湛江電力有限公司 劉伯平

引言

電廠運(yùn)行過(guò)程中異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用較廣泛，該電動(dòng)機(jī)性能好、結(jié)構(gòu)輕便、成本較低，可提供動(dòng)力能源，發(fā)揮著積極作用。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)電力消耗量大，資源浪費(fèi)較嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)有資料，我國(guó)中小型異步電動(dòng)機(jī)用電負(fù)荷在整個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷中占比超過(guò)80%，在主要電網(wǎng)中電動(dòng)機(jī)的電能消耗量在電廠總用電量中不低于50%[1]。當(dāng)前電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)更注重其安全余量，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)安全余量很多，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)電動(dòng)機(jī)的空載和輕載現(xiàn)象較嚴(yán)重，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小、運(yùn)行效率低，電力能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。

1 電動(dòng)機(jī)選型和改造

根據(jù)《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》規(guī)定的電動(dòng)機(jī)選型和經(jīng)濟(jì)要求開(kāi)展為電動(dòng)機(jī)節(jié)能降耗改造工作。

1.1 電動(dòng)機(jī)選型

選擇節(jié)能電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)效率由有效輸出功率和輸入功率所決定，其節(jié)能過(guò)程即為效率提高過(guò)程。電動(dòng)機(jī)效率計(jì)算公式：η=P2/P1×100%=(1-ΔP) ×100%，其中：P2為輸出功率，P1為吸收電功率，ΔP為損耗功率。從該公式中可發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)節(jié)能重點(diǎn)在于減少電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換損耗功率。而電動(dòng)機(jī)損耗功率包括：ΔP=PCu1+PCu2+PFe+Pad+ Pmcc+PwcP，該公式代表電動(dòng)機(jī)損耗受到定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、鐵芯、雜散以及機(jī)械摩擦、通風(fēng)等損耗決定[2]。

由此可得到電動(dòng)機(jī)損耗內(nèi)容包括：減少雜散損耗。科學(xué)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的齒槽關(guān)系及氣隙部件，并采用合理制造工藝減少磁場(chǎng)畸變現(xiàn)象；減少發(fā)熱損耗。優(yōu)化配置電動(dòng)機(jī)中的電、磁能量，使用節(jié)能繞組材質(zhì)，使用損耗和磁性能相匹配的鐵芯并擴(kuò)大銅面積；減少通風(fēng)損耗。提升熱傳導(dǎo)效率并增強(qiáng)自然對(duì)流散熱能力，減少通風(fēng)量的需求；減少機(jī)械摩擦損耗，科學(xué)設(shè)計(jì)軸承和潤(rùn)滑部分。

選擇高效電動(dòng)機(jī)。主要指高效三相異步電動(dòng)機(jī)，其效率水平符合電動(dòng)機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)國(guó)家對(duì)電動(dòng)機(jī)能效的規(guī)定，電廠在選用高效電動(dòng)機(jī)時(shí)需考慮新項(xiàng)目所需新電動(dòng)機(jī)的要求，并考慮舊電動(dòng)機(jī)損耗時(shí)重繞，考慮電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)載狀態(tài)下對(duì)電動(dòng)機(jī)的更新。

合理選擇額定容量。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)域包括：負(fù)載率處于70～100%范圍內(nèi)是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域；負(fù)載率處于40%～70%范圍內(nèi)是一般運(yùn)行區(qū)域；負(fù)載率處于低于40%范圍內(nèi)是非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域。電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平由電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)所確定，其與負(fù)載率有著直接關(guān)系。若是電動(dòng)機(jī)容量大，盡管可保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全穩(wěn)定，但會(huì)增加投資成本，同時(shí)也會(huì)降低電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)及運(yùn)行效率，導(dǎo)致電能浪費(fèi)。要想同時(shí)滿足電動(dòng)機(jī)運(yùn)行和節(jié)能減排要求需控制好電動(dòng)機(jī)負(fù)載率，使其處于60～100%范圍內(nèi)。

1.2 設(shè)計(jì)啟動(dòng)運(yùn)行方案

一方面，合理設(shè)計(jì)大中型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方案可挖掘其節(jié)能降耗潛力，如選擇全壓直接啟動(dòng)方式需電力系統(tǒng)容量足夠，但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的電力系統(tǒng)負(fù)載率并不高，導(dǎo)致供電效率受到影響，而選擇直接啟動(dòng)方式會(huì)導(dǎo)致電機(jī)被燒或?qū)﹄娋W(wǎng)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此為減少電機(jī)啟動(dòng)次數(shù)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)情況下并未停車(chē)，造成電能資源浪費(fèi)[3]。這種電機(jī)可選擇YQT型液體啟動(dòng)調(diào)速器啟動(dòng)方式，不僅可優(yōu)化電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能、也能降低電網(wǎng)容量要求，有效節(jié)約電力能源和一次性投資。

另一方面，大型火電發(fā)電廠在選擇大型高爐風(fēng)機(jī)和短時(shí)滿載運(yùn)行但長(zhǎng)期輕載運(yùn)行過(guò)程中的電動(dòng)機(jī)時(shí)，需考慮其調(diào)速運(yùn)行方案，因此一般選擇異步電動(dòng)機(jī)，并搭配了經(jīng)濟(jì)性的YQT水電阻調(diào)速運(yùn)行方案，這種調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)方式配置具有明顯節(jié)能效果。

1.3 老式電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造

本研究針對(duì)老式電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造提出兩種方案：更換外風(fēng)道冷卻風(fēng)扇。電動(dòng)機(jī)采用節(jié)能型外風(fēng)扇，不同型號(hào)電動(dòng)機(jī)選用的是對(duì)應(yīng)型號(hào)節(jié)能型風(fēng)扇產(chǎn)品，一般用于單方向運(yùn)行2極電動(dòng)機(jī)和4極電動(dòng)機(jī)中，經(jīng)改造后電動(dòng)運(yùn)行效率可提高約1.3～2.5%。另外也可選擇使用軸流式機(jī)翼風(fēng)扇，并在電動(dòng)機(jī)上裝置風(fēng)罩，增加風(fēng)扇壓差浮力，加速電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的同時(shí)降低電能消耗，減少運(yùn)行阻力和風(fēng)扇噪聲，提高降溫能力；改造原槽楔。選擇磁性槽楔改造電動(dòng)機(jī)，其可減少鐵芯損耗及附加損耗，提高電能運(yùn)行效率，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可降低電能損耗約10～20%，因此一般應(yīng)用在空載啟動(dòng)或輕載啟動(dòng)狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)中。

2 無(wú)功補(bǔ)償

2.1 感性負(fù)載

三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)消耗有功功率、無(wú)功功率，前者是電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩及驅(qū)動(dòng)負(fù)載中所需功率，隨著負(fù)載增多電流也會(huì)提升；后者是在電動(dòng)機(jī)的電源和磁場(chǎng)應(yīng)用，隨電源頻率變化功率也會(huì)產(chǎn)生變化，電源與負(fù)載的持續(xù)運(yùn)行需消耗一些功率。負(fù)載影響下無(wú)功電流并不會(huì)產(chǎn)生較大變化，同時(shí)相位層面電流變化與電壓90°的電流變化相比更為滯后，即為純電感性質(zhì)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，有功和無(wú)功電流的矢量和就是電源為電動(dòng)機(jī)所供給的總電流，在此過(guò)程中電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷下的有功電流高于無(wú)功電流，但總電流功率因數(shù)較高，電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降情況時(shí)的有功電流隨之降低且無(wú)功電流不變，但總電流功率因數(shù)較低。

2.2 無(wú)功功率就地補(bǔ)償

對(duì)于供電路徑較遠(yuǎn)的電動(dòng)機(jī)，可在電動(dòng)機(jī)周邊安裝就地補(bǔ)償裝置，其直接連接電動(dòng)機(jī)的補(bǔ)償方式即為無(wú)功功率就地補(bǔ)償，也就是個(gè)別補(bǔ)償。籠式電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償方式為并聯(lián)電容就地補(bǔ)償，繞線式電動(dòng)機(jī)采用的是SPM型智能化靜止相機(jī)就地補(bǔ)償方式。該補(bǔ)償方式可減少電力系統(tǒng)線損，挖掘供電潛力，提高電動(dòng)機(jī)回收率。

電容負(fù)載時(shí)，超前無(wú)功電流與電感負(fù)載中的滯后無(wú)功電流彼此補(bǔ)充，此時(shí)電機(jī)電源終端并聯(lián)構(gòu)成了一定容量電容器，其可為電機(jī)供給無(wú)功電流，減少輸配電電線所產(chǎn)生的總電流，降低電線中的損耗。電機(jī)正常運(yùn)行下的線路可輸送恒定有功功率，此時(shí)就地補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率為Q2、視在功率則為S2，因此就地并聯(lián)安裝完無(wú)功電容量（QC=Q1-Q2）后的電機(jī)所吸收的無(wú)功功率會(huì)從Q1降至Q2，視在功率從S2降至S1，功率因數(shù)有所提升?？傊?，無(wú)功功率得到就地補(bǔ)償后即為降低線路所輸送的視在功率，進(jìn)而達(dá)到電力節(jié)能目的。

3 變頻調(diào)速

3.1 軟啟動(dòng)節(jié)能

變頻器利用電力半導(dǎo)體元件所具有的通斷功能使工頻電源轉(zhuǎn)換為電能控制裝置，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)且變頻調(diào)速交流異步電機(jī)，并改變功率因數(shù)。電機(jī)在進(jìn)行直接啟動(dòng)或Y/D啟動(dòng)時(shí)所需電流是額定電流的4～7倍，這種電流對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)產(chǎn)生巨大沖擊，同時(shí)需較大電網(wǎng)容量，而由于啟動(dòng)時(shí)的電流、振動(dòng)較大，因此會(huì)嚴(yán)重?fù)p害擋板和閥門(mén)，也會(huì)縮短設(shè)備和管理壽命。變頻器在電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用主要通過(guò)軟啟動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)從零啟動(dòng)，所需電流最大數(shù)值限定為額定電流，這樣才能降低啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，符合供電容量標(biāo)準(zhǔn)，有效節(jié)約電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電能，延長(zhǎng)閥門(mén)及設(shè)備使用壽命。

3.2 調(diào)速節(jié)能

從流體力學(xué)角度可得到P=QH，此時(shí)水泵效率一定的情況下隨著流量下降，水泵轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之下降，輸出功率呈立方速度下降，即水泵電機(jī)耗電功率與轉(zhuǎn)速呈立方比。一般變頻器實(shí)際運(yùn)行效率為93%左右，加上相應(yīng)的冷卻裝置的投入大約耗能為電動(dòng)機(jī)的額定負(fù)荷有功功率的5%左右，兩者相加的總損耗根據(jù)不同的工況損耗約在12%左右，因此綜合計(jì)算一般的水泵在不同的負(fù)荷工況下，其綜合節(jié)能約為25%左右，變頻器在水泵風(fēng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用具有明顯的節(jié)能效果。

YQT型液體啟動(dòng)調(diào)速器可作為負(fù)荷啟動(dòng)器使用，相對(duì)于變頻調(diào)速和可控硅串級(jí)調(diào)速而言更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，維護(hù)工作也比較簡(jiǎn)單，盡管調(diào)速時(shí)效不高但cos數(shù)值較高，同時(shí)全速運(yùn)行時(shí)的效率超過(guò)變頻運(yùn)行時(shí)的效率，但是價(jià)格相對(duì)于變頻更低、值得推廣，一般應(yīng)用在水泵、風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)設(shè)備調(diào)速節(jié)能運(yùn)行中。

無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)。高壓變頻器價(jià)格高、控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用受到影響，因此為加大推廣需降低調(diào)速系統(tǒng)成本，由此基于HUNT電機(jī)提出一種無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)所得節(jié)能效果較好。該電機(jī)類(lèi)似于轉(zhuǎn)子接串調(diào)或是雙饋調(diào)速裝置繞線式電機(jī)，其只需使用小容量變頻器即可調(diào)速控制大功率電機(jī)，尤其適合應(yīng)用在大功率風(fēng)機(jī)及水泵類(lèi)負(fù)載調(diào)速節(jié)能中。

該電機(jī)具有繞線式異步電機(jī)特征，其并無(wú)電刷和滑環(huán)，原型機(jī)也就是二電機(jī)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將兩轉(zhuǎn)子軟組聯(lián)接起來(lái)。而所聯(lián)接的兩臺(tái)電機(jī)中，第一臺(tái)的定子繞組與電網(wǎng)相連接并在其中輸入功率，利用轉(zhuǎn)子所輸入的功率傳輸至第二臺(tái)電機(jī)中的定子繞組中，而第二臺(tái)電機(jī)中的定子繞組也就是控制繞組，聯(lián)接串聯(lián)裝置或是雙饋裝置，可以達(dá)到調(diào)速目的（圖1）。

圖1 電機(jī)運(yùn)行原理圖

無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)中包括定子、籠型轉(zhuǎn)子、公共磁路等部件，其中定子中的繞組有兩套，其中一組為功率繞組并與三相電網(wǎng)連接，另一組為控制繞組并與變頻裝置連接。該電機(jī)中的繞組極對(duì)數(shù)在確定下，通過(guò)對(duì)繞組變頻器輸出頻率的調(diào)整實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，但調(diào)速范圍由極對(duì)數(shù)、二套電源輸出頻率所決定，轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：n=60(fp+fq)/(p+q)(r/min)。從中可得到，通過(guò)電源旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和變頻器輸出磁場(chǎng)方向不同做到雙向調(diào)速，可擴(kuò)大調(diào)速區(qū)域、縮小變頻器容量。同時(shí)，電源頻率為50Hz時(shí)只需變頻器輸出一定頻率即可確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并提高調(diào)速精確性。

4 結(jié)語(yǔ)

在電廠應(yīng)用無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)可降低成本、精確轉(zhuǎn)速控制，但啟動(dòng)性差，利用感應(yīng)啟動(dòng)器啟動(dòng)并不適用于任何場(chǎng)所。但相對(duì)于其他調(diào)速器而言，無(wú)刷雙饋?zhàn)冾l調(diào)速電機(jī)性能較優(yōu)越，其可合理結(jié)合變頻器技術(shù)和電機(jī)結(jié)構(gòu)改造實(shí)現(xiàn)一體化控制，不僅能夠降低調(diào)速成本、也能夠避免有刷調(diào)速，具有交流調(diào)速發(fā)展前景。