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電機節能

更新:2015-11-1 11:02:57點擊:
產品介紹

節約能源是我國的基本國策,國家制定了《節能中長期專項規劃》為實現規劃目標,國家發展改革委啟動了“十一五”國家十大重點節能工程[1],電動機系統節能工程是其中之一。2006~2007年將全面啟動電動機系統節能工程各項工作,在重點用電行業節電改造示范的基礎上,推廣到所有改造行業,每年改造500萬kW,形成年節電能力50億kW.h;同時抓緊實施電動機系統節電工程所需的配套政策、標準、規范的制定、頒布及宣貫;計劃到2010年共改造2 500萬kW,實現節電250億kW.h。



1、電動機系統定義


電動機系統特指電動機傳動系統,包括電動機、被拖動裝置(負載)、傳動控制系統、管網(電源)等,圖1為一個典型的電動機系統構成。這是一個典型的弱電控制強電,軟件控制硬件,部件融于系統,信息能量互動的系統。
電動機系統節能包括電動機系統各部件自身的能效進步、電動機傳動系統的節能,例如風機、泵類變頻調速系統節能,采用電動機傳動系統使工藝、設備條件改善、效率進步的節能等。


圖1 典型的電動機系統構成



2、實施電動機系統節能工程的重要意義

我國近期的能源政策是注重能源資源節約和公道利用。緩解我國能源資源與經濟社會發展的矛盾,必須立足國內,明顯進步能源資源利用效率。果斷實行開發和節約并舉、把節約放在首位的方針。鼓勵開發和應用節能降耗的新技術。
2000年,我國為電力、煤炭、石油等能源價格上漲而付出的代價高達百億美元,而能源短缺問接對國民經濟造成的經濟損失史難以用具體的數值來估量。節能是我國經濟和社會發展的一項長遠戰略方針,也是當前一項極為緊迫的任務。電動機是電能消耗的最大戶,也是節電潛力最大的用戶。我國電動機總裝機容量4億多kW,其年用電量約為15 000億kW.h,約占當年全國總發電量21 870億kW-h的65%~70%。電動機系統節能技術受到各國政府的普遍關注。節約電能意味著發電所需次能源的節約,也就意味著有害氣體排放量的減少,溫室效應的削弱,有利于環境與天氣的改善。為此,美國于1998年提出了“電機挑戰計劃”,采用高效電動機及采用調速等方法來進步電動機系統效率,節能潛力達14.8%,擬年節電800億kW.h。而我國電動機系統的能源利用率約比國際先進水平低20%左右,節電潛力更加巨大。近年來,交流電動機變頻調速技術在傳動系統中普遍應用,風機泵類采用調速技術,可節電30%~50%;大型傳動系統如軋鋼、牽引、油氣輸送、船舶推進等采用交流電動機變頻調速,大大進步設各和工藝的效能。例如軋鋼傳動采用交流調速電耗可減少30%以上,船舶推進采用交流電動機變頻調速可進步效率超過20%,具有重要的節能效果。我國在“十五”和“十一五”的節能計劃中,把“電動機系統節能”列為重點項目[2],“發展電動機調速節電和電力電子節電技術”,“逐步實現電動機、風機、泵類設備和系統的經濟運行”。因此,實施電動機系統節能具有重大的現實意義和深遠的可持續發展意義。


3、國內外電動機系統節能發展現狀

3.1 電動機系統節能技術發展現狀

電動機系統隨著電力電子器件、功率變換器、電動機制造,現代控制理論及計算機技術的進步而迅速發展。國際上交流電動機變頻調速是電動機傳動系統的主流,并形成電力電子、電動機及其控制系統的集成,從設計、制造到運行更緊密地融為一體。
電動機本體節能是電動機系統節能的重要部分。我國目前大部分電動機廠仍然上要生產20世紀70年代末開發的Y系列異步電動機(均勻效率84%,均勻功率因數0.84);1996年開始小部分電動機廠試制Y2系列異步電動機,功率范圍為0.12~315 kW,均勻效率為84.195%,均勻功率因數為0.846,均勻省材為13.65%~1998年開始個別電動機廠試制適用于變頻調速電動機,主要技術措施為增強盡緣、增大體積、降容使用。表l為國內外電動性能效比較。


        


表1國內外電動性能源效率比較 (單位:%)



從表1中可以看到:我國電動機的效率低于國外均勻水平2%~3%,實際運行過程中電動機系統效率低于國外水平10~30%。目前電動機本體節能技術也有新的發展,如進步材料特性,進步制造工藝水平。改進電動機結構,控制電動機運行,公道利用電磁轉換原理,與進步功率密度相結合,與高功率因數相結合,與散熱冷卻相結合等。
電動機系統節能技術促使常規電動機的設計、制造和應用發生變化。國際上高效電動機、變頻調速電動機已形成系列,機電一體化將功率變換器和控制系統集成到電動機上,形成智能電動機、網絡電動機等.廣泛應用十中小功率傳動和家用電器。同時,永磁同步電動機、開關磁阻電動機、磁懸浮直線電動機等新型調速電動機應運而生,在機車牽引、電動汽車、大型艦船驅動以及磁懸浮交通等領域中得到應用。它們的共同特點是:突破了原來圓形旋轉磁場的概念,電動機本體與控制集成一體,高效,高可靠性,多個電磁力矩混合作用,高功率密度。
    電動機系統應用遍及產業、國防和家用電器等國民經濟各領域,主要為:
    1)高精度、高性能的交流調速應用于鋼鐵、煤炭、造紙、起重等產業機械調速,進步工藝設備能效。
    2)高性能、高效率、高集成的交流調速應用于電動汽車、電力機車牽引、磁浮交通、船舶電驅動等,取代傳統交通運輸的燃機直接驅動,實現快捷、安全、節能。
    3)風機、泵類機械變速節能系統。
    4)機電一體化、智能電動機等家用電器節能傳動。


3.2 相關領域產業發展現狀[3]

電動機系統節能最主要的相關領域產業是電力電子及電氣傳動,特別是交流電動機變頻調速產業。國際2004年電力電子及電氣傳動的市場銷售額約940億美元。我國交流電動機變頻調速市場發展迅速,每年以12%的速度迅速增長。我國大量的基礎設施建設,如冶金、煤炭、化工、石油等制造業領域的大量投資為我國電動機系統市場創造了巨大的需求,該領域市場遠景廣闊。
電力電子器件正向著大功率、高電壓、高頻化和智能模塊化方向發展,普通晶閘管逐步讓位于新型口可關斷電力電子器件。近兒年山現的集成門極換流晶閘管(IGCT),已取代可關斷晶閘管(GTO)成為大功率高壓變頻的主流器件:盡緣柵雙極晶體管(IGBT)在中小功率交流調速中普遍應用;電子促進盡緣柵取極晶體管(IEGT)研制成功,并開始應用,大功率高壓變頻領域。此外,將微電子集成電路與電力電子器件組合在一起形成的功率集成電路(power IC),智能功率模塊(IPM),功率電力電子集成模塊(PEBB)等廣泛應用于中小功率變頻和家用電器的電動機調速。該領域進一步發展的革命性研究課題是碳化硅材料電力電子器件。
中小功率電動機調速普遍應用IGBT電壓型脈寬調制(PWM)變頻器,而在大功率高壓變頻領域,由于供電與電動機的多樣性,交交變額、H橋級聯變頻器、IGBT和IGCT多電平變頻器、IGCT元件串聯的變頻器等都有其應用場合。
    交流電動機矢量控制與直接轉矩控制理論已成熟并應用到變流電動機調速系統中。同時,自適應、模擬控制、人工神經元網絡等現代智能控制理論與方法已開始運用于電動機調速系統中。
    國際電動機系統技術開發和制造商主要集中在歐州、美洲和日本,德國西門子、瑞士ABB、日本東芝、美國羅克韋爾等電氣公司的產品代表電動機調速技術和制造的世界水平。
    我國中小電動機投計與制造能力強,產品已能批量出口。我國能生產5 in 以下各類普通晶閘管,大功率晶閘管已經達到國際先進水平,并應用于各個領域。
    以普通晶閘管為功率器件的大功率交交變頻、電氣牽引、高壓同步電動機軟起動等技術已有相當的基礎,可以實現國產化,廣泛應用于冶金、礦山、牽引等領域近年來,我周低壓通用變頻器蓬勃發展,已經涌現了上百家企業,2004年總產-值已達到20億元。高壓變頻器是電動機節能熱門,國內十兒家高薪技術企業已開發并制造級聯型高壓變頻器,我國已把握中小勻率變頻器的集成組裝和制造技術,經濟型調速裝置,如內反饋電動機調速等已應用于電動機系統節能。
2003年我國電氣產業總產值3716億,與電動機系統節能相關領域產業的電動機制造、電氣設備元件、電力電子及控制設備等產值約400億。

3.3存在的主要題目

電動機系統是一個面大量廣的應用產業。2003年各類電動機總裝機容量約為4.2億kW,年耗電1萬億kW•h以上,約占全國刷電量的60%,運行效率比國外先進水平低10%~20%,相當于每年浪費電能約1560億kW•h。2003年我國電動機年產量約為4 500億kW,均勻效率比發達國家低2%~3%,電動機拖動系統效率比發達國家低10%~30%,相當于國際20世界七八十年代的水平,在使用壽命、可靠性、材料消耗、噪聲及振動方面有都一定的差距我國2003年電力消費19031.6億kW•h,產業消費占73%。其中通用設備占行業電耗的44%,效率比發達國家低20%~25%.
    1)我國電動機系統節能技術與裝各水平間隔節能的目標相差很遠,采用變頻調速的電動機系統仍為少數,小到總量的10%:我國電力電于及電氣傳動產業的技術水平落后,規模小,本錢高,產品司靠性差。技術與產品落后與迅速發展的節能市場需求反差巨大,嚴重制約了我國電動機系統節能目標的實現。
    2)我國中小電動機基本是通用常規類型,還沒能形成變頻調速電動機系列.變頻器電動機集成、智能電動機、機電一體化技術差距很大。
    3)國產中小功率變頻器多為U/f比控制方式,很少采用先進的矢量控制及直接轉矩控制方式,其控制性能、保護技術、可靠性等方面與國外產品差距很大,只能采取低本錢、低價格的市場策略,占低端市場。
    4)新型可關斷電力電子器件取代普通晶閘管已成為趨勢,而采用IGBT/IGCT等新型電力電子器件的變頻器已成為電動機系統節能的主流。但我國電力電子器件技術及制造水平與國際水平差距很大,除普通晶閘管外還不能制造IGBT/IGCT等新型電力電子器件,因此國產變頻器的IGBT/IGCT電力電子器件及電容等配套部件盡大部分依靠進口。
    5)國產普通晶閘管的交一交變頻器雖已經成熟,但應用范圍局限。國外變頻調速技術與產品占中國電動機系統節能市場的主導地位。特別是國家重大工程項目的高性能、大功率變頻調速系統基本上被國外產品占據。采用新型電力電子器件的國產大功率高性能變頻調速系統還是空缺。
    6)在電動機系統節能領域還缺少系統節能的設計方法和評估手段,變頻調速還沒有完善的技術標準、測試規范和測試手段。
    7)電力電子及變頻調速技術是高新技術,先進國家在該領域的研究開發投進很大。我國該領域技術在總體上與國際水平相差5~10年。盡管我國政府對電動機系統節能十分重視,但在該領域的基礎,即電力電子及變頻調速技術的科研投進少,且有限的投進也大多是低水平的重復開發。國家還沒有形成電力電子及變頻調速領域技術和產品研發的平臺,無法形成產業規模。


4、對實施電動機系統節能工程的建議

1)應鼓勵制造高效電動機,強制淘汰低效電動機。按照目前電動機效率分類及國際IEC電動機標準,高效電動機的效率一般定義為91%~96%,低效電動機的效率一般為75%~89%。目前我國實際運行中的電動機主要集中在為0.55~100kW功率等級,為總運行臺數的95%以上,其中70%為Y系列異步電動機,10%的為Y2系列異步電動機,20%其他各種電動機,均勻效率為89.3%。從全壽命期的用度最低、耗能最少的觀點優化設計通用型高效電動機,確立適合中國國情的高效電動機標準,將0.55~100kW功率等級電動機的均勻效率進步為92%;開發并應用變頻調速用電動機,并形成產業化:對與常規電動機的同功率、同體積、同材料的變頻調速電動機,效率進步l%~3%;緊跟國際發展趨勢,開發和研制智能化電動機,即把電動機、變頻器和控制系統集成到起的電動機系統,使該電動機系統節能達20%~30%。
2)變頻器是電動機系統節能中的重要部件,采用變頻調速后的電動機系統效率可以節能10%~15%。技術目標也分三個層次進行:①加速通用變頻器的產業化,進步產品的技術性能和可靠性,形成規模生產,進步國產化市場占有率。目前我國通用變頻器的國產率已超過50%,但其技術性能(如變頻器本身效率、控制精度、材料消耗和諧波分量等)和可靠性與國外先進通用變頻器相比仍有較大差距。②支持對高壓變頻器的關鍵技術進行攻關,盡快進步產品可靠性,并逐步擴大市場。高壓變頻器(3.3~10 kV)前在國際上也正處在產業化完善階段,國內已有少量國外產品,但遠遠不能滿足市場的需要。而高壓電動機系統是與大容量電動機系統相對應的,盡管臺數未幾,當所占容量卻不比低壓電動機小,是電動機節能的主要部分。高壓變頻器技術難度大、開發周期長、資金投進大,需要重點攻關。重點攻關1~5 MW、6kV的高壓變頻器,著重進步其可靠性和減低本錢。③鼓勵經濟型變頻器的研發和產業化,要求采用高新技術來解決低本錢、高性能、高可靠性的題目。電動機調速節能潛力大,但只靠變頻調速是不夠的。岡此,針對特殊應用和特定范圍,采用其他有效調速方法將更體現經濟性。
3)普通晶閘管制造和應用技術已經成熟,應進一步擴大規模和應用范圍。對丁IGBT/IGCT等新型電力電子器件,應以應用技術研發和推廣應用為上,同時積極組織新型器件的研發。以普通晶閘管及GTO制造技術為基礎,盡快研發國產IGCT及伙速軟恢復二極管。對于IGBT器件采取先封裝集成及測試,再過渡到芯片制造的思路,積極引導和支持國內微電子制造技術和電力電子制造技術相結合,逐步形成和進步我國新型電力電子器件的研發和制造能力。對配套元器件,如無感電阻、箝位吸收及高壓直流電容、層疊無感母線等進行研究開發,并逐步形成批量供貨能力,確保電動機系統節能產品的產業化需要?上葟姆庋b、測試開始,再逐步過渡到開發、生產芯片。
4)重點研究開發采用新型電力電子器件研制高性能、污染小的大功率變頻調速系統,在鋼鐵、煤炭、機車牽引等樹立一批國產化樣板工程,替換進口,帶動電動機系統節能國產化裝各技術的發展。
5)應對電動機系統節能技術和應用技術進行研究,建立電動機系統節能的技術標準、測試標準和測試規范。
6)支持電動機系統節能領域的新技術、新方法,鼓勵自主創新、原始創新、集成創新,形成電動機系統節能技術創新平臺。支持電動機節能控制系統的開發。
要全而推廣應用電動機系統節能技術,大幅度進步我國電動機系統的能效,應強化創新能力建設,建立電動機系統節能技術創新和產業化的基礎支撐條件。應以企業為豐體,以具有市場遠景的技術為核心,吸引高等院校、科研單位等相關機構,通過技術、資本和資產的重組,彤成與產業緊密結合的科研和工程化開發條件,解決電動機系統節能的共性、關鍵技術題目,并為行業的發展提供技術直撐和技術服務。將具有自主知識產權的電力電子及裝置的關鍵技術進行整合,形成完善的可用于產品系列組接的電力電子功率平臺,實旌平臺戰略,突出軟硬什的應用技術及工程實際經驗的可復用性,使產品組成部件及技術的可組接性大為進步,形成可以滿足不同用戶需求的全方位的標準化、系列化電力電子及電氣傳動裝置產品,形成產品開發、制造的可持續發展平臺。同時,在重大項目和重大工程中樹立國產高技術、高水平變頻器系統樣板工程。以市場為導向,結合先進工藝和技術改造,在若干應用領域推廣應用一批技術指標先進、性能可靠實州的電動機變頻調速系統,以顯示我國電動機系統節能技術的主要品牌和競爭實力,起到示范作用,加速研究、開發、工程、產業化的一體化進程,帶動整個行業的發展。當前電動機系統節能重點改造領域包括以下幾個方面。
    1)電力用變頻、永磁調速及計算機控制改造風機、水泵系統,重點是20萬kW以上火力發電機組。
    2)冶金鼓風機、除塵風機、冷卻水泵、加熱爐風機、鑄造除鱗水泵等設備的變頻、永磁調速。
    3)有色、除塵系統自動化控制及風機調速。
    4)煤炭、礦井透風機、排水泵調速改造及計算機控制系統。
    5)石油、石化、化工、工藝系統流程泵變頻調速及自動化控制。
    6)機電研發制造節能型電動機、電動機系統及配套設備。
    7)輕工、注塑機、液壓油泵的變頻、永磁調速。
    8)其他企業空調和透風、樓宇集中空調的電動機系統政造等。


5、結束語

電動機系統節能是一項長期而艱巨的任務,它涉及到節能意識和治理、節能技術、節能標準和節能效益評估等方方面面。電動機系統節能工程的實施將有力地推動我國的整體節能進步。按照國家“十一五”十大節能工程地實施要求:圍繞實現“十一五”GDP能耗降低20%左右的目標,以進步能源利用效率為核心,以企業為實檀越體,大力調整和優化結構,加快推進節能技術進步,建立嚴格的治理制度和有效的激勵機制,加大政府資金的引導力度,充分發揮市場配置資源的基礎性作用,調動市場主體節約能源資源的自覺性,盡快形成穩定可靠的節能能力,為實現國家節能目標奠定堅實的基礎。


參考文獻
【1】國家發改委,十大重點節能工程——電動機系統節能工程實施內容[J]。中國電動機挑戰計劃特刊,國際銅業協會(中國),2006-8
【2】王正元,戴林,趙爭叫,李崇堅,等中國電動機系統能源效率與市場潛力分析【c】。北京:機械產業出版,2001。
【3】趙爭叫,李崇堅,等電動機系統節能高技術產業化,技術報告,2005-3。


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