电机系统节能技术解决方案
发布时间：2019-06-26 07:25
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终端能效项目--电机系统节能技术解决方案
节能分析
电机是重要的工业、建筑耗能设备，广泛应用于机械传动、水泵、风机、液压泵、压缩机、制冷机等，电机的耗电量约占总发电量的50%左右。由于电机产品种类繁多，电机功率大小不一，负载特性千差万别，控制方式各不相同，增大了电机节能的难度。所以电机系统必须针对负载特性、运行特点采用不同的节能策略才能收到较好的节能效果。
电机系统节能策略
★电机系统节能策略的选用要素
●负载特性：电机拖动负载特性可分为恒功率负载、恒转矩负载和变转矩负载。
●负载类型：连续性负载、间歇性（不均衡性）负载、短时负载。
●负载功率：最大负载功率（重载）、最小负载功率（轻载）、瞬时负载功率（超载）。
●负载率：最大负载率、最小负载率、平均负载率。
●控制方式；自动控制、手动控制。
★电机系统节能策略的选用原则
●负载功率较小的连续性负载，平均负载率起过80%的电机系统宜采用优化控制节能。
●负载功率较小的恒功率负载，平均负载率超过65%的电机系统宜采用更换高效电机。如永磁同步电机、高效感应电机等。
●负载功率较小的恒转矩、变转矩负载，且负载类型为间歇性负载的电机系统宜采用伺服控制节能。
●负载功率较大的恒转矩、变转矩负载，且负载类型为间歇性负载的电机系统宜采用变频调速节能。
●供电距离较远的连续性恒功率，且属于四象限运行的连续性负载的电机系统宜采用就地功率补偿节能。
●控制精度较高、响应速度较快的小功率间歇性负载的电机系统宜采用伺服控制节能。
●控制精度较高、响应速度较快，且带载启停的间歇性负载的电机系统宜采用具有低频大力矩性能的变频调速节能。
●四象限运行的间歇性负载，且带载启停的垂直性升降负载的电机系统宜采用具有电能回馈、低频大力矩性能的变频调速节能。
变频调速节能技术
（1）节能分析
变频调速技术适用于恒转矩、变转矩负载的节能，这是有负载特性所决定，恒功率负载使用变频调速是不可能节能的，所以恒功率负载使用变频器的目的是工艺性调速。恒转矩负载的节电量决定于负载率，与负载率成正比，当负载率高于90%时，不适宜再做节能。变转矩负载一般为流体性负载（如水泵、风机、液压油泵等），其特性是流量Q、转矩M和轴功率P与转速N成一次方、二次方和三次方关系，即Q∝N，M∝N，P∝N。只要改变转速N，则Q、M和P将随之下降，特别是轴功率P将按转速N三次方下降，如果转速下降20%，则轴功率下降近50%，所以变转矩负载当负载率大于90%时还有10~15%的节电率，最适宜于做节能。
（2）技术原理
采用自动控制技术和变频调速技术，动态地跟踪负载的需求量变化，通过计算机控制器的采样，分析，判断和运算，在确保实际负载需要的前提下，适时调整电机的输出轴功率，从而达到节能的目的。基本上消除了变转矩负载设备由于选型和负载变化普遍存在的“大马拉小车”的浪费现象，使变转矩负载电机始终运行在最佳工作状态。
（3）控制模式
●恒压控制模式：利用压力传感器采集系统压力的变化值，并根据系统的压力变化值实时调整负载电机的运行速度的变频节能运行模式。主要应用于恒压供水、空压机节能、液压控制、气动控制、恒风量控制等系统。
●恒温控制模式：利用温度传感器采集系统温度的变化值，并根据系统的温度变化值实时调整负载电机的运行速度的变频节能运行模式。主要应用于工艺冷却水、中央空调节能、工艺设备控制等系统。
●变流量控制模式：利用流量、二氧化碳等传感器采集系统的流量变化值，并根据系统的流量变化值实时调整负载的运行速度的变频节能运行模式。主要应用于液压、气动、工艺冷却水、车间通风等系统。
●恒功率控制模式：利用功率、电流等传感器采集系统负载功率的变化值，并根据系统功率的变化值实时调整逆变系统的输出功率负载的节能运行模式。主要应用于粉碎机、水泥搅拌机、球磨机等负载。
●恒重力控制模式：利用重力传感器采集系统的流量变化值，并根据系统的流量变化实时调整负载的运行速度的变频节能运行模式。主要应用于传送机等负载。
（4）性能特点
★采用先进的微电脑控制技术，提高了响应速度和控制精度。
★可与工艺控制系统进行实时联动、并实现远程监控。
★采用工频，变频两种运行方式，故障时绝不会影响生产。
★提高了负载电机的功率因数cos∮=1。
★电机的节电率可达10%到60%（负载需求和电动机功率大小等有关）。
★驱动电机实现了软启动，减少了启动冲击电流。延长使用寿命，减少机械损耗。
★通过对压力、风量、流量、温度等技术参数的进行检测，形成了闭环回路自动控制系统。
★具有安全旁路系统，具备各种保护功能。
伺服控制节能技术
（1）节能分析
伺服控制在节能中的应用时间不长，应用较多的设备是注塑机节能。随着伺服控制技术和伺服电机制造技术的提升，伺服节能必将得到大力的推广和发展。伺服控制技术更能适应精确的工艺控制，可根据工艺控制的需要实时调整输出力矩，在改变转速的同时，保持低频力矩满足工艺需求。另外，伺服电机内的转子是为稀土材料制成的永磁体，只要输入电源使定子线圈产生磁场就可实现旋转运行，减少了转子能耗，实现了同步电机的运行功能。所以伺服控制节能不但响应速度快、控制精度好、低频力矩大，而且电机能量转换效率高，损耗小，节电率更高，系统节电率可达到10～60%以上。目前，小功率伺服电机的制造技术基本成熟，应用较多，但是大功率伺服电机的制造技术不够成熟，所以较大的动力系统使用伺服控制节能都是使用小功率电机的并联来增大功率，提高系统的稳定性。
（2）伺服控制系统的结构
伺服控制系统由操作界面、传感器、伺服控制系统、伺服驱动系统、伺服电机和负载组成。
（3）技术原理
采用DSP自动控制技术和逆变技术，动态地跟踪负载变化与设定目标值输入计算机控制系统进行采样，分析，比较、判断和运算，精确计算负载的需求功率，并实时调整逆变模块的输出功率，使用电机的拖载能力与工艺要求相一致。实现了精确控制和高效节能的同步提升。
（4）性能特点
超节能：相比使用感应交流电机，节能效果在20-80%。
高稳定性：由于采用传感器的闭环系统控制，系统稳定性明显提高，一般情况下，产品精度可以控制在0.3%，客户使用伺服系统后，产品合格率高了，原来每班需要调整机器参数的现象没有了，技术人员可以腾出时间多研究一些创新、效率等方面的事情。
高精密度：由于伺服电机的转动惯量极小，系统响应速度极快，最高达到50ms，对需要精密调节的工艺要求更加容易满足需要。
低噪音：伺服控制系统相对感应交流电机系统，噪音明显降低，改变工作环境更加环保。
低投入高回报：一般情况下，设备投资在6-12个月可以收回（根据产品工艺及地区电价有一定差异）。可以说将传统电机系统升级为伺服动力系统，不仅节能达到降低成本的目的，同时高稳定性及高生产效率带来可观的经济效益，更重要的是增强了企业竞争力，实现企业产品升级及向生产高附加值产品的战略转移。
（4）伺服控制节能应用于注塑机节能效果对比
★节电量对比
●伺服节能比定量泵系统节能40~80%。
●伺服节能比变频器系统节能10~20%。
●伺服节能比变量泵系统节能20~40%。
★注塑机伺服节能分析曲线图
★注塑机伺服控制节能的优点
1、响应速度快，能在30ms内从0Hz加速到50HZ。
2、电机工作效率高，能耗比异步电机降低6~10%。
3、节电率高；节电率可达到30~80%以上，比变频节能可提高10~20%左右的节电率，控制节能基本相近，电机效率大大提高。
4、驱动电源对电机的影响较小，基本无温升，抗干扰能力强。
5、提高了油泵在低频运行时的工作效率，系统采用了高压齿轮泵，当低速运行时，不受离心力的影响，所以改善了低频时的运行性能。
功率补偿节能
（1）节能分析
在电机系统有许多四象限电机负载和交变性感应交流电机负载，电机所需的无功始终在吸收与输出回馈的交变状态中转换运行，由于瞬时转换速度较快，对于供电线路较远的电机，无功补偿的响应速度跟不上电机变化的需求，导致负载电机功率因素大幅度下降（一般在0.7左右），使电机能耗和线路损耗上升，同时由于供电线路中还有整流器、变频器、中频器等大量非线性负载设备所产生大量谐波，使系统的电压、电流的波形畸变导致电机能耗上升，电机运行温度升高。为此通过就地功率补偿技术和谐波治理技术可以提高负载电机的功率因素和电源质量，减少线路损耗，提高电机的运行效率，可节约电能耗3~10%左右。
（2）功率补偿装置结构
根据电机无功功率的变化值和设定的功率因素目标值来控制电力电容器的投入和切除,并且有过,欠电压保护功能。功率补偿装置由功率补偿控制器、无触点可控硅模块或智能复合开关、电容器、熔断器、电流互感器、避雷器、开关、电抗器(对无触点开关起到过电流保护作用;对防止电容器过电流也起到抑制作用)以及装配监视用的电压表,电流表,功率因数表和信号指示灯等组成。
（3）技术原理
在电网中，功率分为有功功率、无功功率和视在功率。交流电网中，由于有阻抗和电抗（感抗和容抗）的同时存在，所以电源输送到电机的电功率并不完全做功。因为，其中有一部分电功率（电感和电容所储的电能）仍能回输到电网，因此，实际为电机所吸收的电功率叫有功功率。电感和电容所储的电能仍能回输到电网，这部分功率在电源与电抗之间进行交换，交换而不消耗，称为无功功率。当电网电压为正弦波形，并且电压和电流同相位时，电机从电网吸收的功率P等于电压U和电流I的乘积，即：P＝U×I。电机运行时需要建立磁场，这部分能量不能转化为有功功率，因此称之为无功率Q。此时电流滞后电压一个角度φ。在选择电机时应按视在功率S，即有功功率和无功功率的几何和：S＝√P2+Q2。无功功率的传输加重电网的负担，使电网损耗增加，。把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷，并联接在同一电路；当容性负载释放能量时，感性负荷吸收能量；而当感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量；能量在两种负荷之间交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率，可以从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。因此需要对其进行就近和就地补偿。并联电容器可以补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率Qc等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。
（4）性能特点
A、电压优先：按电压质量要求自动投切电容器，电压超出最高设定值时，逐步切除电容器组，直到电压合格为止。电压低于最低设定值时，在保证不过载的条件下逐步投入电容器组，使母线电压始终处于规定范围。
B、功率自动补偿功能：在电压优先原则下，依据负荷无功功率大小自动投切电容器组，使系统始终处于无功损耗最小状态。
C、智能控制功能：自动发出动作指令前首先探询动作后可能出现的所有超限定值，减少动作次数。
D、异常报警功能：当电容器控制回路继保动作拒动和控制器则自动闭锁改组电容器的自动控制。
E、模糊控制功能：当系统处于电压合格范围的高端，且在某特定环境时如何实施综控原则是该系列产品设计的难点，由于现场诸多因素（如配置环境、受电状况、动作时间、用户对动作次数的限制等）而引起的频繁动作是用户最为担忧的，应用模糊控制正是考虑了以上诸多因素使这一“盲区”得到合理解决。
F、综合保护功能：每套装置有开关保护（选配），过压、失压、过流（短路）和零序继电保护、双星形不平衡保护、熔断器过流保护、氧化锌避雷器、接地保护、速断保护等。
节能分析
电机是重要的工业、建筑耗能设备，广泛应用于机械传动、水泵、风机、液压泵、压缩机、制冷机等，电机的耗电量约占总发电量的50%左右。由于电机产品种类繁多，电机功率大小不一，负载特性千差万别，控制方式各不相同，增大了电机节能的难度。所以电机系统必须针对负载特性、运行特点采用不同的节能策略才能收到较好的节能效果。
电机系统节能策略
★电机系统节能策略的选用要素
●负载特性：电机拖动负载特性可分为恒功率负载、恒转矩负载和变转矩负载。
●负载类型：连续性负载、间歇性（不均衡性）负载、短时负载。
●负载功率：最大负载功率（重载）、最小负载功率（轻载）、瞬时负载功率（超载）。
●负载率：最大负载率、最小负载率、平均负载率。
●控制方式；自动控制、手动控制。
★电机系统节能策略的选用原则
●负载功率较小的连续性负载，平均负载率起过80%的电机系统宜采用优化控制节能。
●负载功率较小的恒功率负载，平均负载率超过65%的电机系统宜采用更换高效电机。如永磁同步电机、高效感应电机等。
●负载功率较小的恒转矩、变转矩负载，且负载类型为间歇性负载的电机系统宜采用伺服控制节能。
●负载功率较大的恒转矩、变转矩负载，且负载类型为间歇性负载的电机系统宜采用变频调速节能。
●供电距离较远的连续性恒功率，且属于四象限运行的连续性负载的电机系统宜采用就地功率补偿节能。
●控制精度较高、响应速度较快的小功率间歇性负载的电机系统宜采用伺服控制节能。
●控制精度较高、响应速度较快，且带载启停的间歇性负载的电机系统宜采用具有低频大力矩性能的变频调速节能。
●四象限运行的间歇性负载，且带载启停的垂直性升降负载的电机系统宜采用具有电能回馈、低频大力矩性能的变频调速节能。
变频调速节能技术
（1）节能分析
变频调速技术适用于恒转矩、变转矩负载的节能，这是有负载特性所决定，恒功率负载使用变频调速是不可能节能的，所以恒功率负载使用变频器的目的是工艺性调速。恒转矩负载的节电量决定于负载率，与负载率成正比，当负载率高于90%时，不适宜再做节能。变转矩负载一般为流体性负载（如水泵、风机、液压油泵等），其特性是流量Q、转矩M和轴功率P与转速N成一次方、二次方和三次方关系，即Q∝N，M∝N，P∝N。只要改变转速N，则Q、M和P将随之下降，特别是轴功率P将按转速N三次方下降，如果转速下降20%，则轴功率下降近50%，所以变转矩负载当负载率大于90%时还有10~15%的节电率，最适宜于做节能。
（2）技术原理
采用自动控制技术和变频调速技术，动态地跟踪负载的需求量变化，通过计算机控制器的采样，分析，判断和运算，在确保实际负载需要的前提下，适时调整电机的输出轴功率，从而达到节能的目的。基本上消除了变转矩负载设备由于选型和负载变化普遍存在的“大马拉小车”的浪费现象，使变转矩负载电机始终运行在最佳工作状态。
（3）控制模式
●恒压控制模式：利用压力传感器采集系统压力的变化值，并根据系统的压力变化值实时调整负载电机的运行速度的变频节能运行模式。主要应用于恒压供水、空压机节能、液压控制、气动控制、恒风量控制等系统。
●恒温控制模式：利用温度传感器采集系统温度的变化值，并根据系统的温度变化值实时调整负载电机的运行速度的变频节能运行模式。主要应用于工艺冷却水、中央空调节能、工艺设备控制等系统。
●变流量控制模式：利用流量、二氧化碳等传感器采集系统的流量变化值，并根据系统的流量变化值实时调整负载的运行速度的变频节能运行模式。主要应用于液压、气动、工艺冷却水、车间通风等系统。
●恒功率控制模式：利用功率、电流等传感器采集系统负载功率的变化值，并根据系统功率的变化值实时调整逆变系统的输出功率负载的节能运行模式。主要应用于粉碎机、水泥搅拌机、球磨机等负载。
●恒重力控制模式：利用重力传感器采集系统的流量变化值，并根据系统的流量变化实时调整负载的运行速度的变频节能运行模式。主要应用于传送机等负载。
（4）性能特点
★采用先进的微电脑控制技术，提高了响应速度和控制精度。
★可与工艺控制系统进行实时联动、并实现远程监控。
★采用工频，变频两种运行方式，故障时绝不会影响生产。
★提高了负载电机的功率因数cos∮=1。
★电机的节电率可达10%到60%（负载需求和电动机功率大小等有关）。
★驱动电机实现了软启动，减少了启动冲击电流。延长使用寿命，减少机械损耗。
★通过对压力、风量、流量、温度等技术参数的进行检测，形成了闭环回路自动控制系统。
★具有安全旁路系统，具备各种保护功能。
伺服控制节能技术
（1）节能分析
伺服控制在节能中的应用时间不长，应用较多的设备是注塑机节能。随着伺服控制技术和伺服电机制造技术的提升，伺服节能必将得到大力的推广和发展。伺服控制技术更能适应精确的工艺控制，可根据工艺控制的需要实时调整输出力矩，在改变转速的同时，保持低频力矩满足工艺需求。另外，伺服电机内的转子是为稀土材料制成的永磁体，只要输入电源使定子线圈产生磁场就可实现旋转运行，减少了转子能耗，实现了同步电机的运行功能。所以伺服控制节能不但响应速度快、控制精度好、低频力矩大，而且电机能量转换效率高，损耗小，节电率更高，系统节电率可达到10～60%以上。目前，小功率伺服电机的制造技术基本成熟，应用较多，但是大功率伺服电机的制造技术不够成熟，所以较大的动力系统使用伺服控制节能都是使用小功率电机的并联来增大功率，提高系统的稳定性。
（2）伺服控制系统的结构
伺服控制系统由操作界面、传感器、伺服控制系统、伺服驱动系统、伺服电机和负载组成。
（3）技术原理
采用DSP自动控制技术和逆变技术，动态地跟踪负载变化与设定目标值输入计算机控制系统进行采样，分析，比较、判断和运算，精确计算负载的需求功率，并实时调整逆变模块的输出功率，使用电机的拖载能力与工艺要求相一致。实现了精确控制和高效节能的同步提升。
（4）性能特点
超节能：相比使用感应交流电机，节能效果在20-80%。
高稳定性：由于采用传感器的闭环系统控制，系统稳定性明显提高，一般情况下，产品精度可以控制在0.3%，客户使用伺服系统后，产品合格率高了，原来每班需要调整机器参数的现象没有了，技术人员可以腾出时间多研究一些创新、效率等方面的事情。
高精密度：由于伺服电机的转动惯量极小，系统响应速度极快，最高达到50ms，对需要精密调节的工艺要求更加容易满足需要。
低噪音：伺服控制系统相对感应交流电机系统，噪音明显降低，改变工作环境更加环保。
低投入高回报：一般情况下，设备投资在6-12个月可以收回（根据产品工艺及地区电价有一定差异）。可以说将传统电机系统升级为伺服动力系统，不仅节能达到降低成本的目的，同时高稳定性及高生产效率带来可观的经济效益，更重要的是增强了企业竞争力，实现企业产品升级及向生产高附加值产品的战略转移。
（4）伺服控制节能应用于注塑机节能效果对比
★节电量对比
●伺服节能比定量泵系统节能40~80%。
●伺服节能比变频器系统节能10~20%。
●伺服节能比变量泵系统节能20~40%。
★注塑机伺服节能分析曲线图
★注塑机伺服控制节能的优点
1、响应速度快，能在30ms内从0Hz加速到50HZ。
2、电机工作效率高，能耗比异步电机降低6~10%。
3、节电率高；节电率可达到30~80%以上，比变频节能可提高10~20%左右的节电率，控制节能基本相近，电机效率大大提高。
4、驱动电源对电机的影响较小，基本无温升，抗干扰能力强。
5、提高了油泵在低频运行时的工作效率，系统采用了高压齿轮泵，当低速运行时，不受离心力的影响，所以改善了低频时的运行性能。
功率补偿节能
（1）节能分析
在电机系统有许多四象限电机负载和交变性感应交流电机负载，电机所需的无功始终在吸收与输出回馈的交变状态中转换运行，由于瞬时转换速度较快，对于供电线路较远的电机，无功补偿的响应速度跟不上电机变化的需求，导致负载电机功率因素大幅度下降（一般在0.7左右），使电机能耗和线路损耗上升，同时由于供电线路中还有整流器、变频器、中频器等大量非线性负载设备所产生大量谐波，使系统的电压、电流的波形畸变导致电机能耗上升，电机运行温度升高。为此通过就地功率补偿技术和谐波治理技术可以提高负载电机的功率因素和电源质量，减少线路损耗，提高电机的运行效率，可节约电能耗3~10%左右。
（2）功率补偿装置结构
根据电机无功功率的变化值和设定的功率因素目标值来控制电力电容器的投入和切除,并且有过,欠电压保护功能。功率补偿装置由功率补偿控制器、无触点可控硅模块或智能复合开关、电容器、熔断器、电流互感器、避雷器、开关、电抗器(对无触点开关起到过电流保护作用;对防止电容器过电流也起到抑制作用)以及装配监视用的电压表,电流表,功率因数表和信号指示灯等组成。
（3）技术原理
在电网中，功率分为有功功率、无功功率和视在功率。交流电网中，由于有阻抗和电抗（感抗和容抗）的同时存在，所以电源输送到电机的电功率并不完全做功。因为，其中有一部分电功率（电感和电容所储的电能）仍能回输到电网，因此，实际为电机所吸收的电功率叫有功功率。电感和电容所储的电能仍能回输到电网，这部分功率在电源与电抗之间进行交换，交换而不消耗，称为无功功率。当电网电压为正弦波形，并且电压和电流同相位时，电机从电网吸收的功率P等于电压U和电流I的乘积，即：P＝U×I。电机运行时需要建立磁场，这部分能量不能转化为有功功率，因此称之为无功率Q。此时电流滞后电压一个角度φ。在选择电机时应按视在功率S，即有功功率和无功功率的几何和：S＝√P2+Q2。无功功率的传输加重电网的负担，使电网损耗增加，。把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷，并联接在同一电路；当容性负载释放能量时，感性负荷吸收能量；而当感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量；能量在两种负荷之间交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率，可以从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，这就是无功功率补偿的基本原理。因此需要对其进行就近和就地补偿。并联电容器可以补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率Qc等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。
（4）性能特点
A、电压优先：按电压质量要求自动投切电容器，电压超出最高设定值时，逐步切除电容器组，直到电压合格为止。电压低于最低设定值时，在保证不过载的条件下逐步投入电容器组，使母线电压始终处于规定范围。
B、功率自动补偿功能：在电压优先原则下，依据负荷无功功率大小自动投切电容器组，使系统始终处于无功损耗最小状态。
C、智能控制功能：自动发出动作指令前首先探询动作后可能出现的所有超限定值，减少动作次数。
D、异常报警功能：当电容器控制回路继保动作拒动和控制器则自动闭锁改组电容器的自动控制。
E、模糊控制功能：当系统处于电压合格范围的高端，且在某特定环境时如何实施综控原则是该系列产品设计的难点，由于现场诸多因素（如配置环境、受电状况、动作时间、用户对动作次数的限制等）而引起的频繁动作是用户最为担忧的，应用模糊控制正是考虑了以上诸多因素使这一“盲区”得到合理解决。
F、综合保护功能：每套装置有开关保护（选配），过压、失压、过流（短路）和零序继电保护、双星形不平衡保护、熔断器过流保护、氧化锌避雷器、接地保护、速断保护等。