能量节约量, 我们假设变频器使用前后的电机效率不变, 得到系统耗电量的节约量 ( 节能量 ): ΔW = ΔW z η 式中, Δ W 压缩机电机节能量 (kwh); η 电机运行效率 由于压缩机空载时电机的输出功率为 : P k = 3 U I COSϕ η 空载 式中, U 压缩机电机的运行电压 (V); I 空载 压缩机电机空载运行时的电机电流 (A); COS ϕ 压缩机电机空载运行时电机的功率因数 因此可以得到节能量为 : ΔW = 3 U I COSϕ 空载 t 空载 这样我们只要检测到压缩机空载运行时的电机电压 电流 功率因数以及某时间段内的压缩机系统的空载运行时间和, 就可计算出该时间段内的节能量 以上的计算为理论计算, 在计算过程中忽略了一些次要因素, 计算结果仅供参考, 实际的节能效果要根据实际情况和变频器的设定情况, 通过实际测量来确定 17

24 (3) 压缩机变频改造案例 表 1-8 压缩机和配套电机的技术参数 电机技术参数型号额定功率额定电压额定电流额定转速调速方式数量 Y315M kW 400V 268.6A 1485rpm 不调节 3 Y280S2-4 75kW 400V 129.1A 1480rpm 不调节 1 压缩机技术参数满载运行电空载运行电型号额定流量额定压力类型额定功率流流 MM160 26m 3 /min 0.85MPa 螺杆式 160kW 265A 120A MM m 3 /min 0.85MPa 螺杆式 75kW 125A 65A 备注 : 1 目前运行采用人工起停的方法控制, 风压波动大, 有较长的空车时间 ; 2 运行压力要求, 不低于 0.6MPa; 3 目前两台 160kW 投入运行, 在需求量较小时启动一台 160kW 一台 75kW; 4 目前运行两台 160kW, 折算满载空载运行时间为 : 一台满载运行, 一台满载空载运行时间比为 1:1 变频改造技术方案 该系统是采用一拖四方案, 利用一台变频器对四台压缩机进行变频控制, 在运行时可根据需要通过人工确定工频 变频运行的压缩机, 也可系统智能完成压缩机的循环切换, 实现恒压供风 在安装时, 保留原压缩机的供电柜, 将原压缩机的供电柜输出接到变频控制柜的相对应接触器上, 对原压缩机系统的控制进行相应的改造, 满足变频运行和工频运行两种工作状态对压缩机控制的要求, 实现工频和变频互锁, 操作时只需要按原操作方式对压缩机进行操作即可, 系统原理图如图 1-5 所示 图 1-5 变频一拖四控制方案系统示意图 18

25 在设备运行时, 首先选择强制退出运行的压缩机, 系统根据投入运行的压缩机自动分配变频运行和工频运行的压缩机, 并启动首先变频运行的压缩机, 变频器拖动该压缩机组变频启动并运行, 当压缩机运行到额定转速时还达不到设定压力, 变频控制装置自动将该压缩机切换到工频运行, 然后变频启动另一台压缩机并变频运行, 变频控制的压缩机组运行频率降低到设定下限, 管网压力还高于压力设定值时, 装置自动切除工频运行的压缩机, 如此循环进行 在一台 160kW 和一台 75kW 压缩机能满足要求时, 自动将 75kW 变频运行, 160kW 工频运行 在变频器需要检修时, 可以继续采用工频运行方案 节电率计算 根据节能分析中的节能量计算公式, 每天运行时间按 24 小时计算, 功率因数为 0.85, 可计算出一个满载 空载周期节约能量为 ( 认为功率因数在空载和满载运行时相同 ): Δ W = 3 U I空载 COSϕ t空载 = = 848 (kw h) 目前一个满载 空载周期总耗能为 : W 工频 = 3 U ( I t + I t 满载 ) COSϕ 空载 空载 满载 = ( ) 0.85 = 2721 因此节电率约为 :31% 每年运行按 330 天计算, 这样每年可节约电能 : W = ΔW 330 = 节约 (kw h) 电费按 0.7 元 / 度计算, 年可节约电费 : =19.6( 万元 ) 19

26 2.3 罗茨风机的变频节能改造 罗茨风机在冶金 建材 化工 纺织等行业都有广泛的应用, 目前不使用变频器的罗茨风机控制系统主要是让电机恒转速运转, 采用罗茨风机的进出风阀门调节, 将压力控制在一定范围, 从而实现流量控制 这种方式不仅操作不便且浪费大量电能, 势必要对其进行变频改造 (1) 罗茨风机变频调速的优点 交流变频调速技术由于具有其它众多调速方式无可比拟的优越性, 从而成为交流电机调速控制的首选方式, 其主要优点如下 : 1) 可实现平滑的无级调速, 精度高, 范围宽, 效率高达 95% 以上 ; 2) 起动转矩大 ( 可限定在额定值的 1~1.25 倍 ), 起动电流小, 电动机的转矩脉动小, 实现软起动而且运行平稳 3) 安装容易, 调速方便, 操作简单, 容易与 PLC DCS 系统衔接 ; 4) 可靠性高, 且有过流 过压 欠压 过载等多种保护功能 (2) 罗茨风机的特性 罗茨风机为容积式风机, 如图 1-6 所示, 输送的风量与转数成比例, 三叶型叶轮每转动一次由 2 个叶轮进行 3 次吸 排气, 在 2 根平行的轴上设有 2 个三叶型叶轮, 轮与椭圆形机箱内孔面及各叶轮三者之间始终保持微小的间隙, 由于叶轮互为反方向匀速旋转, 使箱体和叶轮所包围着的一定量的气体由吸入的一侧输送到排出的一侧 各支叶轮始终由同步齿轮保持正确的相位, 不会出现互相碰触现象, 因而可以高速化, 不需要内部润滑, 而且结构简单, 运转平稳, 振动小, 噪声低, 性能稳定, 适应多种用途, 已运用于广泛的领域 罗茨风机运行特性的最大特点是其容积回转特性, 可以近似认为风机所能达到的最大压力与转速无关, 即不同转速下所能达到的最大压力维持不变, 流量与转速成正比, 因此, 将罗茨风机看成恒转矩负载 20

27 图 1-6 罗茨风机运行原理示意图 (3) 罗茨风机变频改造效果分析 由于罗茨风机的恒转矩负载特性, 相应的罗茨风机系统属于典型的恒压输出系统, 因此恒压控制后系统运行在恒转矩变流量状态 在采用变频调速时, 系统流量需要减小时, 降低罗茨风机转速, 使罗茨风机在规定压力下低流量点运行 罗茨风机的输入功率与流量成近似线性关系, 如图 1-7 所示 因此罗茨风机进行变频改造后的节能效果主要决定于所运行流量的大小, 罗茨风机的耗电量与流量成正比关系 图 1-7 罗茨风机恒压变流系统减速运行的功率消耗图 对于全速工频运行的系统, 若采用调节进风阀门开度来调节流量, 则进风风阻增加, 使输入的风压降低, 造成大量的电能浪费 ; 若采用输出排风的方法调节输出流量, 排出的风也同样浪费掉, 造成电能的无谓消耗 因此采用变频恒压控制改造后可以降低罗茨风机的运行转速, 减少电消耗, 实现节能 系统改造后还可使系统实现软启动 软停止, 减少系统启动对电网的冲击, 减少系统启动次数, 系统运行平稳 ; 由于罗茨风机运行转速的降低, 减少机械磨耗, 延长电机和罗茨风机的使用寿命 系统若采用压力闭环控制方案改造后, 可实现全自动控制, 真正实现无人值守 21

28 (4) 罗茨风机变频改造后节能量分析计算 目前罗茨风机在应用时, 调节方式有两种, 一种是罗茨风机的输入口有阀门调节或输入流量受限制造成流量不均衡, 另一种是采用输出侧直接放风的方式 在这里对两种方式分别进行变频改造节能效果分析 并且根据罗茨风机的负载特性, 由于罗茨风机效率较高, 这里忽略损耗 a) 基本计算公式 P W = 3UI cosϕ P KPQ W = η 式中 : P W 风机消耗的电功率 ; η 风机效率 ; U 电压 ; I 电流 ; cos ϕ 功率因数 ; P 压力 ; Q 流量 ; K 常数 b) 输入侧调节方式变频改造节能分析计算 对于罗茨风机的应用场合来说, 工艺需求压力 流量是一定的 由于改造前采用进风口阀门调节, 降低了输入的风压, 因此罗茨风机的进风和出风的压差保持不变, PW 节流 = 3 U I 工频 cosϕ 采用变频调速后要保证流量不变, 然而这时由于罗茨风机的进风压力升高, 进风和出风的压差变小, 罗茨风机的消耗功率将随压力增加量的降低而降低, 因此节电率为 : P w节流 P P w节流 w变频 = P y节流 P P y节流 y变频 式中 : P 节流运行时的电功率 ; w节流 22

29 P w 变频 变频运行消耗的功率 ; P y 节流 节流运行时的压差 ; P y 变频 变频运行时的压差 根据理想气体状态方程, 假定节流不影响输入风的温度, 则阀门开放的面积比就等于进风压力比, 即 : P y节流 P P y节流 y变频 S = 1 S 节流 = 1 K f 式中 : S 节流 节流运行时的阀门开放截面积 ; S 进风管截面积 K f 进风阀门开度 因此, 由以上公式可得 : 节电率 =1 K f c) 输出侧调节方式变频改造节能分析计算 系统在工频下运行, 由于改造前采用出口放风阀门来调节, 因此可认为罗茨风机电机运行在额定工作状态 采用变频调速后要保证使用流量不变, 关闭排风阀门后, 罗茨风机的消耗功率与额定流量的比值为 : P 变频 P e Q = Q y e 式中 : P e 工频运行时的电功率 ; P 变频 变频运行消耗的功率 ; Q y 生产线需要的流量 ; Q e 罗茨风机的额定流量 因此节电率为 : P Q 变频节电率 = 1 = 1 P Q e y e 在实际计算时, 一般很难得到需要的流量数值, 因此通过上述计算方法很难 23

30 计算出节电率, 但很容易得到输送管道的管径 排放管的管径和排放管阀门的开度, 因此可得到 : 节电率 = 1 D 2 y D + k 2 y p D 2 p 式中 : D 罗茨风机输出管管径 ; y D p 排风管管径 ; K p 排放管阀门开度 在上述的计算中, 要注意计算中未考虑系统损耗等情况, 以上是理论计算值, 实际工况比上述计算复杂的多, 因此节能率要比计算值低些 (5) 水泥厂罗茨风机变频改造实例 某立窑水泥厂, 生产线上的罗茨风机是主要的耗能设备, 其风量是按工艺要求进行调节的 以前是采用调节进风口或放风口挡板的开启度的方法来满足工艺要求 由于该方法是以增大风阻或牺牲风机效率来达到要求, 也就是增大耗能为代价取消风量的粗调, 同时过剩的风量向空中排放, 又加重了环境污染, 诸多弊端一直困扰着每一家水泥厂 水泥厂立窑风机 表 1-9 现有设备技术参数 电机参数 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 备注 245kW 380V 443A 737rpm 罗茨风机参数 电机功率 额定流量 出口静压 调节方式 输出管管径 排风管管径 180kW 263m 3 /min 30.2kPa 出口放风开度 mm 600mm a) 选用变频器时的有关要求 罗茨风机属于恒转矩类负载, 在选配罗茨风机变频调速装置时, 应避免选用离心风机 水泵专用的变频调速器, 而应选用恒转矩负载类的通用变频调速器 选用变频器拖动的主要目的是按需要的用风量, 合理调节压力的设定值, 实现稳压节能运行 按配套电动机额定电流选用变频器, 变频器要有内置 PID 调节功能 24

31 和 4~20mA 或 0~10V 模拟信号接口, 使用地点的电压变动率要在变频器允许输入电压范围内 b) 变频改造技术方案 改造方案是采用变频器对罗茨风机进行变频控制, 变频运行时人工给定信号, 变频器自动增加或减少电机运行频率, 改变风机的运行转速 在变频改造时, 保留原系统启动柜不变, 只需要将启动装置的进线和出线与变频装置开关柜连接, 当变频装置需要检修或因为各种原因不能正常工作时, 系统可切换到通过原有的启动系统运行, 保证生产 系统原理示意图如图 1-8 所示 : 图 1-8 变频控制方案示意图 c) 节能效果分析计算 1) 直接节电效果分析 : 按 4.3 的分析可按如下公式进行计算节电率 : 节电率 = D y 800 = D + ( ) y k p D p = 25.3% 变频改造运行后, 根据系统实际消耗功率的测试数据计算出, 系统节电率达到 23.6%, 与计算值较为接近, 可见变频改造确实可以有明显的节能效果, 并且节能分析预估算对制定节能方案具有指导意义, 十分必要 2) 间接经济效益分析 : 变频软起动节省电能, 并减少了维修费用, 操作便捷, 节省了劳动力等 25

32 3 高效永磁电机的替换改造 3.1 化纤厂干燥转炉电机的替换 上海德福伦化纤有限公司 ( 原上海第十化学纤维厂 ) 地处上海市金山区枫泾工业区, 是原上海第十化学纤维厂经搬迁改造发展而成的化纤生产企业, 专业生产各种差别化涤纶化纤, 年生产能力 吨 (1) 设备现状 在化纤工业生产中, 聚酯切片干燥设备 ( 转鼓设备 )( 图 1-9) 是主要加工设备, 配套电机为三相异步电动机, 型号为 Y132S-4(5.5kW), 其额定数据如表 1-10 所示 图 1-9 转鼓设备 表 1-10 配套异步电动机额定数据 电机型号 Y132S-4 额定功率 (KW) 5.5 额定电流 (A) 11.6 额定电压 (V) 380 额定转速 (r/min) 1440 接 法 三角形接法 防护等级 IP44 重量 (kg) 68 绝缘等级 B 干燥设备的加工过程为 : 加料之后, 电机转矩通过减速机传递给转鼓, 带动转鼓以 3.5 转 / 分钟的转速运行, 其运行周期约为 14 个小时 在转鼓的初始位置, 聚酯切片 ( 约为一吨 ) 在转鼓一侧底部 为了使转鼓顺利起动, 常按转鼓最大负荷来选配电动机, 因此正常运行时负荷率在 30% 左右, 转鼓配套电机能力过剩很大 由于转鼓负荷的特殊性, 在使用普通 Y 系列三相异步电动机时, 为了满足生 26

33 产需要, 使 大马拉小车 现象成为必然 电机和转鼓负荷运行中的不匹配, 使电机一直在低效率下运行, 造成了能源的浪费 因此, 将转鼓配套的异步电动机替换为高起动转矩永磁同步电动机是较为有效的节能措施 根据上海德福伦化纤有限公司转鼓设备及负载用能情况, 对转鼓设备实施了电机节能改造工程 (2) 节能原理与方案 稀土永磁是一种高性能材料, 它的高剩磁密度 高矫顽力 高磁能积等优异磁性能特别适合于制造电机 充磁后, 无需外加能量就能在电机内部建立进行机电能量转换所必需的磁场, 用它制成的高效高起动转矩永磁同步电动机与异步电动机相比, 不需要用以产生磁场的无功励磁电流, 可以显著提高功率因数, 使永磁同步电动机的功率因数为 1, 甚至达到容性, 同时也减少了定子电流和定子电阻损耗 ; 在稳定运行时, 转子与定子磁场同步运行, 转子中无感应电流, 所以不存在转子电阻损耗, 进而电机的温升有更大裕度, 从而可以将风扇减小甚至不安装风扇, 以减少风摩损耗, 从而进一步提高电机效率 将原三相异步电动机替换为超高效三相永磁同步电动机, 其中永磁同步电动机的额定数据如表 1-11 所示 表 1-11 超高效永磁同步电机额定数据 电机型号 Y132S-4 额定功率 (KW) 5.5 额定电流 (A) 9.3 额定电压 (V) 380 额定转速 (r/min) 1500 接 法 Y 防护等级 IP54 重量 (kg) 98 绝缘等级 F (3) 系统用电情况的测试方案 为了能够进一步了解电机节能改造前后的用电情况, 经与企业协商讨论, 制订的方案测试方案如下 : 1) 采用统一的方法 杂散损耗推荐法进行测量, 对改造前后电动机的效率进行实验室测量 ; 2) 对系统改造前后电动机的实际用电情况进行测量, 测量的参数包括电动机的电压 电流 有功功率 用电量 ( 含有功和无功量 ) 转速等 27

34 (4) 电机试验数据分析对比 电机的负载率大小对电动机的效率和功率因数有着很大的影响, 对于异步电动机来说, 负载率不同, 电机的效率和功率因数变化很大, 负载率越低, 电机的效率和功率因数随之降低 ; 对稀土永磁同步电动机而言, 它的一个难能可贵的性能就是在轻载下能够保持较高的效率和功率因数, 而且在相同负载率下, 效率较异步电动机要高得多 为了验证永磁同步电动机和三相异步电动机的运行效率, 特对两台三相永磁同步电动机产品和一台原有三相异步电动机的性能按国家标准 三相异步电动机试验方法 (GB/T ) 进行效率测试, 所测效率曲线和功率因数曲线图 1-10~ 图 1-11 所示 效率 /% 负载率 /% 三相异步电动机 1# 三相异步电动机 2# 永磁同步电动机 1# 永磁同步电动机 2# 图 1-10 电机效率曲线对比图 图 1-11 电机功率因数曲线对比图 从电机的测试结果来看, 与三相异步电动机相比, 永磁同步电动机不仅在额定状态下具有较高的效率和功率因数, 而且在轻载时具有较高的效率和功率因数, 即电动机具有高的且相对平坦的工作特性曲线, 解决了三相异步电动机在轻 28

35 载时效率和功率因数低的突出问题 所测的额定运行时效率和功率因数见表 1-12: 表 1-12 电机效率和功率因数的测试值 电机类型 效率 /% 效率 /% 功率因数功率因数 /% (100%P2) (25%P2) (25%P2) (25%P2) 永磁同步电动机 (1#) 永磁同步电动机 (2#) 三相异步电动机 (1#) 三相异步电动机 (2#) (5) 节电率计算 根据企业的生产情况, 选择两台设备进行改造 本次进行实际测量时选用的 为 3 号设备 8 号设备 (1) 测量参数 : 电动机的电压 电流 有功功率 用电量 转速等 ; (2) 测量的结果 : 见表 1-13 电机节电率效果用比较测定法进行对比分析, 试验是在原配套三相异步电动 机和永磁同步电动机在转鼓上运行一定时间内进行 下面是三相异步电动机和永 磁同步电动机相同时间内测得的数据如表 1-13 表 号设备电机用能测试数据 电机类型 有功电量 (W.h) 无功电量平均有功功 (Var.h) 率 (W) 负载率 (%) 三相异步电动机 永磁同步电动机 有功节电率的计算 W1- W ξ jy = 100%= 100%=21. 6% W 式中 : 29

36 W 1 异步电动机有功电量 ; W 2 稀土永磁电动机有功电量 2 无功节电率的计算 Q1 Q ξ jw = 100% = 100% = 96.5% Q 式中 : Q 1 异步电动机无功电量 ; Q 2 稀土永磁电动机无功电量 ; 3 综合节电率的计算 ξ = j = ( W W ) + Kq( Q Q ) ( ) ( ) W + Kq Q % 100% = 26.9% 式中 : Kq 无功经济当量,kW/kVar 4 年节电费用 电机以每年运行 6000 小时, 电价为 0.68 元 / 度计算, 则年节电费用为 : % 21.6% =1284( 元 ) 改造费用大致为 4000 元, 经计算可以得到投资回收期 3.1 年左右 下面是另一组三相异步电动机和永磁同步电动机相同时间内测得的数据如 表 1-14 表 号设备电机用能测试数据 电机类型 有功电量无功电量平均有功功率 (W.h) (Var.h) (W) 负载率 (%) 三相异步电动机 永磁同步电动机

37 利用同样的方法, 计算得出另一台电机的有功节电率 无功节电率分别为 27.3% 87.1% 31.6%, 则年节电费用为 : % 27.3% =1617( 元 ) 投资回收期大致为 2.47 年 综上所述, 聚酯切片干燥设备电机节能改造的节省电费 总投资回收期如表 1-15 所示 表 1-15 总投资回收期计算 电机类型 投资费用 ( 元 ) 年节电费 ( 元 ) 投资回收期 ( 年 ) 永磁同步电动机 (1#) 永磁同步电动机 (2#) 总计 可以看出, 本项目的投资回收期为 2.76 年, 节能效果显著, 投资回报合理 3.2 纺织细纱机用永磁电机的替换 (1) 纺织行业细纱机驱动电机系统的现状 1) 细纱机驱动电机系统 细纱机驱动电机系统包括 : 驱动电动机 电动 机控制器及接触器 皮带传动轮 Z 捻单张力盘 张力盘主轴 齿轮箱等组成 ( 见图 1-12) 2) 常用细纱机电动机的配置 根据细纱机机台纱锭数量的多少, 分别配置不图 1-12 细纱机驱动系统同功率的纺织专用异步电动机, 其中包括单速和双速二种类型 ( 见表 1-16), 目前, 纺织企业细纱机绝大部分已使用双速电动机配套 31

38 表 1-16 目前纺织行业配套电机 3) 纺织专用异步电动机主要性能和负载率状况 a 目前使用的纺织专用异步电动机主要系列 JFO3 系列纺织专用高效异 步电动机 其主要性能见表 1-17 表 1-17 JFO3 系列高效三相异步电动机主要性能表 380V/50HZ b FXD 系列高效三相异步电动机主要性能 380V/50HZ 见表 1-18 表 1-18 FXD 系列高效三相异步电动机主要性能 以 FXD 系列为例 其能效已达到 GB 中小型三相异步电动机能 32

39 效限定值及能效等级 2 级标准 而且效率曲线上翘, 在负载区效率达到最高, 设计上已经比较合理 (c) 细纱机已大多采用双速异步电动机配套 目前细纱机驱动方式有 : 直接启动方式 软启动方式和变频调速三种方式 对于直接启动方式的细纱机, 为降低断头率, 很大一部分采用了 4/6 极双极电动机, 这样在确保启动转矩前提下, 转速降低 34.8%, 在 965r/min 时启动, 1480r/min 运转, 断头率降低, 也可让操作工在慢转速条件下接头 双转速异步电动机在用 6 极低速直接启动时, 堵转转矩和 4 极高速时的堵转 转矩相当 (2) 改造目的 目前细纱机配套用纺织专用异步电动机的效率都比较高, 在这样的基础上再 节能 10%~15% 应该讲是一次挑战, 为什么还要这样做? 主要原因是 : 1) 细纱机属于 24 小时运行 全年几乎不停机的耗电设备, 哪怕再小的节电 率对任何的纺织企业都是巨大的节能量 ; 2) 细纱机在运行中分为空纱 中纱和满纱等不同负荷阶段, 目前配套电机 还不完全满足较宽的经济运行范围要求 ; 3) 采用匹配设计的永磁电机可同时解决断头率高等质量问题, 提高企业的 产品质量 间接降低劳动强度, 提升企业竞争力 (3) 改造实施案例 华芳集团在 48# 工位 JF03 电机更换纺织专用永磁电机, 测试改造前后, 有功功率及用电量, 无功率功率, 电流, 电压, 由原配套纺织专用异步电动机和稀土永磁同步电动机, 在同一台细纱机上纺同一品种细纱, 运行一落纱而测取 测试仪表 : 电能质量分析 FLUKE1760, 美国 ( 进口 ) 被试细纱机技术概况 : 33

40 1) 细纱机型号 :FA503A( 经纬厂生产 ) 416 锭车台生产年份为 1999 年, 纱支品种为棉 21 支 2) 原配套电动机技术概况 电动机型号及主要技术参数 : 纺织专用双速电动机 JFO3-61B- 4/6 额定功率 :17/9KW 额定电压 :380V 额定频率 :50Hz 额定转速 :1440/960r.p.m 额定电流 :33.4/22.1A 额定效率 :89.5% 接法 : Y 堵转转矩倍数 :1.7 绝缘等级 :B 机座号 : 180 重量 : 180Kg 制造厂 : 无锡市第五纺织机械厂表 # 细纱机及超高效节能三相稀土永磁电动机 (4 ) 节电结果比较 采用一落纱过程细纱机消耗的有功电度数 无功电度数来计算有功节电率 无功节电率及综合节电率, 与采用一落纱过程细纱机的平均有功功率 无功功率来计算有功节电率 无功节电率和综合节电率的结果为 : 表 1-20 节电测试结果 计算方法 有功节电率无功节电率综合节电率 ζjy(%) ζjw(%) ζj(%) 采用一落纱消耗的电度数计算 采用一落纱过程的平均功率计算 相 差 (%)

41 3.3 化纤倍捻机用永磁电机的替换 (1) 设备现状 310G 化纤倍捻机是化纤长丝加捻设备, 作为喷水织机的前道设备, 纺织厂需大量配备 一台倍捻机由两台 7.5kW 三相异步电动机驱动, 大量的倍捻机是纺织厂的主要用电设备, 常常占纺织厂总用电量的 50% 以上 而倍捻机常用的普通三相异步电动机, 效率在 87% 以下, 由于长期运行在轻载状态下, 功率因数也很低, 造成电能浪费 (2) 电机替换 在节能改造时可采用二台 7.5kW BYT132M-4 型三相稀土永磁同步电动机替代 原异步电动机, 轻松实现节能改造 转型升级 (3) 节能效果 因为每台倍捻机的负载情况都不相同, 因此先在原倍捻机上 ( 异步电动机 ) 安装一个电度表, 连续工作三天 (72 小时 ) 读表后计算平均每台每小时所用电度数 然后把这台倍捻机的异步电动机更换为稀土永磁同步电动机, 连续工作三天读表后计算平均每台每小时所用电度数 将两组数据对比, 计算节电效果 在吴江南华喷织有限公司一车间 25~48 号倍捻机上的实测结果为 : 表 台倍捻机试验数据 电动机类型 三相异步电动机 稀土永磁电动机 对比变化值 测试时间 ( 小时 ) 线电流 ( 安培 ) % 功率因数 (CosФ) 机身温度 ( ) 总消耗电度数 (KWH) 每小时耗电度 (KWH) 节电率 (%) 小时节电 (KWH)

42 通过纺织厂现场倍捻机实测,HW-BYT132M-4 型三相稀土永磁同步电动机的节电率 10% 根据以上实测数据, 按纺织厂通常 24 小时开机, 且一年平均运行 330 天计算, 一台稀土永磁同步电动机每年可节电 : 0.75( 度 / 小时 ) 24( 小时 ) 330( 天 )= 5940( 度 ) 按平均每度电 0.75 元计算, 一台稀土永磁同步电动机每年可节省电费 : 5940( 度 ) 0.75( 元 / 度 )= 4455( 元 / 年 ) 吴江南华喷织有限公司共有倍捻机 576 台, 全部改造完毕后, 每年可节省电费 :4455( 元 / 年 ) 576( 台 )= ( 元 / 年 )= 256.6( 万元 / 年 ) 一台 7.5kW 电动机的平均寿命为 12 年, 因此, 一台稀土永磁同步电动机在产品寿命期内累计节约的电费 : 4455( 元 / 年 ) 12( 年 )= ( 元 ) 吴江南华喷织有限公司改造的直接经济总收益为 : 53460( 元 / 台 ) 576( 台 )= ( 元 )= 3079( 万元 ) 由此可见, 三相稀土永磁同步电动机在纺织行业倍捻机上的应用具备巨大的经济效益 3.4 清水离心泵用永磁电机的替换 (1) 设备现状 本次测试在远纺工业 ( 无锡 ) 有限公司 SB-ZL 型单级单吸清水离心泵上进行 水泵主要技术参数 : 型号 : SB-ZL 流量 : 120m 3 /h 泵效率 : 76% 杨程 : 32m 转速 : 1450r.p.m 说明 : 鉴于缺少流量计, 故清水泵在本次试验中未测取流量 36

43 表 1-22 原配套异步电动机参数 电机型号 Y 电机生产编号 额定功率 (Kw) 15 额定电流 (A) 30.1 额定电压 (V) 380 额定转速 (r/min) 1460 接法 Y 防护等级 IP44 重量 (Kg) 133 绝缘等级 F 环境温度 ( ) 33.4 电机表面温度 ( ) 50.7 电机制造厂 江苏 XX 电机有限公司 生产线编号 表 1-23 稀土永磁电机参数 电机型号 XYT160L-4 电机生产编号 额定功率 (Kw) 15 额定电流 (A) 25.4 额定电压 (V) 380 额定转速 (r/min) 1500 接 法 防护等级 IP44 重量 (Kg) 128 绝缘等级 F 环境温度 ( ) 33 电机表面温度 ( ) 42 电机制造厂 江苏爱尔玛电机制造有限公司 生产线编号 (2) 节能效果 根据实测数据进行计算的结果汇总于下表 1-24: 表 1-24 不考虑由于永磁电动机转 考虑由于永磁电动机转速 计算方法 节电率 速的增加, 使水泵流量 压 的增加, 使水泵流量 压 (%) 力和消耗功率或电能消耗 力和消耗功率或电能消耗 的增加 的增加 按 GB/T6422 的平均功率法进行计算按实测的电度数进行计算 有功节电率 (%) 无功节电率 (%) 综合节电率 (%) 有功节电率 (%) 无功节电率 (%) 综合节电率 (%)

44 可以看出, 采用自启动三相永磁同步电动机替代原三相异步电动机驱动清水 泵, 节电效果明显 4 伺服电机及控制系统的节能应用 4.1 缝制设备伺服电机的节能应用 (1) 缝制设备用电机的现状 随着缝制行业的发展, 电机作为缝制设备原来单一的动力功能演变成智能化 高效节能多功能机电一体化产品 其运用的电机发展历程主要分摩擦片式异步电动机 ( 离合器电机 ) 涡流式异步电动机( 电子马达 ) 混合步进式电动机( 变频电机 ) 和伺服电动机这四个阶段 伺服电机及其控制系统从 90 年代后期开发应用以来, 因为其高效节能和其优越的性能满足工业缝纫机机电一体化的发展方向, 已被高档工业缝纫机广泛采用 随着伺服电机及其控制系统的大量应用, 其他三类产品的市场份额逐渐下降 离合器电机是工业缝纫机上应用时间最长的电机, 主要由异步电动机 离合器和刹车片构成 通电后, 电动机一直在运转, 当离合器合上, 带动缝纫机工作, 松开离合器, 靠刹车片的摩擦, 缝纫机快速刹车 主要的优点是结构简单可靠, 启动和刹车时间短, 满足工业缝纫机快速启停的要求, 行业应用量大 成本低, 中低端的工业缝纫机主要采用离合器电机 缺点是整机效率低, 特别缝纫机停止期间, 电机仍然在工作并耗电, 同时, 离合器和摩擦片需定期更换, 维护工作量较大 针对擦片式电子定位定针电动机的缺点, 涡流式异步电动机应运而生, 主要 由异步电动机 涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源等三个部分组成, 通过控 制励磁电流改变磁场强度, 使离合器产生大小不同的转矩, 从而达到调速的目的 涡流式异步电动机的优点是结构比较简单, 可无级调速, 维护方便, 运行可靠, 调速范围也比较宽, 对电网无干扰, 它可以空载启动, 对需要重载启动的负载可获得容量效益, 提高电动机运行负载率 缺点是高速区调速特性差, 不能全速运行, 低速区调速效率比较低 混合步进式定位定针电动机由混合式步进电动机和相应的步进控制器构成, 38

45 具有控制方便的优点, 但启动频率 运行频率达不到高速工业缝纫机的要求, 定 针精度仍不理想 (a) 离合器电机 (b) 涡流式异步电动机 (c) 混合步进式定位定针电动机 图 1-13 缝制行业用电机发展历程 (2) 伺服电机及控制系统特点 伺服电机及其控制系统主要由伺服电机 ( 包括永磁同步电动机和异步电动机 ) 光学编码器 伺服驱动控制系统和模式盒构成 当脚踩下踏板时图 1 14 伺服电机及控制系统, 伺服控制系统检测到变化, 启动电机运转, 并快速到达设定的转速, 松开踏板, 伺服控制系统根据光学编码器的位置信号, 把缝纫机停在设定的位置 另外其实现智能化多项功能, 从使用者的角度看, 服装企业的员工基本都是计件核算工资, 使用设备的自动化程度将直接影响到其个人收益问题, 采用了系统控制后, 部分机械劳动变为自动功能, 如自动停针位 自动剪线 自动抬压脚 自动线迹 自动加固缝等等 这将很大程度上减轻了工人的劳动强度, 提高了工作效率 特点 : 转动惯量小 体积小 重量轻 动态性能好, 调速比达 1:10000, 具有定位精度高 节能效果好 寿命长 免维护 能在恶劣环境下使用 电机在实际工作时由于空载 过载或非满载, 使得输出功率及转矩消耗巨大 电能, 运行效率不高 ; 而伺服电机及其控制系统解决了此现象, 为电机配备软起 动, 监测电机运行状态, 动态调节电机能耗从而实现电机节能 另外其实现智能化多项功能, 如自动拨线 自动剪线 自动抬压脚 自动定 39

46 针缝 自动倒回缝 自动曲折缝等优良自动化性能 ; 这些功能的实施直接替代原来手工操作, 不仅节省了布料 用线等材质浪费 而且大大的减轻了工人的劳动强度, 提高了工作效率, 降低了生产成本 (3) 伺服电机与其它产品的能耗对比 从验证检测结果看, 采用伺服电机和变频电机技术的控制系统, 其平均能 耗远低于其他形式的控制系统 ( 见表 1-25 及图 1-15) 表 1-25 各类系统额定运转能耗量对比表 ( 单位 kw h) 分类伺服电机变频电机电子马达离合器电机最小值最大值平均值 平均值 各类系统额定运转能耗量对比图 总能耗量 kwh 伺服电机变频电机电子马达离合器电机 系统种类 注 : 由于离合器电机不具备自动控制功能, 其能耗量中不包含电磁铁的能耗 图 1-15 各类系统额定运转能耗量对比图 综上所述, 缝制行业中工业缝纫机电机从离合器电机发展到伺服电机, 顺应 了工业缝纫机从简单控制到自动化和机电一体化的发展过程, 满足了中高档工业 缝纫机对自动控制功能 节能和控制成本的综合要求 40

47 4.2 注塑机伺服电机的节能应用 (1) 传统注塑机节能改造的基本原理 目前, 塑胶行业面临着装备水平低 耗能高 生产成本高 利润薄 ( 行业平 均利润率低于 5%) 等严峻问题 传统注塑机伺服化节能改造将大大提高塑胶装 备的节能和数字化水平, 提高制品的精度和效率 传统的液压注塑机存在非常大的节能空间 注塑机生产塑料制品是一个高耗能的过程, 素有电老虎之称 传统液压式注塑机在成形时油泵始终连续运转, 在无负荷状态运转时驱动油泵的电动机也要消耗其额定功率约 1/3 的电能, 是一种典型耗能设备 传统注塑机改造的基本原理是 : 拆除原有电机及油泵, 同时配置新的伺服电机 伺服驱动器 旋转编码器 齿轮油泵 滤波器 制动电阻 高精度压力传感器等附件 ( 如图 1-16 所示 ) 该伺服控制系统可以实时监测液压系统的压力和流量, 及时通过改变伺服同步电机的转速和转矩, 对压力 流量做出相应的调整, 最终维持系统的压力快 准 稳控制 图 1-16 注塑机伺服电机数控节能改造原理图 注塑机通过伺服电机节能改造可以大大降低生产成本 能耗占塑胶生产成本的 7%, 假设省电 45%, 则企业成本下降 3% 以上, 而现状是塑胶加工企业的平均利润率低于 5%, 因此注塑机的伺服化改造具有明显的经济效益 41

48 表 1-26 各种节能方法效益比较 (2) 产品的主要技术特点 注塑机节能改造专用的伺服驱动装置和伺服电机, 采用了先进的控制策略, 使其具有更快的动态响应, 先进的电流限制技术和硬件优化设计 使产品具有超强的过载能力, 能保证在负载频繁波动的情况下, 伺服器不跳闸 并具有以下特点 : 高可靠性 : 系统采用了冗余设计, 降额设计等技术, 所有元器件全部采用工业或军工等级检测标准, 关键元器件采用了高质量的产品, 例如三菱 IPM 模块 EPCOS 电容 fuji 整流桥等, 关键电路全部采用高集成度厚膜 IC, 从而保证系统的可靠性 高节电率 : 保留了注塑机原有控制方式油路大体不变, 采用先进的微电脑控制技术, 使定量泵变为节能型变量泵, 注塑机液压系统与整机运行所需要的功率匹配, 无高压节流能量之损失, 提高油泵电机功率因素至 0.96 以上, 节电率一般可达 40%~80% 软启动 : 相比工频起动方式, 采用伺服器控制可以减小开锁模震动, 延长模具的使用寿命, 同时系统发热量减小, 油温稳定, 延长液压系统的使用寿命, 为用户节省了维护的费用 由于运行稳定, 对塑胶制品的品质稳定性有较大提高 超强的过载能力和动态响应速度 :HSV 系列伺服器采用先进的矢量控制算法和独特的限流技术, 确保在注塑过程中, 能承受起启停重负载的冲击而不跳闸, 以确保生产过程的连续性 高速的动态响应, 最大限度减小制品成形周期的延迟现象 完善的 EMC 设计 :HSV 系列伺服器采用完善的 EMC 设计方案, 内部布局优 42

49 化设计, 采用多种 EMI 对策, 确保对注塑机电气系统的干扰减小到最小, 保证其工作的稳定性 (2) 节能改造案例 武汉华中数控公司为注塑机节能改造提供高性能 专用的伺服驱动和伺服电机, 有一支技术精良的工程队伍, 和售后服务团队, 并在广东 江苏 浙江 山东 湖北 深圳等多个省市完成了近三十家企业, 二十多种型号, 几十个品种, 500 多台注塑机改造 其中包括富士康 比亚迪 法国法雷奥 台湾耀川 珠海塞纳 珠海铭祥 烟台乙胜 东莞美声 佛山亿龙 深圳悦富合 武汉武邦 襄阳骆驼知名企业 表 1-27 耀川电子 ( 深圳 ) 节能改造后的实测效果 43

50 表 1-28 武汉法雷奥海天 470 吨节能改造前后对照表 表 1-29 富士康节能改造前后结果对照表 机台型号 改造前耗电 ( 度 /H) 改造后耗电 ( 度 /H) 节电量 ( 度 /H) 节电率 改造价格 ( 未税价元 ) 投资回收期 ( 月 ) 每月节电 ( 元 ) 台中 100T % 中台 180T % 中台 450T % (3) 节能改造效益分析 目前, 我国 非节能型 注塑机的市场保有量已经超过 100 万台 如果按每台注射机平均功率 30kW ( 合模力 300 吨 ) 每天工作 24 小时计算, 每台机器一年的耗电量为 =262,800 千瓦时 若以每台注塑机平均节能 50% 计算, 现有的 100 万台注塑机全部数控节能改造后, 一年可以节省电能 262, 万 0.5 = 1314 亿千瓦时, 少燃烧 1615 万吨标准煤 (1 千瓦时 =0.1229Kg 标准煤 ( 火力发电 )), 少排出 4231 万吨二氧化碳 ( 一吨标准煤产生 2.62 吨二氧化碳 ) 去年我国用电量 4.19 万亿千瓦时, 可以实现用电总量下降 3%, 节能减排效果非常明显 如果开机率为 50%, 用电总量下降 1.5% 以一台 55kW 注塑机节电率 40%~80% 计算为例, 每年节电为 (0.4~0.8) = ~ 千瓦时 按某市第三档用电每度 0.82 元计算, 44

51 并且按照企业实际开机率 50% 计算 ( 换模具 检修 维护等 ), 一年节约电费 : (192720~385440) 0.82 元 0.5 =(7.8 万 ~15.8 万元 ) 按照千瓦注塑机节能改造费用 2 千元计算,55Wk 2000 元 = 11 万元人民币 改造后企业可以在 8.4 个月 ~16.9 个月收回成本 5 低效电机的高效再制造 从 2012 年下半年开始的近一年时间内, 上海电科电机科技有限公司已完成 30 多家上海市企业的旧电机回购和再制造业务, 涉及机械 仪表 化工 建材 纺织等领域, 包括风机 水泵 车床 冷冻机 卷板机 胀管机 真空泵等多种负载设备 5.1 水泵电机的高效再制造 上海某化工材料有限公司, 该公司的电机普遍存在使用年数多 运行时间长的特点 在前期对部分水泵系统测量的基础上, 针对水泵系统电机进行了再制造 (1) 电机主要铭牌参数 表 1-30 水泵系统电机铭牌参数 编号 规格型号 功率 (KW) 台数 4DZ Y132M DZ Y160L DZ Y200L DZ Y132M DZ Y160M DZ Y160M DZ Y160L DZ Y160M DZ Y160L (2) 电机运行特点 电机使用时间比较长 : 使用至今已经 10 年以上, 应该淘汰或再制造 ; 电机运行时间长 : 每天固定工作时间比较长, 年运行时间预计至少可达

52 小时以上 ; 电机设计参数数据齐全 : 该电机属于 80 年代全国联合设计 由行业企业生产的 Y 系列典型产品, 性能参数齐全, 可大大缩短再制造的周期 实际运行负载情况见表 1-31: 表 1-31 水泵系统电机运行参数 规格型号 功率额定电流实际电流负载率 (KW) (A) (A) (%) Y132M Y160L Y200L Y132M Y160M Y160M Y160L Y160M Y160L (3) 电机的高效再制造方案 1) 水泵负载的特点及再制造时的匹配设计 在针对水泵 风机类二次方特性的负载的配套电机进行再制造时, 需要根据实际运行情况调整电机的设计, 使电动机与水泵在功率 转速上合理匹配, 提高系统运行效率, 达到系统节能的目的 以 Y200L-4(30kw) 电机拖动 IS 离心泵的再制造案例介绍如下 : IS 离心泵拖动电机, 原来使用 Y200L-4(30kW) 电机, 电动机的额定电流是 57.6A, 实际运行电流为 47A, 负荷率约 82% 水泵的流量约为 60L/S, 扬程 30M, 由于水泵在长期运行后叶轮已严重锈蚀, 泵的效率降低, 在电机进行再制造的同时, 在保持水泵的流量 扬程不降低的基础上, 更换了水泵的叶轮, 由于采用新型高效叶轮, 提高了泵的运行效率 ; 更换叶轮后, 泵所需要的电机轴功率降低为 23kW, 在设计 YSFE2-200L-4 水泵专用电机时, 适当地调整了电机的可变损耗与不变损耗的比例, 使 30 kw 的 YSFE2-200L-4 水泵专用电机在 23 kw 46

53 附近有较高的效率, 亦即提高了电动机的实际运行效率, 改造后的电动机实际运行电流降低到 43.1A, 与改造前相比水泵机组的效率提高 8.3%, 运行功率约减小 1.6kW 以平均每天运行 24 小时, 每年运行 300 天计算, 年节约能耗约为 1.6kW 24h 300d=11520kW h, 折合电费 8294 元 / 年 图 1-17 YSFE2-200L-4 再制造电机 2) 对于负载率较高且负载不调节的电机进行再制造设计 设计方案是将原电机根据实际铁心长短, 有效保留定子或者转子 对于铁心比标准设计短的电机, 将电机定子改为新设计定子 ( 原电机采用热轧硅钢片, 新设计电机定子材料改为 DW 冷轧硅钢片 ), 铁心长设计与原电机一致, 采用国内已成功开发的 YX3 系列高效电机冲片, 以降低定子铁芯损耗 ; 绕组进行重新设计降低定子铜耗, 电机的风扇改用 YX3 系列节能风扇, 以降低电机的通风损耗 对于旧电机铁心长度能满足设计成高效电机的, 重新设计绕组降低定子铜耗, 改用高效风扇及新轴承 表 1-32 对于负载率较高的且负载不调节再制造高效电机前后对比 编号 型号 再制造前数据 再制造后 功率效率功率因数功率效率功率因数 YSFE2-132M YSFE2-160L YSFE2-132M YSFE2-160M YSFE2-160M YSFE2-160L YSFE2-160L

54 图 1-18 再制造电机安装原工位 (4) 高效再制造后系统用电情况的测试结果 再制造后的高效电机安装回原工位, 对系统用电情况进行现场实际测试, 改 造前后的水泵管路系统的阀门位置未改变, 保证改造前后负载情况一致 同样选 择了系统运行比较稳定的时间进行测量, 前后以采样周期 1 秒共测量了约 2 小时 电机节电率效果用比较测定法进行对比分析, 试验是在原配套三相异步电动 机和再制造三相异步电动机在原工位上运行一定时间内进行 表 1-33 再制造前后现场测试主要数据表 比较项目 额定功率 (kw) 平均输入有功功率 (kw) 平均电流 (A) 功率因数 原电机 再制造电机 增加或减少 图 1-19 水泵系统改造后的现场测试 48

55 节电率计算 : ξ = P1 - P % = 100 % = P 式中 :P 1 原本配套三相异步电动机有功功率 ; 4.05 % 年节电费用 : P 2 节能再制造三相异步电动机有功功率 ; 水泵电机以每年运行 4000 小时, 电价为 0.72 元 / 度计算, 则年节电费用为 : (P1-P2) =17280 元 5.2 压铸机电动机的高效再制造 (1) 设备现状 在电机生产企业中, 转子压铸机设备 ( 图 1-20) 是主要加工设备, 压力铸 铝是利用高压力 (20~80MPa) 使铝液高速 ( 压射速度为 0.7~1.5m/s) 填充型腔 和凝固成型的, 这是国内电机生产企业普遍采用的转子铸铝方法 图 1-20 压铸机设备 转子压铸机通常由一台主机和若干辅机组成, 能完成上料 压铸 取件等工作 本次改造的转子压铸机电机为两台三相异步电动机, 型号分别为 Y160L-6 (11kW) 和 Y180M-4(18.5kW), 其中 Y160L-6 三相异步电动机为低压泵配套电机, 其功能是推入或拉出转子压铸模进入或离开压铸机中心, 完成上料和取件过程 ;Y180L-4 三相异步电动机为压铸机主机, 其功能是拖动高压泵, 借助较高的 49

56 压力将铝液压铸到转子铁心中, 其额定数据如表 1-34 所示 表 1-34 三相异步电动机铭牌数据 电机型号 Y160L-6 额定频率 (Hz) 50 额定功率 (kw) 15 额定电流 (A) 24.6 额定电压 (V) 380 额定转速 (r/min) 970 接 法 三角形接法 防护等级 IP44 重量 (kg) 139 绝缘等级 B 电机型号 Y180M-4 额定频率 (Hz) 50 额定功率 (kw) 18.5 额定电流 (A) 35.9 额定电压 (V) 380 额定转速 (r/min) 1470 接 法 三角形接法 防护等级 IP44 重量 (kg) 174 绝缘等级 B (2) 设备工况 压铸机设备的作用主要是将三相异步电动机产品的转子铁心铸铝, 其加工过程为 : 将叠压好的转子铁心放入压铸模内, 并通过低压泵电机运转将压铸模推进到压铸机中心, 然后对转子铁心进行压铸 压铸过程包括合模 合模延时 压铸 合模卸压 取件等工序, 其中, 根据压力冲头移动和压力变化情况的不同, 填充过程可分为慢压铸 快压铸与增压延时三个阶段 慢压铸时, 冲头以较慢的速度推进, 直至铝液充满压室和模具内浇口的前沿, 以得排出压室中的气体 ; 快压铸时, 冲头推动铝液以高速度充满全部型腔 ; 增压延时阶段, 使铝液在更高的压力下凝固, 以获得优良的铸铝转子 在进行电机节能再制造实施之前, 对两台电机的用能情况做了测试, 图 2 为高压泵配套电机在一个转子压铸过程中的实测功率曲线, 可以看出, 电机在快压铸阶段功率最高, 约为 8.3kW, 此时电机的负载率为 45% 左右, 其它时间运行的负载率约为 3kW, 负载率为 17% 50

57 图 1-21 压铸机高压泵电机有功功率实测曲线 图 3 为低压泵电机配套电机在一个转子压铸过程中的实测功率曲线, 可以看出, 电机取件时的功率最高, 负载率为 75%, 时间约为 10 秒, 而其它大部分时间处于轻载状态, 功率为 1.5kW, 负载率约为 10% 因此, 配套电机能力裕度太大, 出现了 大马拉小车 现象, 电机和压铸机运行中的不匹配, 使电机一直在低效率下运行, 造成了能源的浪费 因此, 将压缩机配套的异步电动机进行节能再制造, 是压铸机设备较为有效的节能措施 根据上海翠林电机有限公司压铸机设备及负载用能情况, 对其实施了电机节能再制造工程 图 1-22 压铸机低压泵电机有功功率实测曲线 51

58 (3) 电机高效再制造方案 原电机生产单位为西安电机厂, 按上海电器科学研究所设计方案生产, 铁心长 195mm,DR510 硅钢片 因此在电动机再制造过程中, 电机定子铁心和转子留用, 铁心长度不变 ; 绕组进行重新设计降低定子铜耗, 电机的风扇改用节能风扇, 风罩改用 YX3 风罩, 以降低电机的通风损耗, 同时将电机的额定功率分别由 18.5kW 降至 15kW, 由 15kW 降至 11kW, 达到电机与负载相匹配, 以减少电机损耗, 提高电机的运行效率 (4) 压铸机高压泵电机实际用能测试情况 根据企业的生产情况进行改造并测试 测量参数包括电动机电压 电流 有功功率 用电量 转速等 电机节电率效果用比较测定法进行对比分析, 试验是在原配套三相异步电动机和节能再制造三相异步时机在压铸机上运行一定时间内进行 下面是两台电机在相同时间内测得的数据, 见表 1-35 表 1-35 压铸机高压泵用能测试数据 电机类型原配套三相异步电动机节能再制造三相异步电动机 额定功率 (kw) 平均有功功率 (W) 平均负载率 (%) 最大负载率 (%) 节电率的计算 : ξ P-P jy= 100%= 100%= 4.7% P 式中 :P 1 原本配套三相异步电动机有功功率 ; P 2 节能再制造三相异步电动机有功功率 年节电费用 : 52

59 压铸机高压泵电机以每年运行 6000 小时, 电价为 0.68 元 / 度计算, 则年节电费用为 : % 4.7% =651( 元 ) 改造费用大致为 1800 元, 经计算可以得到投资回收期 2.76 年左右 (5) 压铸机低压泵电机实际用能测试情况 采用与压铸机高压泵电机相同的测试方法, 对两台电机进行了测试对比, 表 1-36 是两台电机在相同时间内测得的数据 表 1-36 压铸机低压泵用能测试数据 电机类型 额定功率 (kw) 平均有功功率 (W) 平均负载率 (%) 最大负载率 (%) 原配套三相异步电动机节能再制造三相异步电动机 节电率的计算 : ξ P-P jy= 100%= 100%= 23.7% P 式中 :P 1 原本配套三相异步电动机有功功率 ; P 2 节能再制造三相异步电动机有功功率 年节电费用 : 压铸机低压泵电机以每年运行 6000 小时, 电价为 0.68 元 / 度计算, 则年节电费用为 : % 23.7% =2039( 元 ) 53

60 改造费用大致为 1030 元, 经计算可以得到投资回收期 0.5 年左右 (6) 节能效果 所示 综上所述, 压铸机设备电机节能再制造的节省电费 投资回收期如表 1-37 表 1-37 投资回收期计算 电机类型 投资费用 ( 元 ) 年节电费 ( 元 ) 投资回收期 ( 年 ) 高压泵三相异步电动机 低压泵三相异步电动机 总计 本项目的改造投资回收期为 1.05 年, 节能效果显著 6 大中型无滑环绕线转子异步电动机产品应用 (1) 节能原理 本产品涉及的专利名称是一种变极起动绕线转子感应电动机 ( 专利号 ZL ) 本产品主要原理和特点是起动状态和正常运行状态可分开设计, 分别达到最佳性能, 解决了普通电机两者无法同时兼顾的难题 1) 在设计效率时不用考虑任何因素, 可把效率设计到最高极限, 提高 2-4% 要提高电机效率, 可适当增加铁心长度和铜线的横截面积, 调整定子匝比以提高电机的效率 ; 但是, 效率提高的同时, 又产生其他负面影响 电机的起动电流会非常大, 达到 20 倍左右 ; 电机的起动力矩又非常小, 高压电机仅 0.4 倍左右, 低压小电机近 1 倍左右 ; 由于起动电流不能太大, 所以效率也只是相对提高 2) 去掉了滑环及转子控制系统及线路的损失 1-5%; 电机越小平均到每千瓦 上的损失就越大 3) 选用好材料降低铁耗和铜耗 54

61 (2) 产品特点 根据系统运行使用工况, 电机可定向设计制造, 使之满足和适合工况需要, 使电机和各种成套设备同时长期在高效 高功率因数区域内运行, 达到最佳组合 该电机起动力矩大, 可在 倍中任意设计 ; 起动电流小, 仅为 倍, 无需软起动 ; 功率因数高,2-10 极电机功率因数都可达到 0.9 以上, 不需功率因数补偿 ; 效率高, kW 2-10 极型电动机效率可达到 %; 可替代所有的异步电动机 与同型号传统绕线式电动机相比, 对于恒负载使用工况, 经实际使用证明, 额定功率 kW 8 极磨机专用电机, 效率达到 %, 节电效果非常明显 ; 取代 380kw 以下的低压绕线电机节电量在 7-12%; 取代鼠笼电机节电量要减去滑环系统的损耗 ; 取代 380kw 以上的高压绕线电机节电量在 3-7%; 同样取代鼠笼电机节电量要低滑环系统的损耗 而传统绕线电机的优 缺点是 : 1) 优点 : 起动电流很小可做到 1.8 倍 2) 缺点 : 由于传统绕线电机设计需要综合考虑电机的整体性能, 效率设计不高 ; 滑环电刷及整个控制系统损失很大, 对低压 380kw 以下电机, 一般占使用能耗的 3-5%; 滑环电刷在恶劣环境下磨损较快, 就是好的环境一年也得更换 1-2 次, 不好的环境有时一个月要更换几次, 每次费用少则几百 ; 加上人工, 停工影响生产的损失无法估算 (3) 主要应用场合 因为电机是针对工况而定向设计的, 适合所有不用调速的工业场所, 如 : 矿山 水利 冶金 石化 化工 水泥 建材等, 特别 适合 正在使用绕线滑环电机的工况 ; 如 : 矿山 ( 铁矿 金矿 有色金属矿 ) 球磨机电机 水泥磨机电机 真空泵电机 油隔泵电机 中小型轧钢电机 恒转速的风机 排烟机电机 水泵 油田磕头机专用电机等 55

62 (4) 应用案例 1) 矿山水流磨机 : 迁西县中兴矿业有限公司 型号为 : YXR3 315L-8,95kW(2 台 ); YXR3 400L-8,245kW(2 台 ) 节电率 :95kW-11%;245kW-8%( 双方认可的数值 ) 年节电 :( 95kW*11%+245*8% )* 7200h= 度电 图 1-23 改造对比 节约标准煤 :432720/2500=173 吨 年节约电费 :( 95kW*11%+245*8% )* 7200h*0.65 元 /kwh* 2=28.13 万元 操作模式 : 实行 5:95 分享收益比例的合同能源管理模式, 中兴矿业公司年节约电费收益 1.4 万元, 我公司 万元 用户收益 :1) 年收益电费 1.4 万元 ;2) 因矿粉税收与电费挂钩, 每 80 度算一吨矿粉税收, 矿粉价格为每顿 1000 元以上, 按 170 元 /80 度标准, 节税 万元 ;3) 电机维修费 1.5 万元 ; 不计人工及停产损失增加产能的收益 ; 每年节省收益为 : =94.55 万元 政府收益 : 完成节能减排指标 2) 水泥球磨机 : 武汉凌云水泥有限公司 图 1-24 改造对比 56

63 新型电机型号为 :JWHHR158-8,380kW,6kV 节电率 :12.92% 年节约电费 :380kW*12.92%*7000h*0.6 元 /kwh=20.62 万元 3) 精磨球磨机 : 南京滨江超细粉建材科技有限公司 新型电机型号为 :JWHHR1510-8,400kW,10kV 节电率 :10%( 双方认可的数值 ) 年节约电费 :400kW*10%*7000h*0.6 元 /kwh=16.8 万元 图 1-25 改造对比 4) 钢铁轧钢机 : 湖北阳新华宝钢铁有限公司 图 1-26 改造后 新型电机型号为 :JWHHR1512-8,630kW,6kV( 两台 ) 节电率 :5.39%( 双方认可的数值 ) 年节约电费 :630kW*5.39%*4000h*0.6 元 /kwh*2=16.3 万元 5) 油田抽油机 : 湖北江汉油田 57

64 图 1-27 改造后 新型电机型号为 :YXQ280S-8,13/37kW,380V( 四台, 原电机 45kW) 节电率 :15%( 双方认可的数值 ), 实际运行功率 13kW, 运行时间按实际运行时间的的一半计算 年节约电费 :13kW*15%*3800h*0.8 元 /kwh*4=2.37 万元 6) 水利行业水泵专用电机 取代传统绕线式滑环电机 2011 年, 在湖南水利厅中标了 40 多台水利电机, 正好 2012 年湖南发水, 节能电机运行温升低, 运行稳定, 节能效果显著, 与鼠笼电机相比节能在 3% 以上, 与绕线电机相比节能在 7% 以上 而那十几台普通绕线式电机发热严重, 并且有的烧毁, 无法排洪, 损失严重 通过对比使用, 该系列产品已得到湖南省水利厅的认可, 所以 2013 年湖南的 400 多台水泵电机已大部分设计成高效节能电机 取代水利行业同步电动机 甘肃景泰川提水泵站,2500kW-10 极,10kV 高压电机, 原采用同步电动机, 运行时间为 300 天, 原电机效率在 95% 以下, 再加上励磁耗电 1-2%, 实际使用效率不到 92.5% 目前已换用我司高效电机, 电机设计效率为 97.36%, 功率因数为 0.9, 节电率在 4% 以上 当地电价为 0.8 元 / 度, 通过计算, 单台电机年节约电费为 元 =57.6 万元 7 双速凸极同步发电机和电动机产品应用 (1) 技术原理 该系列双速凸极同步电机采用了虚拟磁极的概念, 通过改变其磁极对数, 将 电机做成二档转速, 转速能自动切换, 其效率都能达到单速的最高效率, 调速与 58

65 水泵叶片调节配合, 达到既能调角又能调速的 双调 效果, 从而有效地扩大了 泵的高效工作范围, 推动了本领域的科技进步 1) 该同步电动机技术引入 虚拟槽 的概念, 将凸极转子化为多槽隐极转 子来分析, 所获得的变极方案仍然保持凸极结构不变, 且磁极大小宽度相同, 导 体利用率高, 谐波含量低, 两种极数下均无需丢弃任何磁极 ; 2) 该技术提出一种具有混合磁极的凸极同步电机变极转子的结构模式 因为分析以隐极转子为基础, 于是可推论, 对于各个磁极较大间隔, 可考虑加装导磁极改善磁路的导磁状况等, 而形成导磁极和励磁极混合结构的新的变极转子结构 在不改变现有电机结构尺寸的情况下, 引入虚拟磁极的概念, 通过减少磁极数量 增加线圈匝数 改变磁极的布置及接线方法等新的技术手段, 实现了电机两档转速的自动切换, 并成功地应用于湖南澧县观音港大型排涝泵站和广东省五华益塘水库坝后电站 (2) 产品特点 该系列产品将同步机单速做到双速, 遇到高扬程时调至高转速运行, 在低扬程时调至低转速运行, 这样既可扩大安全运行范围, 又可提高装置效率 ; 既节省改造投资, 又便于维护保养 ; 并且, 提高水泵的运行效率, 给水泵提供两个高效区 ; 消除抬机现象, 可保障机组安全稳定的运行 ; 改善汽蚀性能 ; 既可用于正向抽水, 又可以反向发电 本产品特别适合于 : 1) 有水位落差的河坝发电机组, 可扩大水轮机高效区范围 在同等库容量 的前提下, 可多发电 6-20% 2) 抽水蓄能发电机组, 一机有四种功能, 两种转速抽水, 两种转速发电 如陕西引黄济渭工程, 两台 12500/10000kW-12/16 型四功能电机和两台 20000kW-12/16 型双速同步电动机已正式达成协议, 正在为其做设计方案 比装变频器可节省几千万元的费用, 还多增加发电和节能量 6% 以上, 另外变频器的自身损耗 3-5%, 还需庞大的安装面积和空间, 且变频器的使用寿命只有 5-10 年 3) 有水位变化的排灌泵站, 与水泵叶片调节机构配合, 达到了既能调角又 能调速的 双调 效果, 从而有效地扩大了泵的工作范围 节能量在 6-15% 以上 59

66 使用双速同步水轮发电机的优越性 : 1) 提高水轮发电机组的效率 2) 拓宽水轮发电机组的应用条件, 如 : 扬程 水头 流量等, 可回收大量的资源 3) 改善机组的运行条件, 提高机组的稳定性 4) 凡是有水头变化的水电站, 不改变任何配套设备均能增加发电量 6-20% (3) 应用案例 1) 水电站发电机 : 广东省五华县益塘水库坝后电站使用新型双速同步发电 机应用案例 图 1-28 改造后 新型发电机型号为 :SFW800(500)-10(12)/1430; 年节约电费 : 在设计水头时运行, 采用转速 600r/min, 水轮机的效率为 92.8%; 最低水头运行, 转速为 500 r/min 时, 水轮机的效率从原来的低于 80% 提高到为 92.5% 以上, 每年可以增加 50 万 kwh 以上电能, 同时保证了水轮机在各种水头下都运行稳定 用案例 2) 水利泵站电动机 : 湖南省澧县观音港电排站使用新型双速同步电动机应 60

67 图 1-29 改造后 新型电机型号为 :TSL1000(800)-20(24)/2150,6kV; 年节约电费 : 每年汛期可节能电能 万元 8 无刷双馈变频调速电动机产品应用 (1) 技术原理 本产品涉及的专利名称是一种交流无刷双馈电机 ( 专利号 ZL ) 用较低压变频代替高压变频, 变频器容量可大大降低, 只需要原有变频器容量的 1/4-1/3 该系列产品市场前景非常广阔; 同时它可用于风力发电机, 不管风速大小, 能保证变速恒频 该技术已由国家科技部门的鉴定为 世界领先水平, 在船上的轴带发电机已得到应用, 不管船的轴带转速快慢, 发出的电永远都恒压恒频 无刷双馈电机是近年来发展起来的一种由两套不同极对数的定子绕组和一套绕线转子绕组构成的新型交流感应电机 经过特殊设计的绕线转子, 使得两套定子绕组产生不同极对数的旋转磁场间接相互作用, 并能对其相互作用进行控制来实现能量传递 其中一套定子绕组接固定工频电源, 称为功率绕组, 另一套定子绕组接变频驱动控制器, 称为控制绕组 无刷双馈电动机去掉了电刷和滑环装置, 在转子绕组自闭回路的前提下, 通过定子侧的控制绕组感应转子绕组的励磁电流和频率, 并与定子功率绕组的输出电流和频率耦合, 搞套绕组协调工作从而实现变速恒频稳压发电, 充分利用了齿谐波磁动势, 能最大程度地削弱其他高次谐波, 具有比特殊笼型绕组转子更好的技术特性, 其结构简单, 运行可靠 容易维护, 可以有效降低变频装置的容量, 61

68 方便地调节有功和无功功率 (2) 产品特点 采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制, 降低变频器的容量外, 还可在矢量控制策略下实现有功 无功功率的灵活控制, 对电网而言可起到无功补偿的作用, 同时发电机本身没有滑环和电刷, 既降低了电机的成本, 又提高了系统运行的可靠性, 特别适合运行环境恶劣的应用场合 该技术用于电动机时, 对于有调节需要的风机 水泵 压缩机等工况, 节能效果显著, 一般 15% 以上, 比使用高压变频还节能 3% 以上, 而且维护控制简单, 设备安装占地小等有点 ; 用于发电机时, 可以使水轮机的效率永远保证在最高点, 对于有水位变化的工况, 可多发电 10% 以上 (3) 适用场合 1) 所有有调速要求工况的电动机, 它是用 1/3 或 1/2 的低压变频取代全功 率的高压变频, 比使用高压变频还节能 3% 以上, 并且维护简单, 体积小 ; 2) 小型水电站, 可使水轮机永远在高效区运行, 可增加发电量 10-30% 以上 ; 3) 风电 船上轴带发电, 特别是小风电, 在欧洲有广阔的市场, 仅德国, 政府拿出 150 亿欧元补贴小风电, 本产品与同型号的小风电相比运行要稳定很 多, 制造成本仅为传统产品的 1/2; 4) 适用于一系列的增效双馈移动发电机组, 特点是贴近负载运行, 实现 100% 有效利用 图 1-30 无刷双馈电机转子图片 62

69 (4) 推广应用的商务模式 1) 恒转速 恒转矩工况 针对恒转速 恒转矩, 只能靠单纯提高效率达到节能的工况, 如水泥行业球 磨机 矿山冶金等行业的水流磨机和其他行业的磨机等, 用新型无滑环电机取代 传统绕线式电机 操作方式见商务模式 12 商务模式 1 使用方零投入, 先用电后结算电费 ; 按 5:95 分成, 使用方分享 5%, 合同 期限 20 年 ( 即 h, 每年运行时间不低于 7200h, 不够顺延 ); 商务模式 2 使用方零投入, 先购买三年节能量费用的 50%, 按 5:5 分成, 使用方分享 收益为 50%, 合同期限 20 年 ( 即 h, 每年运行时间不低于 7200h, 不够 顺延 ) 结算方式 :1) 采用季度结算 月度结算 ; 使用方收益 :1) 节能收益的 5%( 或 50%) 和国家奖励收益 ;2) 省去电机折旧费和维修费用所得的收益 ;3) 故障率低, 转速比传统电机快 7-10r/min, 可带来提高产量所得的收益 ;4) 由于任何企业都不可能拿到全额的用电指标, 可不缴或少缴每度电高出差别电费所得的收益 ;5) 由于税与用电量挂钩, 少用电就可以少缴税 ;6) 增加节能改造企业等级, 可为您争取少的拉闸限电时间和多的用电指标, 做到多生产 多挣钱, 多争取用电指标所得的收益 2) 可调速工况 针对有节能空间, 可用调速和提高效率达到节能的工况, 如风机 水泵 空 压机等, 用单绕组双速异步 双速同步或双馈电机来取代传统电机 操作方式见 商务模式 34 商务模式 3 63

70 使用方零投入, 先用电后结算电费 ; 按 25:75 比例分成, 使用方分享节能 收益的 25%, 合同期限 15 年 ( 即 h, 每年运行时间不低于 4000h, 不够顺延 ) ; 商务模式 4 使用方零投入, 先购买二年节能量费用, 按 50%:50% 比例分成, 使用方分享收益为 50%, 合同期限 15 年 ( 即 h, 每年运行时间不低于 4000h, 不够顺延 ) 结算方式 :1) 采用季度结算 月度结算 使用方收益 : 同如上 3) 商务模式 5 针对恒转速 恒转矩, 只能靠单纯提高效率达到节能的工况一次性购买六年 节能量, 设备归使用方所有 ; 针对有节能空间, 可用调速和提高效率达到节能的 工况一次性购买四年节能量, 设备归使用方所有 4) 商务模式 6: 以旧换新模式 商务模式 1-5 均可采用 以旧换新 模式, 电机作价在第三 年的节能收益中返还 5) 新建项目操作模式 新建企业也可以免费提供电机, 适用上面的商务模式 具体的分享比例可以 根据实际情况协商调整 9 抽油机用典型节能电机产品应用 9.1 YPL 系列 (IP55) 隔爆型永磁变频电机直驱螺杆泵地面系统 (1) 目前螺杆泵抽油机的现状 现在油田使用大量的螺杆泵抽油机, 而传统的机械式螺杆泵抽油机, 由于所 64

71 配电机为普通三相异步电机, 驱动螺杆的力矩无法控制, 当井下发生异常或地面 出口管线阻塞 卡井时, 会造成扭断泵杆 井下螺杆泵定子脱落 减速器内齿轮 断裂 撕裂减速器壳体 烧毁电机等故障 传统的机械式螺杆泵抽油机的异步电机 皮带 减速机, 噪声较大, 安全系 数低, 维护工作量大 油井调参需要改变皮带轮大小, 要更换皮带轮 皮带, 费 工费时, 造成效率低下 目前传统的螺杆泵抽油机存在以下问题 : (1) 传动系统复杂, 造成系统效率低下 (2) 力矩无法控制, 发生卡井等故障时易造成泵杆断裂 造成设备损坏 (3) 停机时, 储存在泵杆中的弹性能 输油管路中液压能, 使泵杆快速反转, 停机检修时, 存在安全隐患 (4) 为满足大起动转矩, 选用的电动机功率偏大, 造成大量电能的浪费 (5) 控制参数调节麻烦 (6) 安装面积大, 噪声大 (2) 该电动机系统的优点 为有效的解决这些问题, 研究开发了 TYPL 系列 (IP55) 隔爆型永磁变频电 机直驱螺杆泵地面系统 该系统由低速大扭矩永磁同步电机和永磁同步电机变频 器 制动电路及控制保护电路组成 该系统具有以下优点 : 1) 具有精确的力矩控制功能, 发生卡井等故障时, 不会造成泵杆断裂 设备损坏等故障 2) 具有制动功能, 停机 或检修时, 储存在泵杆中的弹性能 输油管路中液压能, 能得到安全地释放, 避免了泵杆快速反转, 避免了故障的发生 3) 具有软启动功能, 起动转矩大, 避免了大马拉小车的现象 4) 可直接驱动抽油机, 去掉了传动系统, 系统效率高, 噪声低 5) 具有无级调速功能, 调参方便 6) 体积小, 安装方便, 占地面积小 65

72 (3) 该电动机系统可以解决的问题 1) 该系统采用低速高效永磁同步电机变频调速, 直接驱动螺杆泵泵杆旋转进行工作, 去掉了皮带传动 减速机等机械部分, 提高了传动效率 2) 该系统能够变频调速, 可以对电机和泵杆进行智能控制, 实现了软启动, 起动转矩大, 解决了大马拉小车的问题, 大幅度提高了系统效率 3) 该系统具有独立的刹车控制器 软刹车技术实现了可靠停机, 防止反转, 可有效避免抽油杆脱落和机械损坏伤人事故的发生 4) 该系统结构简单 易调参 效率高, 具有停电 停机 故障报警后的柔性防反转 发电制动 低温自动加热防凝露和高温自动冷却 过转矩 过压 过电流等保护功能, 同时还具有转速 转矩 电流显示功能, 为现场操作提供了参考, 并具有记忆功能, 为故障分析提供了依据 属于重点推广产品 用该系统代替传统螺杆泵驱动系统, 综合节电率达 20% 以上 替代游梁式抽 油机系统, 节电率可达 50% 以上 9.2 TYG 系列超低速永磁同步电动机系统 (1) 特低产井的现状 目前, 油田的一些老油井, 由于出油量太低, 合适的抽油冲次低于 3 次 /min, 游梁式抽油机配套的普通电机, 无法调整到这样的冲次, 抽油时, 将大量的地下水 泥沙同时抽取上来, 抽取液中的原油含量太低, 大大增加了向地下注水量, 使得成本过高, 利用价值太低, 不得不丢弃油井 (2) 该电动机系统的优点 针对这一特点, 开发了 TYG 系列超低速永磁同步电动机系统, 有效解决了这 一问题, 使要废弃的老油井焕发了青春 TYG 系列超低速永磁同步电动机系统, 是由超低速永磁同步电机和控制系统 组成 控制系统根据指令启停电机, 保证系统安全运行 该系列电机具有高起动转矩, 可以轻松起动游梁式抽油机大惯性负载, 避免 66

73 了 大马拉小车 的现象, 运行效率高 高功率因数, 使系统效率高节能 提高 了系统的效率, 节能效果明显, 是新型的高效节能产品 该系统具有以下优点 : 1) 具有一键起 停功能, 操作简单 2) 电动机效率高, 功率因数高, 节能明显, 可改善电网运行质量 3) 具有高起动转矩, 适合驱动大惯性负载 4) 具有电压 电流显示功能, 可随时监视系统工作情况 5) 具有过压 过流 欠压 缺相 过载 短路等职能保护功能, 使系统安全可靠 (3) 该电动机系统可以解决的问题 1) 该系统用于老井的游梁式抽油机, 可以使要废弃的油井焕发青春, 提高油田的产量, 降低费用 2) 一键启停, 操作方便, 降低了劳动强度 3) 可靠的保护系统, 保证了系统的安全运行 若用该系列电机替代原来的普通三相异步电动机, 成本增加 50%-80%, 但是, 系统综合节能可达到 50% 以上, 且能使老的低产油井重新利用, 节能效果明显, 一年内可以回收成本, 在老油田领域具有很好的发展前景 9.3 DYG 系列高起动转矩多速电动机系统 (1) 目前老油田的现状 用高压水泵将洁净的水打入地下来解决抽油负压, 再通过输送 分离等环节, 就会造成大量的能量损耗, 要调整冲次, 必须更换皮带和皮带轮, 费时费力, 劳动强度大, 如果不能随时调整, 就会造成大量的能量损耗 (2) 该电动机系统的优点 为此研发了 DYG 系列高起动转矩多速电动机系统, 该系统由高起动转矩变极 67

74 调速电动机和控制系统组成 控制系统可根据实际工作状态来调节电动机转速和 输出功率 该系统具有以下特点 : 1) 具有一键起 停功能, 操作简单 2) 具有两种转速, 可一键转换, 调节转速方便 快捷 3) 具有高起动转矩, 适合驱动大惯性负载 4) 具有电压 电流显示功能, 可随时监视系统工作情况 5) 具有过压 过流 欠压 缺相 过载 短路等职能保护功能, 使系统安全可靠 (3) 该电动机系统可以解决的问题 1) 该系统主要应用于游梁式抽油机, 不用考虑由于起动问题而加大电动机的功率, 解决了大马拉小车的问题 2) 一键转速转换, 可以根据油井出油量的多少选择合适的转速, 提高抽取液中原油的含量, 减少了地下水的抽取量, 减少了地下注水量, 大大降低了能量损耗, 节能效果明显 3) 简单方便的高 低速切换, 满足了游梁式抽油机对电动机不同转速的要求, 省去了传统的游梁式抽油机为了变速而要更换皮带轮和皮带的麻烦, 提高了工作效率, 降低了工作强度 4) 可靠的保护功能保证了系统的安全运行, 提高了设备运行效率, 提高了产量 若采用该系列电机替代原来的普通三相异步电动机, 购置成本约增加 50%, 但是操作简单, 可提高抽取液中的原油含量, 减少了地下注水量, 节能效果明显, 系统综合节能可达到 30% 以上, 合理使用, 一年内即可收回成本 9.4 YDGJ 系列三相异步多功率电动机系统 (1) 目前油田抽油机的现状 油田的井况复杂, 可随季节和井龄的变化也有变化, 在选取电机的功率时, 很难准确的选定, 这就造成选用的电动机功率偏大, 大多数运行时间不能与井况 68

75 合理匹配, 因此, 造成抽油机 大马拉小车 的现象较多, 造成了能量的极大浪 费 如果要调整的相匹配的功率, 就要更换电机, 这样增加了大量的安装和购机 费用, 费时费力 (2) 该电动机系统的优点 YDGJ 系列三相异步多功率电动机系统, 由多功率电动机和控制系统组成 控制系统根据指令, 实现一种转速下不同的输出功率, 来满足负载不同的功率要求 该系统具有以下优点 : 1) 具有一键起 停功能, 操作简单 2) 同一转速下不同功率输出可一键转换, 调节方便 快捷 3) 具有高起动转矩, 适合驱动大惯性负载 4) 具有电压 电流显示功能, 可随时监视系统的工作情况 5) 具有过压 过流 欠压 缺相 过载 短路等职能保护功能, 使系统安全可靠 (3) 该电动机系统可以解决的问题 1) 该系统主要应用于游梁式抽油机, 可以根据实际工况选择功率, 转换简单 方面 安全, 无需更换电动机, 减少了安装的费用, 降低了劳动强度, 解决目前游梁式抽油机 大马拉小车 问题 2) 电机在低功率运行时, 可以降低电机的铁耗, 减少铜耗, 提高功率因数, 提高了系统效率, 节能效果明显 3) 系统具有过压 欠压 缺相 过载, 短路等智能保护功能和电源电压 电流显示功能, 方便用户维修和检测, 保证了系统安全运行, 降低了维护成本, 增加了运行时间, 提高了产量 若采用该系列电机替代原来的普通三相异步电动机, 成本增加 30%-50%, 系统综合节能可达到 10% 以上, 合理使用, 2 年内可收回成本 69

76 9.5 单速三功率档节能型电机 油梁式抽油机是一个复杂的系统, 节能效果不仅取决于系统本身, 还取决于油井工矿 在油藏开发中后期阶段, 油井的产液量一般逐渐减少, 抽油机的负荷也随之变小, 轻载现象较为普遍, 形成一个 大马拉小车 的高耗能系统 为克服这样的高耗能现象, 而且在不增加成本的情况下, 本文介绍一种以抽油机额定油量定型功率为基本额定功率, 在同一台电机中根据采用一定的匝数抽头比的方式计算功率, 可分为二档 三档 或四档的不同选择计算, 只需将电机抽头在控制箱中按不同的接线方式, 进行换挡控制操作使用, 达到油量多少与电机功率选择使用的合理匹配 (1) 基本原理 根据游梁式抽油机野外作业的生产方式分析, 对油量的液面分为上层 中层 低层或更低层几种, 对同一台电机的功率匹配分为 PN 0.8PN 0.6PN 或 0.5PN 的三档或四档 一般情况下应实际使用要求选择高 中 低三档 通过三相异步电动机额定功率对应的每一相总绕组的线匝数分配出三档绕组线匝数的抽头比, 分别形成 PN 为 0.8PN 为小 Y 大 及 0.6PN 为大 Y 小 的混合绕组接线方法, 达到满足三档功率的要求, 并且三档功率情况下电机的基本性能比较相近, 以满足抽油机系统使用方便 操作简易 节约能源的要求 (2) 应用案例 以 Y225M-6-30KW,460V60HZ 为例进行计算 : 额定功率 PN 情况下需要调整设计的说明 1) 采用原来 Y 系列的定 转子槽匹配 槽形尺寸维持不变方案, 根据用户要 求调整设计 ; 2) 将原来的 2 路并联每圈 28 匝 线规为 2-φ1.3+1-φ1.4, 通过计算改为 1 路并联的 14 匝, 线规为 4-φ1.3+2-φ1.4, 相电阻在 75 为 R=0.2609Ω 改为 1 路并联后的每极每相为 252 匝, 单边为 126 匝, 即每相中由 3 只线圈为一组连绕 每只线圈为 7 匝, 共有 6 组 18 个线圈数组成了 N =126 匝导线数 ; 70

77 3) 三相的头尾接线头编号设定为头 U1 V1 W1, 尾 U2 V2 W2 设定额定 电压为 UN=460V, 接线图见图 1-31 图 1-31 图 1-32 图 1-33 第二档为 0.8PN 绕组抽头的匝数计算 1) 第二档电机的额定功率为 KW=24KW; 2) 求出额定功率为 24KW 时的抽头匝数, 是一个小 Y 加一个大 组 合的接法, 对照接线图

78 根据公式 (460/UN1)2 =24//30(0.8) UN1 ( 为 V 相与 W 相的线电压 ) 求得 UN1=514.3V 3) 根据电压之和求取 Y 部分的相电压 UY1 UY1+(380-UY1)/ 3=UN1/ 3 求得 UY1=74.2V N 4) 根据匝数与电压成正比关系求取 Y 接法部位的每相匝数 UY1/UN=NY1/ 74.2/460=NY1/ 126 NY1=20.3 匝, 取 NY1=20 匝 5) 求取 Y 接法部位在 75 的相电阻值 RY1/ R= NY1/ N RY1/ = 20 / 126 RY1= Ω 6) 由此可以排列绕组的抽头设在第 Ⅰ 组第 3 只线圈中第 6 匝与第 7 匝线圈的中间, 三相的抽头标号设定为 U5 V5 W5 见图 1 第三档功率为 0.6PN 绕组抽头的匝数计算型式与第二档功率的类似 1) 求得第三档额定功率为 KW=18KW 2) 求得由大 Y 小 组合后的 UN2=593.9V( 见图 1-33) 3) 求得 UY2=182.9V 4) 求得 NY2=50.1 匝, 取 NY2=50 匝 5) 求得 Y 接法部位在 75 的相电阻值 RY2=0.1036Ω 6) 排列绕组的抽头设在第 Ⅲ 组第 2 只线圈第 1 匝与第 6 匝线圈的中间, 三相的抽头标号设定为 U6 V6 W6( 见图 1-31) 72

79 (3) 样机试验结果比较 表 1-38 样机试验结果对比表 项 目 标准及要求设计值 PN(30KW) 试 0.8PN(24KW) 0.6PN(18KW) 值额值 (PN=30KW) 验值试验值试验值 效率 功率因数 额定电流 (A) 额定转矩 (Nm) 启动转矩 ( 倍 ) 启动电流 ( 倍 ) 最大转矩 ( 倍 ) UN/UY(V)//R 75 (Ω) 460/460// /75// /180// 转速 (rpm) (4) 节能计算 1) 每台抽油机按照三功率档电机与单速一种额定功率的电机按照每天 24 小 时 每年 200 天 负载持续率 90% 工作 在效率 91.5% 功率因数 0.84 条件下, 计算年耗电量, 并比较年节约电能情况 单种额定功率 30kW: % 91.5% 0.84= kW h 2) 三功率档按照 P N 为 8 小时工作 0.8P N 为 8 小时工作 0.6P N 为 8 小时工 作时间计入 : ( ) % 91.5% 0.84= kW h 同一台抽油机采用三功率档电机比普通单功率电机每年可节约电量达 kW h, 解决了 大马拉小车 的耗能现象 73

80 10 开关磁阻电机的节能应用 (1) 基本原理 开关磁阻电机 (SRM) 是定子 转子双凸极可变磁阻电机 定子 转子均由硅钢片叠压而成, 转子上既无绕组 无鼠笼条, 也无永磁体,, 定子极上绕有集中绕组, 如图 1-34 所示 开关磁阻电机可设计成多种不同的相数, 且定 转子的极数有多种不同的搭配, 这种特殊的组合形式得到了广泛的应用 图 1-34 开关磁阻电机图 1-34 右下所示 12/8 极结构电机, 定子是 12 极, 转子是 8 极, 以定 转子的相对位置作为起始位置, 依次给 C A B 相绕组通电, 转子即会逆着励磁顺序以顺时针方向连续旋转 ; 反之, 依次给 B A C 相通电, 则电机会逆时针方向旋转, 开关磁阻电机的转向与绕组的电流方向无关, 只取决于绕组通电的顺序 开关磁阻电机调速系统由控制器及电机两大部分组成 控制器由嵌入式微处理器 可编程逻辑器件 驱动电路 电力电子器件及软件组成 提供数据显示功能, 可查看电机的运行数据及各种参数的设置情况 ; 具有键盘输入功能, 通过对键盘的操作, 可实现电机的起停控制及各种参数的设置 ; 具有开关量和模拟量接口, 可输入传感器及开关信号, 可输出模拟量及继电器信号, 可实现简单的 PLC 控制功能 ; 具有通讯接口, 用户可通过该接口实现远方监控, 同时也可通过该通讯口下载程序, 进行系统的维护 控制器通过控制绕组电流的通断控制电机的运行, 而与绕组电流的方向无关 转子上固定有确定转子相对定子位置的齿盘, 定子上装有检测齿盘转动脉冲的传感器, 位置信号以电脉冲的方式传送给控制器, 控制器根据位置编码, 开通和关断相应的绕组, 使电机可在四象限运行, 可实现电机的连续运转 制动 点动及位置保持功能 开关磁阻电机调速系统的原理框图如图 2 所示 74

81 图 1-35 开关磁阻电机工作原理示意图 (2) 产品特点 开关磁阻电机调速系统是一种新颖的 高性价比的 具有典型机电一体化结 构的无级调速系统 该调速系统具有该调速系统具有以下优点 : 系统效率高 调速范围宽, 低速下可长期运转 高起动转矩, 低起动电流 可频繁起停, 及正反转切换 动态响应性能良好 过载能力强 功率器件控制错误不会引起短路 可靠性很高 生产工艺简单 (3) 开关磁阻电机的应用 1) 电动螺旋压力机 75

82 图 1-36 电动螺旋压力机 图 1-37 电动螺旋压砖机 应用于电动螺旋压力机 : 电机直接驱动飞轮, 传动机构简单, 效率高, 比摩擦压力机节能 50% 以上 从 2007 年开始, 电动螺旋压力机逐步占领市场, 将淘汰传统的高耗能的摩擦盘式螺旋压力机 直驱式电动螺旋压力机, 直驱式电动螺旋压力机的飞轮与开关磁阻电机的转子合二为一, 压力机结构最简单 可靠性高 没有传动环节, 效率最高 应用于电动螺旋压砖机 : 自动化程度高, 制件精度高, 节省人力 结构简单, 坚固可靠, 易维护 起动电流小, 起动转矩大, 对电网无冲击 与传统的摩擦式 压砖机相比, 节能可达 67% 2) 剑杆织机 与传统的采用离合器和变速箱的剑杆织机来说, 采用开关磁阻电机驱动, 电机可以直接驱动主轴运转, 起动转矩可以达到额定转矩的 5 倍以上, 主轴在一圈之内就可以达到设定转速, 省掉了离合器与变速箱, 大大减少了织机的维护量, 而且可以根据织物的不同改变电机的转速, 方便灵活 剑杆织机用的开关磁阻电机如图 1-38 所示 76 图 1-38 剑杆织机用 SRM