電機系統節能技術解決方案
發布時間：2019-06-26 07:25
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終端能效項目--電機系統節能技術解決方案
節能分析
電機是重要的工業、建筑耗能設備，廣泛應用于機械傳動、水泵、風機、液壓泵、壓縮機、制冷機等，電機的耗電量約占總發電量的50%左右。由于電機產品種類繁多，電機功率大小不一，負載特性千差萬別，控制方式各不相同，增大了電機節能的難度。所以電機系統必須針對負載特性、運行特點采用不同的節能策略才能收到較好的節能效果。
電機系統節能策略
★電機系統節能策略的選用要素
●負載特性：電機拖動負載特性可分為恒功率負載、恒轉矩負載和變轉矩負載。
●負載類型：連續性負載、間歇性（不均衡性）負載、短時負載。
●負載功率：最大負載功率（重載）、最小負載功率（輕載）、瞬時負載功率（超載）。
●負載率：最大負載率、最小負載率、平均負載率。
●控制方式；自動控制、手動控制。
★電機系統節能策略的選用原則
●負載功率較小的連續性負載，平均負載率起過80%的電機系統宜采用優化控制節能。
●負載功率較小的恒功率負載，平均負載率超過65%的電機系統宜采用更換高效電機。如永磁同步電機、高效感應電機等。
●負載功率較小的恒轉矩、變轉矩負載，且負載類型為間歇性負載的電機系統宜采用伺服控制節能。
●負載功率較大的恒轉矩、變轉矩負載，且負載類型為間歇性負載的電機系統宜采用變頻調速節能。
●供電距離較遠的連續性恒功率，且屬于四象限運行的連續性負載的電機系統宜采用就地功率補償節能。
●控制精度較高、響應速度較快的小功率間歇性負載的電機系統宜采用伺服控制節能。
●控制精度較高、響應速度較快，且帶載啟停的間歇性負載的電機系統宜采用具有低頻大力矩性能的變頻調速節能。
●四象限運行的間歇性負載，且帶載啟停的垂直性升降負載的電機系統宜采用具有電能回饋、低頻大力矩性能的變頻調速節能。
變頻調速節能技術
（1）節能分析
變頻調速技術適用于恒轉矩、變轉矩負載的節能，這是有負載特性所決定，恒功率負載使用變頻調速是不可能節能的，所以恒功率負載使用變頻器的目的是工藝性調速。恒轉矩負載的節電量決定于負載率，與負載率成正比，當負載率高于90%時，不適宜再做節能。變轉矩負載一般為流體性負載（如水泵、風機、液壓油泵等），其特性是流量Q、轉矩M和軸功率P與轉速N成一次方、二次方和三次方關系，即Q∝N，M∝N，P∝N。只要改變轉速N，則Q、M和P將隨之下降，特別是軸功率P將按轉速N三次方下降，如果轉速下降20%，則軸功率下降近50%，所以變轉矩負載當負載率大于90%時還有10~15%的節電率，最適宜于做節能。
（2）技術原理
采用自動控制技術和變頻調速技術，動態地跟蹤負載的需求量變化，通過計算機控制器的采樣，分析，判斷和運算，在確保實際負載需要的前提下，適時調整電機的輸出軸功率，從而達到節能的目的。基本上消除了變轉矩負載設備由于選型和負載變化普遍存在的“大馬拉小車”的浪費現象，使變轉矩負載電機始終運行在最佳工作狀態。
（3）控制模式
●恒壓控制模式：利用壓力傳感器采集系統壓力的變化值，并根據系統的壓力變化值實時調整負載電機的運行速度的變頻節能運行模式。主要應用于恒壓供水、空壓機節能、液壓控制、氣動控制、恒風量控制等系統。
●恒溫控制模式：利用溫度傳感器采集系統溫度的變化值，并根據系統的溫度變化值實時調整負載電機的運行速度的變頻節能運行模式。主要應用于工藝冷卻水、中央空調節能、工藝設備控制等系統。
●變流量控制模式：利用流量、二氧化碳等傳感器采集系統的流量變化值，并根據系統的流量變化值實時調整負載的運行速度的變頻節能運行模式。主要應用于液壓、氣動、工藝冷卻水、車間通風等系統。
●恒功率控制模式：利用功率、電流等傳感器采集系統負載功率的變化值，并根據系統功率的變化值實時調整逆變系統的輸出功率負載的節能運行模式。主要應用于粉碎機、水泥攪拌機、球磨機等負載。
●恒重力控制模式：利用重力傳感器采集系統的流量變化值，并根據系統的流量變化實時調整負載的運行速度的變頻節能運行模式。主要應用于傳送機等負載。
（4）性能特點
★采用先進的微電腦控制技術，提高了響應速度和控制精度。
★可與工藝控制系統進行實時聯動、并實現遠程監控。
★采用工頻，變頻兩種運行方式，故障時絕不會影響生產。
★提高了負載電機的功率因數cos∮=1。
★電機的節電率可達10%到60%（負載需求和電動機功率大小等有關）。
★驅動電機實現了軟啟動，減少了啟動沖擊電流。延長使用壽命，減少機械損耗。
★通過對壓力、風量、流量、溫度等技術參數的進行檢測，形成了閉環回路自動控制系統。
★具有安全旁路系統，具備各種保護功能。
伺服控制節能技術
（1）節能分析
伺服控制在節能中的應用時間不長，應用較多的設備是注塑機節能。隨著伺服控制技術和伺服電機制造技術的提升，伺服節能必將得到大力的推廣和發展。伺服控制技術更能適應精確的工藝控制，可根據工藝控制的需要實時調整輸出力矩，在改變轉速的同時，保持低頻力矩滿足工藝需求。另外，伺服電機內的轉子是為稀土材料制成的永磁體，只要輸入電源使定子線圈產生磁場就可實現旋轉運行，減少了轉子能耗，實現了同步電機的運行功能。所以伺服控制節能不但響應速度快、控制精度好、低頻力矩大，而且電機能量轉換效率高，損耗小，節電率更高，系統節電率可達到10～60%以上。目前，小功率伺服電機的制造技術基本成熟，應用較多，但是大功率伺服電機的制造技術不夠成熟，所以較大的動力系統使用伺服控制節能都是使用小功率電機的并聯來增大功率，提高系統的穩定性。
（2）伺服控制系統的結構
伺服控制系統由操作界面、傳感器、伺服控制系統、伺服驅動系統、伺服電機和負載組成。
（3）技術原理
采用DSP自動控制技術和逆變技術，動態地跟蹤負載變化與設定目標值輸入計算機控制系統進行采樣，分析，比較、判斷和運算，精確計算負載的需求功率，并實時調整逆變模塊的輸出功率，使用電機的拖載能力與工藝要求相一致。實現了精確控制和高效節能的同步提升。
（4）性能特點
超節能：相比使用感應交流電機，節能效果在20-80%。
高穩定性：由于采用傳感器的閉環系統控制，系統穩定性明顯提高，一般情況下，產品精度可以控制在0.3%，客戶使用伺服系統后，產品合格率高了，原來每班需要調整機器參數的現象沒有了，技術人員可以騰出時間多研究一些創新、效率等方面的事情。
高精密度：由于伺服電機的轉動慣量極小，系統響應速度極快，最高達到50ms，對需要精密調節的工藝要求更加容易滿足需要。
低噪音：伺服控制系統相對感應交流電機系統，噪音明顯降低，改變工作環境更加環保。
低投入高回報：一般情況下，設備投資在6-12個月可以收回（根據產品工藝及地區電價有一定差異）。可以說將傳統電機系統升級為伺服動力系統，不僅節能達到降低成本的目的，同時高穩定性及高生產效率帶來可觀的經濟效益，更重要的是增強了企業競爭力，實現企業產品升級及向生產高附加值產品的戰略轉移。
（4）伺服控制節能應用于注塑機節能效果對比
★節電量對比
●伺服節能比定量泵系統節能40~80%。
●伺服節能比變頻器系統節能10~20%。
●伺服節能比變量泵系統節能20~40%。
★注塑機伺服節能分析曲線圖
★注塑機伺服控制節能的優點
1、響應速度快，能在30ms內從0Hz加速到50HZ。
2、電機工作效率高，能耗比異步電機降低6~10%。
3、節電率高；節電率可達到30~80%以上，比變頻節能可提高10~20%左右的節電率，控制節能基本相近，電機效率大大提高。
4、驅動電源對電機的影響較小，基本無溫升，抗干擾能力強。
5、提高了油泵在低頻運行時的工作效率，系統采用了高壓齒輪泵，當低速運行時，不受離心力的影響，所以改善了低頻時的運行性能。
功率補償節能
（1）節能分析
在電機系統有許多四象限電機負載和交變性感應交流電機負載，電機所需的無功始終在吸收與輸出回饋的交變狀態中轉換運行，由于瞬時轉換速度較快，對于供電線路較遠的電機，無功補償的響應速度跟不上電機變化的需求，導致負載電機功率因素大幅度下降（一般在0.7左右），使電機能耗和線路損耗上升，同時由于供電線路中還有整流器、變頻器、中頻器等大量非線性負載設備所產生大量諧波，使系統的電壓、電流的波形畸變導致電機能耗上升，電機運行溫度升高。為此通過就地功率補償技術和諧波治理技術可以提高負載電機的功率因素和電源質量，減少線路損耗，提高電機的運行效率，可節約電能耗3~10%左右。
（2）功率補償裝置結構
根據電機無功功率的變化值和設定的功率因素目標值來控制電力電容器的投入和切除,并且有過,欠電壓保護功能。功率補償裝置由功率補償控制器、無觸點可控硅模塊或智能復合開關、電容器、熔斷器、電流互感器、避雷器、開關、電抗器(對無觸點開關起到過電流保護作用;對防止電容器過電流也起到抑制作用)以及裝配監視用的電壓表,電流表,功率因數表和信號指示燈等組成。
（3）技術原理
在電網中，功率分為有功功率、無功功率和視在功率。交流電網中，由于有阻抗和電抗（感抗和容抗）的同時存在，所以電源輸送到電機的電功率并不完全做功。因為，其中有一部分電功率（電感和電容所儲的電能）仍能回輸到電網，因此，實際為電機所吸收的電功率叫有功功率。電感和電容所儲的電能仍能回輸到電網，這部分功率在電源與電抗之間進行交換，交換而不消耗，稱為無功功率。當電網電壓為正弦波形，并且電壓和電流同相位時，電機從電網吸收的功率P等于電壓U和電流I的乘積，即：P＝U×I。電機運行時需要建立磁場，這部分能量不能轉化為有功功率，因此稱之為無功率Q。此時電流滯后電壓一個角度φ。在選擇電機時應按視在功率S，即有功功率和無功功率的幾何和：S＝√P2+Q2。無功功率的傳輸加重電網的負擔，使電網損耗增加，。把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷，并聯接在同一電路；當容性負載釋放能量時，感性負荷吸收能量；而當感性負荷釋放能量時，容性負荷卻在吸收能量；能量在兩種負荷之間交換。這樣，感性負荷所吸收的無功功率，可以從容性負荷輸出的無功功率中得到補償，這就是無功功率補償的基本原理。因此需要對其進行就近和就地補償。并聯電容器可以補償或平衡電氣設備的感性無功功率。當容性無功功率Qc等于感性無功功率QL時，電網只傳輸有功功率P。
（4）性能特點
A、電壓優先：按電壓質量要求自動投切電容器，電壓超出最高設定值時，逐步切除電容器組，直到電壓合格為止。電壓低于最低設定值時，在保證不過載的條件下逐步投入電容器組，使母線電壓始終處于規定范圍。
B、功率自動補償功能：在電壓優先原則下，依據負荷無功功率大小自動投切電容器組，使系統始終處于無功損耗最小狀態。
C、智能控制功能：自動發出動作指令前首先探詢動作后可能出現的所有超限定值，減少動作次數。
D、異常報警功能：當電容器控制回路繼保動作拒動和控制器則自動閉鎖改組電容器的自動控制。
E、模糊控制功能：當系統處于電壓合格范圍的高端，且在某特定環境時如何實施綜控原則是該系列產品設計的難點，由于現場諸多因素（如配置環境、受電狀況、動作時間、用戶對動作次數的限制等）而引起的頻繁動作是用戶最為擔憂的，應用模糊控制正是考慮了以上諸多因素使這一“盲區”得到合理解決。
F、綜合保護功能：每套裝置有開關保護（選配），過壓、失壓、過流（短路）和零序繼電保護、雙星形不平衡保護、熔斷器過流保護、氧化鋅避雷器、接地保護、速斷保護等。
節能分析
電機是重要的工業、建筑耗能設備，廣泛應用于機械傳動、水泵、風機、液壓泵、壓縮機、制冷機等，電機的耗電量約占總發電量的50%左右。由于電機產品種類繁多，電機功率大小不一，負載特性千差萬別，控制方式各不相同，增大了電機節能的難度。所以電機系統必須針對負載特性、運行特點采用不同的節能策略才能收到較好的節能效果。
電機系統節能策略
★電機系統節能策略的選用要素
●負載特性：電機拖動負載特性可分為恒功率負載、恒轉矩負載和變轉矩負載。
●負載類型：連續性負載、間歇性（不均衡性）負載、短時負載。
●負載功率：最大負載功率（重載）、最小負載功率（輕載）、瞬時負載功率（超載）。
●負載率：最大負載率、最小負載率、平均負載率。
●控制方式；自動控制、手動控制。
★電機系統節能策略的選用原則
●負載功率較小的連續性負載，平均負載率起過80%的電機系統宜采用優化控制節能。
●負載功率較小的恒功率負載，平均負載率超過65%的電機系統宜采用更換高效電機。如永磁同步電機、高效感應電機等。
●負載功率較小的恒轉矩、變轉矩負載，且負載類型為間歇性負載的電機系統宜采用伺服控制節能。
●負載功率較大的恒轉矩、變轉矩負載，且負載類型為間歇性負載的電機系統宜采用變頻調速節能。
●供電距離較遠的連續性恒功率，且屬于四象限運行的連續性負載的電機系統宜采用就地功率補償節能。
●控制精度較高、響應速度較快的小功率間歇性負載的電機系統宜采用伺服控制節能。
●控制精度較高、響應速度較快，且帶載啟停的間歇性負載的電機系統宜采用具有低頻大力矩性能的變頻調速節能。
●四象限運行的間歇性負載，且帶載啟停的垂直性升降負載的電機系統宜采用具有電能回饋、低頻大力矩性能的變頻調速節能。
變頻調速節能技術
（1）節能分析
變頻調速技術適用于恒轉矩、變轉矩負載的節能，這是有負載特性所決定，恒功率負載使用變頻調速是不可能節能的，所以恒功率負載使用變頻器的目的是工藝性調速。恒轉矩負載的節電量決定于負載率，與負載率成正比，當負載率高于90%時，不適宜再做節能。變轉矩負載一般為流體性負載（如水泵、風機、液壓油泵等），其特性是流量Q、轉矩M和軸功率P與轉速N成一次方、二次方和三次方關系，即Q∝N，M∝N，P∝N。只要改變轉速N，則Q、M和P將隨之下降，特別是軸功率P將按轉速N三次方下降，如果轉速下降20%，則軸功率下降近50%，所以變轉矩負載當負載率大于90%時還有10~15%的節電率，最適宜于做節能。
（2）技術原理
采用自動控制技術和變頻調速技術，動態地跟蹤負載的需求量變化，通過計算機控制器的采樣，分析，判斷和運算，在確保實際負載需要的前提下，適時調整電機的輸出軸功率，從而達到節能的目的。基本上消除了變轉矩負載設備由于選型和負載變化普遍存在的“大馬拉小車”的浪費現象，使變轉矩負載電機始終運行在最佳工作狀態。
（3）控制模式
●恒壓控制模式：利用壓力傳感器采集系統壓力的變化值，并根據系統的壓力變化值實時調整負載電機的運行速度的變頻節能運行模式。主要應用于恒壓供水、空壓機節能、液壓控制、氣動控制、恒風量控制等系統。
●恒溫控制模式：利用溫度傳感器采集系統溫度的變化值，并根據系統的溫度變化值實時調整負載電機的運行速度的變頻節能運行模式。主要應用于工藝冷卻水、中央空調節能、工藝設備控制等系統。
●變流量控制模式：利用流量、二氧化碳等傳感器采集系統的流量變化值，并根據系統的流量變化值實時調整負載的運行速度的變頻節能運行模式。主要應用于液壓、氣動、工藝冷卻水、車間通風等系統。
●恒功率控制模式：利用功率、電流等傳感器采集系統負載功率的變化值，并根據系統功率的變化值實時調整逆變系統的輸出功率負載的節能運行模式。主要應用于粉碎機、水泥攪拌機、球磨機等負載。
●恒重力控制模式：利用重力傳感器采集系統的流量變化值，并根據系統的流量變化實時調整負載的運行速度的變頻節能運行模式。主要應用于傳送機等負載。
（4）性能特點
★采用先進的微電腦控制技術，提高了響應速度和控制精度。
★可與工藝控制系統進行實時聯動、并實現遠程監控。
★采用工頻，變頻兩種運行方式，故障時絕不會影響生產。
★提高了負載電機的功率因數cos∮=1。
★電機的節電率可達10%到60%（負載需求和電動機功率大小等有關）。
★驅動電機實現了軟啟動，減少了啟動沖擊電流。延長使用壽命，減少機械損耗。
★通過對壓力、風量、流量、溫度等技術參數的進行檢測，形成了閉環回路自動控制系統。
★具有安全旁路系統，具備各種保護功能。
伺服控制節能技術
（1）節能分析
伺服控制在節能中的應用時間不長，應用較多的設備是注塑機節能。隨著伺服控制技術和伺服電機制造技術的提升，伺服節能必將得到大力的推廣和發展。伺服控制技術更能適應精確的工藝控制，可根據工藝控制的需要實時調整輸出力矩，在改變轉速的同時，保持低頻力矩滿足工藝需求。另外，伺服電機內的轉子是為稀土材料制成的永磁體，只要輸入電源使定子線圈產生磁場就可實現旋轉運行，減少了轉子能耗，實現了同步電機的運行功能。所以伺服控制節能不但響應速度快、控制精度好、低頻力矩大，而且電機能量轉換效率高，損耗小，節電率更高，系統節電率可達到10～60%以上。目前，小功率伺服電機的制造技術基本成熟，應用較多，但是大功率伺服電機的制造技術不夠成熟，所以較大的動力系統使用伺服控制節能都是使用小功率電機的并聯來增大功率，提高系統的穩定性。
（2）伺服控制系統的結構
伺服控制系統由操作界面、傳感器、伺服控制系統、伺服驅動系統、伺服電機和負載組成。
（3）技術原理
采用DSP自動控制技術和逆變技術，動態地跟蹤負載變化與設定目標值輸入計算機控制系統進行采樣，分析，比較、判斷和運算，精確計算負載的需求功率，并實時調整逆變模塊的輸出功率，使用電機的拖載能力與工藝要求相一致。實現了精確控制和高效節能的同步提升。
（4）性能特點
超節能：相比使用感應交流電機，節能效果在20-80%。
高穩定性：由于采用傳感器的閉環系統控制，系統穩定性明顯提高，一般情況下，產品精度可以控制在0.3%，客戶使用伺服系統后，產品合格率高了，原來每班需要調整機器參數的現象沒有了，技術人員可以騰出時間多研究一些創新、效率等方面的事情。
高精密度：由于伺服電機的轉動慣量極小，系統響應速度極快，最高達到50ms，對需要精密調節的工藝要求更加容易滿足需要。
低噪音：伺服控制系統相對感應交流電機系統，噪音明顯降低，改變工作環境更加環保。
低投入高回報：一般情況下，設備投資在6-12個月可以收回（根據產品工藝及地區電價有一定差異）。可以說將傳統電機系統升級為伺服動力系統，不僅節能達到降低成本的目的，同時高穩定性及高生產效率帶來可觀的經濟效益，更重要的是增強了企業競爭力，實現企業產品升級及向生產高附加值產品的戰略轉移。
（4）伺服控制節能應用于注塑機節能效果對比
★節電量對比
●伺服節能比定量泵系統節能40~80%。
●伺服節能比變頻器系統節能10~20%。
●伺服節能比變量泵系統節能20~40%。
★注塑機伺服節能分析曲線圖
★注塑機伺服控制節能的優點
1、響應速度快，能在30ms內從0Hz加速到50HZ。
2、電機工作效率高，能耗比異步電機降低6~10%。
3、節電率高；節電率可達到30~80%以上，比變頻節能可提高10~20%左右的節電率，控制節能基本相近，電機效率大大提高。
4、驅動電源對電機的影響較小，基本無溫升，抗干擾能力強。
5、提高了油泵在低頻運行時的工作效率，系統采用了高壓齒輪泵，當低速運行時，不受離心力的影響，所以改善了低頻時的運行性能。
功率補償節能
（1）節能分析
在電機系統有許多四象限電機負載和交變性感應交流電機負載，電機所需的無功始終在吸收與輸出回饋的交變狀態中轉換運行，由于瞬時轉換速度較快，對于供電線路較遠的電機，無功補償的響應速度跟不上電機變化的需求，導致負載電機功率因素大幅度下降（一般在0.7左右），使電機能耗和線路損耗上升，同時由于供電線路中還有整流器、變頻器、中頻器等大量非線性負載設備所產生大量諧波，使系統的電壓、電流的波形畸變導致電機能耗上升，電機運行溫度升高。為此通過就地功率補償技術和諧波治理技術可以提高負載電機的功率因素和電源質量，減少線路損耗，提高電機的運行效率，可節約電能耗3~10%左右。
（2）功率補償裝置結構
根據電機無功功率的變化值和設定的功率因素目標值來控制電力電容器的投入和切除,并且有過,欠電壓保護功能。功率補償裝置由功率補償控制器、無觸點可控硅模塊或智能復合開關、電容器、熔斷器、電流互感器、避雷器、開關、電抗器(對無觸點開關起到過電流保護作用;對防止電容器過電流也起到抑制作用)以及裝配監視用的電壓表,電流表,功率因數表和信號指示燈等組成。
（3）技術原理
在電網中，功率分為有功功率、無功功率和視在功率。交流電網中，由于有阻抗和電抗（感抗和容抗）的同時存在，所以電源輸送到電機的電功率并不完全做功。因為，其中有一部分電功率（電感和電容所儲的電能）仍能回輸到電網，因此，實際為電機所吸收的電功率叫有功功率。電感和電容所儲的電能仍能回輸到電網，這部分功率在電源與電抗之間進行交換，交換而不消耗，稱為無功功率。當電網電壓為正弦波形，并且電壓和電流同相位時，電機從電網吸收的功率P等于電壓U和電流I的乘積，即：P＝U×I。電機運行時需要建立磁場，這部分能量不能轉化為有功功率，因此稱之為無功率Q。此時電流滯后電壓一個角度φ。在選擇電機時應按視在功率S，即有功功率和無功功率的幾何和：S＝√P2+Q2。無功功率的傳輸加重電網的負擔，使電網損耗增加，。把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷，并聯接在同一電路；當容性負載釋放能量時，感性負荷吸收能量；而當感性負荷釋放能量時，容性負荷卻在吸收能量；能量在兩種負荷之間交換。這樣，感性負荷所吸收的無功功率，可以從容性負荷輸出的無功功率中得到補償，這就是無功功率補償的基本原理。因此需要對其進行就近和就地補償。并聯電容器可以補償或平衡電氣設備的感性無功功率。當容性無功功率Qc等于感性無功功率QL時，電網只傳輸有功功率P。
（4）性能特點
A、電壓優先：按電壓質量要求自動投切電容器，電壓超出最高設定值時，逐步切除電容器組，直到電壓合格為止。電壓低于最低設定值時，在保證不過載的條件下逐步投入電容器組，使母線電壓始終處于規定范圍。
B、功率自動補償功能：在電壓優先原則下，依據負荷無功功率大小自動投切電容器組，使系統始終處于無功損耗最小狀態。
C、智能控制功能：自動發出動作指令前首先探詢動作后可能出現的所有超限定值，減少動作次數。
D、異常報警功能：當電容器控制回路繼保動作拒動和控制器則自動閉鎖改組電容器的自動控制。
E、模糊控制功能：當系統處于電壓合格范圍的高端，且在某特定環境時如何實施綜控原則是該系列產品設計的難點，由于現場諸多因素（如配置環境、受電狀況、動作時間、用戶對動作次數的限制等）而引起的頻繁動作是用戶最為擔憂的，應用模糊控制正是考慮了以上諸多因素使這一“盲區”得到合理解決。
F、綜合保護功能：每套裝置有開關保護（選配），過壓、失壓、過流（短路）和零序繼電保護、雙星形不平衡保護、熔斷器過流保護、氧化鋅避雷器、接地保護、速斷保護等。