電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能措施及智能控制系統(tǒng)應(yīng)用解析
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0. 引言
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電機(jī)系統(tǒng)由電機(jī)、負(fù)載裝置、傳動(dòng)控制系統(tǒng)以及電源等獨(dú)立部件組成。電力拖動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示，是弱電控制強(qiáng)電、軟件控制硬件、部件融于系統(tǒng)，涉及多學(xué)科、多專業(yè)、多領(lǐng)域的信息能量互動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程需要綜合考慮電動(dòng)機(jī)本體、拖動(dòng)設(shè)備、控制電動(dòng)機(jī)的裝置、管網(wǎng)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)負(fù)載功能等多種因素，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)節(jié)能工程。
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1. 電機(jī)本體高效節(jié)能的具體技術(shù)措施
電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能措施，主要有電機(jī)的高效節(jié)能設(shè)計(jì)、電機(jī)與控制智能一體化、“雙高”電機(jī)應(yīng)用、多功率高效電機(jī)和專用電機(jī)選擇、拖動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能等方面。其中：采用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、新材料技術(shù)、集成控制技術(shù)等現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)降低電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率起到關(guān)鍵作用。電機(jī)高效節(jié)能設(shè)計(jì)采用特殊的繞組形式，低損耗軸承，冷卻風(fēng)路與風(fēng)扇設(shè)計(jì)；選擇低損耗的冷軋硅鋼片、稀土永磁材料、磁性槽楔，減薄絕緣電磁線等材料；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子銅壓鑄工藝，定子線圈自動(dòng)成形與無溶劑浸漆工藝，沖片氣隙與轉(zhuǎn)子外圓不切削工藝，轉(zhuǎn)子酸洗工藝和鐵芯退火工藝等。電機(jī)與控制智能一體機(jī)，集電機(jī)、變頻器于一體，具有體積小、重量輕、變頻方便、性能穩(wěn)定，可進(jìn)行智能控制等優(yōu)點(diǎn)；電機(jī)可根據(jù)負(fù)荷需求進(jìn)行自我調(diào)速，節(jié)能降耗，廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、數(shù)控機(jī)床等設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制，節(jié)能效果顯著。“雙高”（高效率、高功率因數(shù)）電機(jī)技術(shù)。一是減小異步電機(jī)的無功激磁電流，提高功率因數(shù)（cos∮＞0.92）。二是濾除激磁電流的高次諧波，使電流趨于正弦波形，保證旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)更趨圓形，顯著減小電機(jī)諧波轉(zhuǎn)矩，降低噪聲；隨著激磁電流波形改善，解決困擾電機(jī)的“軸電流”問題，提高電機(jī)軸承的可靠性。多功率電機(jī)，利用自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)高、中、低多檔功率輸出，自動(dòng)變換，適用于油田抽油機(jī)、泵類傳動(dòng)、造紙行業(yè)等變動(dòng)負(fù)載運(yùn)行場(chǎng)合。專用電機(jī)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)負(fù)載特性，設(shè)計(jì)性能先進(jìn)、運(yùn)行可靠的專用電機(jī)，以適應(yīng)千變?nèi)f化的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，使節(jié)能效果更加顯著，如油田抽油機(jī)專用稀土永磁電機(jī)，節(jié)電率高達(dá)20%。
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2. 電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能措施的選用和節(jié)能效果
表1電機(jī)采用不同節(jié)能措施后達(dá)到的節(jié)能效果表
電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于各行各業(yè)，涉及各種復(fù)雜的工況、不同的負(fù)載特性以及不同的工藝過程。因此，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能需要在滿足負(fù)載要求的前提下，從設(shè)計(jì)、制造、選用合適的系統(tǒng)部件出發(fā)，合理組合匹配，使系統(tǒng)綜合節(jié)能效果和系統(tǒng)性價(jià)比達(dá)到最佳或較佳的綜合工程技術(shù)。電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能主要包括電機(jī)系統(tǒng)各部件自身的能效提高、電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能，例如風(fēng)機(jī)、泵類變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能，是采用電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，改善工藝、設(shè)備條件，提高效率的節(jié)能。有些電機(jī)與設(shè)備的負(fù)載，可通過一體化設(shè)計(jì)或直接驅(qū)動(dòng)的方式，從綜合節(jié)能分析和評(píng)價(jià)的角度，達(dá)到較為理想的節(jié)能效果。通過改變交流異步電動(dòng)機(jī)的供電電源頻率，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的系統(tǒng)，適用于負(fù)荷變化較大、需頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的場(chǎng)所，對(duì)于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速二次方變化的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載，有較好的節(jié)能效果，通過檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電壓與電流相位差，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓，使電機(jī)輸出功率與實(shí)時(shí)負(fù)載精確匹配，以有效降低電機(jī)損耗；功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，適用于負(fù)荷率較低、功率因數(shù)較低、負(fù)載變化較大且速度恒定的場(chǎng)所，負(fù)荷功率因數(shù)低、負(fù)載功率變化大，變化速度快、有諧波源，且諧波污染大的電機(jī)集群，如機(jī)床、輸送帶的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于高效水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)機(jī)組及其他高效機(jī)械裝備，不僅要求電機(jī)及其所拖動(dòng)的設(shè)備各自本體高效，還要求組合在一起的機(jī)組高效，要求各負(fù)載區(qū)和高效率區(qū)合理匹配。直驅(qū)式機(jī)組取消了電機(jī)與水泵、壓縮機(jī)之間的聯(lián)軸器或皮帶輪，取消泵葉輪轉(zhuǎn)子軸承和壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，降低機(jī)械損耗。在高效葉輪和高效螺桿線型的基礎(chǔ)上，匹配電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，從性能和結(jié)構(gòu)上做到真正的一體化設(shè)計(jì)。直驅(qū)式機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，成本低、運(yùn)行效率高。表1列出了電機(jī)采用不同節(jié)能措施后達(dá)到的節(jié)能效果。
電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能主要措施適用的工況和節(jié)能效果：1）高效率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，適用于負(fù)載率在50%以上、年運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)（一般超過3000小時(shí)）的恒定負(fù)載，以選用2級(jí)能效以上電機(jī)產(chǎn)品為主。2）無功補(bǔ)償技術(shù)，適用于電機(jī)功率因數(shù)低、負(fù)載功率變化大，變化速度快、有諧波源，且諧波污染高的電機(jī)系統(tǒng)集群，如鋼廠、化工廠、機(jī)械加工廠等，綜合節(jié)電率在4%左右。3）調(diào)壓節(jié)能技術(shù)，電機(jī)輕載情況下，通過降低輸入電機(jī)端電壓，使電機(jī)輸出功率與負(fù)載精確匹配，有效降低電機(jī)損耗，實(shí)現(xiàn)效率提高。適用于負(fù)荷率低、功率因數(shù)低、負(fù)載變化較大的中小型異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。如機(jī)床、輸送帶等，綜合節(jié)電率一般為2～5%。4）變頻調(diào)速技術(shù)。用于高、低壓電機(jī)系統(tǒng)改造，通過改變交流異步電動(dòng)機(jī)供電電源頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。適用于負(fù)荷變化較大、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速頻繁的工況，對(duì)于轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速二次方變化的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載，節(jié)能效果顯著，綜合節(jié)電率可達(dá)到10～50%。5）變極調(diào)速技術(shù)。通過改變定子繞組接線方式，改變電機(jī)極數(shù)，實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，如YD、YDT系列等變極調(diào)速電機(jī)。適用于需定量調(diào)節(jié)流量且調(diào)節(jié)不頻繁的工況，如某些風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，由于環(huán)境條件（如季節(jié)、溫度等）變化，要求相應(yīng)調(diào)節(jié)流量，且調(diào)速精度要求不高，綜合節(jié)電率可達(dá)到10～30%。
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3. 電機(jī)智能控制系統(tǒng)節(jié)能的主要措施
電機(jī)智能控制系統(tǒng)是采用智能型元器件，在傳統(tǒng)電氣設(shè)備和元器件基礎(chǔ)上，充分應(yīng)用微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)通訊等新技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的設(shè)備，具有較高的性能和可靠性。智能型電機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)數(shù)字通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接，組成電機(jī)智能控制系統(tǒng)，具有遙測(cè)、遙控、遙信及遙調(diào)功能，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行管理的自動(dòng)化、智能化。電機(jī)智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)字通信、遠(yuǎn)程操作與程序控制、保護(hù)定值管理、事件記錄與報(bào)警、故障分析、各類報(bào)表及設(shè)備維護(hù)信息管理等功能。智能化監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮牟僮髂Ｊ?，具有?qiáng)抗干擾能力，主要控制功能由設(shè)備層智能型元器件完成，形成網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)、快速及可靠性要求。系統(tǒng)中的低壓智能型元件可分為：電量參數(shù)測(cè)量、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、開關(guān)保護(hù)與控制及電動(dòng)機(jī)控制等。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)中智能型元件可不依賴計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)而獨(dú)立運(yùn)行，極大提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和可靠性，滿足低壓電氣設(shè)備運(yùn)行管理需要和工廠生產(chǎn)過程節(jié)能控制的要求。
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4. 結(jié)論
全面推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能，需要以提高能源利用效率為核心，以企業(yè)為實(shí)施主體，大力調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快推進(jìn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步，調(diào)動(dòng)市場(chǎng)主體節(jié)約能源的自覺性，努力提高電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)整體效率，減少能源浪費(fèi)，積極推動(dòng)設(shè)備節(jié)能和智能控制系統(tǒng)的發(fā)展，有效帶動(dòng)社會(huì)整體節(jié)能進(jìn)步。