高效电机发展技术动态
2015-11-4 22:40:13点击：
编辑：湘潭电机厂
电机高效节能技术是电机行业倍受瞩目和快速发展的热点技术。介绍了电机系统的节能潜力，从电极本体节能、变频调速节能和电极系统节能三个方面介绍了目前的电机高效节能技术，并具体分析了几种节能电机，最后简单介绍了各国推广高效电极的情况。
1 引言
根据国际能源署电动机工作组2006年7月的报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约世界范围内的7％的总电能。粗略统计改善电动机的效率可以节约其中1/4～1/3的电能；剩余的部分来自系统整体性能的改善。IEC60034-30“单速三相笼型感应电动机的能效分级”标准[1]指出：全世界工业用电动机消耗了总发电量的30%～40%，提高电机系统的效率，广泛使用高效电机节能电极，是电力节能的重点和关键。据估计通过电机系统优化其节能潜力可达到30%～50%以上。
欧盟的“提高高效电动机和驱动的市场份额”SAVEⅡ研究报告指出：工业用电动机消耗电能已占工业用电消耗的73%。欧盟各工业部门电机驱动系统消耗电能的比例为：泵类22%，风机16%，空压机18%，制冷压缩机7%，输送机2%，其他电机为36%，即风机、泵类、压缩机类共占总消耗电能的63%。而据中国电监会2008年4月公布的数据，截止到2007年底，中国发电机总装机容量已达7.13亿千瓦，而电动机的装机容量已达10亿千瓦以上。但据统计，国内市场销售的高效电机只占电动机销售总量的1%左右，电动机整体效率比国外先进水平低20%-30%。因此我国电机系统节能潜力非常大。
2 工业电机的本体节能
纵观世界各国的成功经验，电机系统节能都是率先从电机产品本体节能开始。工业用电机分直流和交流二大类，据Eu-25(2006)统计数据[3]显示，欧盟在用的工业电动机中，交流电动机占96.2%，直流电动机占3.8%。在交流电动机中，三相感应电动机占87%，单相感应电动机占4%，同步电动机占5%，交直流两用电动机占4%，三相感应电动机又分笼型和绕线型转子两种，但绕线型转子感应电动机使用较笼型感应电动机少得多。笼型感应电动机具有成本较低，可靠性好，维护简单，通过调速驱动易于控制等优点，且三相笼型感应电动机消耗的电能占全部工业电动机消耗电能的90%以上，因此，世界各国都将提高三相笼型感应电动机的效率作为提高电机本体效率研究的重中之重。除此之外，近十多年来发展较快的节能电机还有稀土永磁电机和开关磁阻电机等。
2.1 高效三相笼型感应电动机[4]
高效(IE2)或超高效(IE3)的笼型感应电动机与普通(IE1)电动机相比有如下特点：
(１)效率高，IE2比IE1平均高3%，IE3比IE1平均高近5%左右。
(２)需使用更多高质量的材料。IE2比IE1电机成本高25%~30%，IE3比IE1电机成本高40%～60%左右。
(３)由于运行温度较低，电机寿命更长，可降低维护成本。
(４)典型设计情况下起动电流较大些。
(５)转子惯量较大。
(６)额定负载下转速较高，转差率较小。
在许多电动机的工作生命周期中，能量消耗量所占实际成本比电动机采购成本高得多。且低效率电动机比高效率电动机维护费用更高，寿命更短，但高效电机难以通过市场行为得到大量推广。究其原因主要是：高效电机需要花费更多的前期成本，而最终用户没有意识到高效电机寿命周期成本LCC(Life Cycle Cost)的节省，或没有从中直接受益，因为预算管理设备资金的人不一定同时管理着能源的使用。
2.2 稀土永磁电动机[5]
稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来代替传统电机的电励磁场。稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单，还可做到体积减小，重量减轻。既可达到传统励磁电机所无法比拟的高性能(如超高效、超高速、超高响应速度)，又可以制成能满足特定运行要求的特种电机，如电梯曳引电机、汽车专用电机等。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合，更使电机传动系统的性能提高到一个崭新的水平。
在工业领域，作为驱动用的稀土永磁电机主要有异步起动高效永磁同步电动机、变频供电的永磁同步电动机。
稀土永磁电动机的节能效果较为显著。首先，稀土永磁电机本体效率比变频器供电感应电动机高3%～5%，在电动机转速变化时，稀土永磁电动机的效率变化相对感应电动机小得多。如一台轴功率为100kW的风机，配置110kW的感应电动机，在n′/nN=1时，电机效率为93%；在n′/nN=0.5时，电机效率降为84%；在n′/nN=0.3时，电机效率只有54%，而稀土永磁电机的运行效率始终保持在90%左右。
2.3 开关磁阻电动机驱动系统[6]
开关磁阻电动机驱动系统(SRD)是20世纪80年代初随着电力电子，微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型交流无级调速驱动系统，主要由开关磁阻电动机(SRM)，功率变换器，控制器及位置和电流检测器组成。SRD的运行需要在实时检测的反馈量一般为转子位置、转速和电流等，然后根据控制目标综合这些信息，给出控制指令，实现运行控制和保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相开关器件进行正确逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供速度反馈信号，该系统具有许多显著的优点：
(１)电机结构简单、坚固、制造工业简单、可工作于极高速，工作可靠，能适用于各种恶劣环境甚至强振动环境。
(２)损耗主要产生于定子，易于冷却，可允许有较高温升，从而能以小的体积取得较大的输出功率。
(３)转矩方向与电流方向无关，可较大限度简化功率变换器，其可靠性高，系统成本低。
(４)起动转矩大，大于额定转矩2～3倍，起动电流小(≤30%额定电流)，低速性能好。
(５)在宽广的转速和功率范围内具有高效率；
(６)调速范围广，调速比大于20：1，调速平滑无级。
(７)在制动和电动运行时，同样具有优良的转矩输出能力和工作特性。因此，适用于频繁起动或频繁正反转运行场合，转换频率可达到1000次/h。
(８)负载特性好，稳定精度高，在负载大小变化时，转速可保持不变。这些优点使得开关磁阻电机在家用电器、工业领域、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机方面得到了一定的应用。
对于开关磁阻电机，应充分利用它所具有的一些特有的优越性能，如可运行于极高转速，可频繁起动和频繁正反转，过载能力强，起动转矩大而起动电流很小，可做到低转速大扭矩，调速范围很宽，且在宽广的转速和功率范围内具有高效率等优点，设计成满足各种特殊负载特性的专用开关磁阻电机驱动系列产品，以替代这些场合的其他电机，并到达高效节能的目的。
3 变频调速节能[7]
鉴于直流传动具有优良的调速和启动性能，所以高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。70年代变频器的问世彻底打破了交直流传动按调速分工的格局，经过近半个世纪的研究，变频技术从晶闸管(SCR)时期发展到今天的大功率晶体管(IGBT，IGCT)和耐高压大功率晶体管(HV-IGBT)时期；控制技术也发展到今天的矢量控制和直接转矩控制，且已全数字化，其机械特性硬度能满足具有一定硬性负载的调速要求现今交流变频调速传动装置已有很好的运行特性，并可作为现场级与自动化级连接在一起，应用更灵活，通信更自由，对供电系统也可实现无干扰，应用范围几乎涉及到整个工业领域。
变频调速技术用于节能，目前用得最多的是对风机、泵类负载设备的调速节能。这一方面是因为风机、泵类系统消耗了工业电动机用电的 40%左右；另一方面是由于风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比，在选型裕量过大和需减少风量(流量)时，变频调速的节能效果尤其显著；另外，在使用风机泵类设备的大部分场合，对变频调速的控制精度，动态性能要求不高，变频器的成本相对较低，控制较简单，便于推广。
4 电机系统节能[8]
电机系统节能通常是指从电机起动开关开始直至拖动的装置产出产品(流体)能量的最终消耗。它包括电机起动开关、供电馈线，电机速度控制装置，电动机、联轴器(或其他联结方式如齿轮联结、皮带联结、蜗轮蜗杆联结等)、拖动装置(泵、风机或压缩机等)、拖动装置产出的产品(一般为液体和气态流体)、输送管线、终端负载
5 世界各国推进高效电动机的情况
表2为各国现有相关法规和自定规则(此表来源于参考文献[2]，应为2006年的数据)。从表2可以看出，世界各国都制订相应法规来提高高效甚至超高效电动机的市场份额，其中美国、加拿大推进最快(高效电机占市场份额54%，超高效占16%)，中国较慢(高效电机仅达1%)。目前，中国市场上电动机效率水平仅为IE1(平均效率为87%)。
1 引言
根据国际能源署电动机工作组2006年7月的报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约世界范围内的7％的总电能。粗略统计改善电动机的效率可以节约其中1/4～1/3的电能；剩余的部分来自系统整体性能的改善。IEC60034-30“单速三相笼型感应电动机的能效分级”标准[1]指出：全世界工业用电动机消耗了总发电量的30%～40%，提高电机系统的效率，广泛使用高效电机节能电极，是电力节能的重点和关键。据估计通过电机系统优化其节能潜力可达到30%～50%以上。
欧盟的“提高高效电动机和驱动的市场份额”SAVEⅡ研究报告指出：工业用电动机消耗电能已占工业用电消耗的73%。欧盟各工业部门电机驱动系统消耗电能的比例为：泵类22%，风机16%，空压机18%，制冷压缩机7%，输送机2%，其他电机为36%，即风机、泵类、压缩机类共占总消耗电能的63%。而据中国电监会2008年4月公布的数据，截止到2007年底，中国发电机总装机容量已达7.13亿千瓦，而电动机的装机容量已达10亿千瓦以上。但据统计，国内市场销售的高效电机只占电动机销售总量的1%左右，电动机整体效率比国外先进水平低20%-30%。因此我国电机系统节能潜力非常大。
2 工业电机的本体节能
纵观世界各国的成功经验，电机系统节能都是率先从电机产品本体节能开始。工业用电机分直流和交流二大类，据Eu-25(2006)统计数据[3]显示，欧盟在用的工业电动机中，交流电动机占96.2%，直流电动机占3.8%。在交流电动机中，三相感应电动机占87%，单相感应电动机占4%，同步电动机占5%，交直流两用电动机占4%，三相感应电动机又分笼型和绕线型转子两种，但绕线型转子感应电动机使用较笼型感应电动机少得多。笼型感应电动机具有成本较低，可靠性好，维护简单，通过调速驱动易于控制等优点，且三相笼型感应电动机消耗的电能占全部工业电动机消耗电能的90%以上，因此，世界各国都将提高三相笼型感应电动机的效率作为提高电机本体效率研究的重中之重。除此之外，近十多年来发展较快的节能电机还有稀土永磁电机和开关磁阻电机等。
2.1 高效三相笼型感应电动机[4]
高效(IE2)或超高效(IE3)的笼型感应电动机与普通(IE1)电动机相比有如下特点：
(１)效率高，IE2比IE1平均高3%，IE3比IE1平均高近5%左右。
(２)需使用更多高质量的材料。IE2比IE1电机成本高25%~30%，IE3比IE1电机成本高40%～60%左右。
(３)由于运行温度较低，电机寿命更长，可降低维护成本。
(４)典型设计情况下起动电流较大些。
(５)转子惯量较大。
(６)额定负载下转速较高，转差率较小。
在许多电动机的工作生命周期中，能量消耗量所占实际成本比电动机采购成本高得多。且低效率电动机比高效率电动机维护费用更高，寿命更短，但高效电机难以通过市场行为得到大量推广。究其原因主要是：高效电机需要花费更多的前期成本，而最终用户没有意识到高效电机寿命周期成本LCC(Life Cycle Cost)的节省，或没有从中直接受益，因为预算管理设备资金的人不一定同时管理着能源的使用。
2.2 稀土永磁电动机[5]
稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来代替传统电机的电励磁场。稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单，还可做到体积减小，重量减轻。既可达到传统励磁电机所无法比拟的高性能(如超高效、超高速、超高响应速度)，又可以制成能满足特定运行要求的特种电机，如电梯曳引电机、汽车专用电机等。稀土永磁电机与电力电子技术和微机控制技术相结合，更使电机传动系统的性能提高到一个崭新的水平。
在工业领域，作为驱动用的稀土永磁电机主要有异步起动高效永磁同步电动机、变频供电的永磁同步电动机。
稀土永磁电动机的节能效果较为显著。首先，稀土永磁电机本体效率比变频器供电感应电动机高3%～5%，在电动机转速变化时，稀土永磁电动机的效率变化相对感应电动机小得多。如一台轴功率为100kW的风机，配置110kW的感应电动机，在n′/nN=1时，电机效率为93%；在n′/nN=0.5时，电机效率降为84%；在n′/nN=0.3时，电机效率只有54%，而稀土永磁电机的运行效率始终保持在90%左右。
2.3 开关磁阻电动机驱动系统[6]
开关磁阻电动机驱动系统(SRD)是20世纪80年代初随着电力电子，微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型交流无级调速驱动系统，主要由开关磁阻电动机(SRM)，功率变换器，控制器及位置和电流检测器组成。SRD的运行需要在实时检测的反馈量一般为转子位置、转速和电流等，然后根据控制目标综合这些信息，给出控制指令，实现运行控制和保护等功能。转子位置检测环节是SRD的重要组成部分，检测到的转子位置信号是各相开关器件进行正确逻辑切换的根据，也为速度控制环节提供速度反馈信号，该系统具有许多显著的优点：
(１)电机结构简单、坚固、制造工业简单、可工作于极高速，工作可靠，能适用于各种恶劣环境甚至强振动环境。
(２)损耗主要产生于定子，易于冷却，可允许有较高温升，从而能以小的体积取得较大的输出功率。
(３)转矩方向与电流方向无关，可较大限度简化功率变换器，其可靠性高，系统成本低。
(４)起动转矩大，大于额定转矩2～3倍，起动电流小(≤30%额定电流)，低速性能好。
(５)在宽广的转速和功率范围内具有高效率；
(６)调速范围广，调速比大于20：1，调速平滑无级。
(７)在制动和电动运行时，同样具有优良的转矩输出能力和工作特性。因此，适用于频繁起动或频繁正反转运行场合，转换频率可达到1000次/h。
(８)负载特性好，稳定精度高，在负载大小变化时，转速可保持不变。这些优点使得开关磁阻电机在家用电器、工业领域、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机方面得到了一定的应用。
对于开关磁阻电机，应充分利用它所具有的一些特有的优越性能，如可运行于极高转速，可频繁起动和频繁正反转，过载能力强，起动转矩大而起动电流很小，可做到低转速大扭矩，调速范围很宽，且在宽广的转速和功率范围内具有高效率等优点，设计成满足各种特殊负载特性的专用开关磁阻电机驱动系列产品，以替代这些场合的其他电机，并到达高效节能的目的。
3 变频调速节能[7]
鉴于直流传动具有优良的调速和启动性能，所以高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。70年代变频器的问世彻底打破了交直流传动按调速分工的格局，经过近半个世纪的研究，变频技术从晶闸管(SCR)时期发展到今天的大功率晶体管(IGBT，IGCT)和耐高压大功率晶体管(HV-IGBT)时期；控制技术也发展到今天的矢量控制和直接转矩控制，且已全数字化，其机械特性硬度能满足具有一定硬性负载的调速要求现今交流变频调速传动装置已有很好的运行特性，并可作为现场级与自动化级连接在一起，应用更灵活，通信更自由，对供电系统也可实现无干扰，应用范围几乎涉及到整个工业领域。
变频调速技术用于节能，目前用得最多的是对风机、泵类负载设备的调速节能。这一方面是因为风机、泵类系统消耗了工业电动机用电的 40%左右；另一方面是由于风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比，在选型裕量过大和需减少风量(流量)时，变频调速的节能效果尤其显著；另外，在使用风机泵类设备的大部分场合，对变频调速的控制精度，动态性能要求不高，变频器的成本相对较低，控制较简单，便于推广。
4 电机系统节能[8]
电机系统节能通常是指从电机起动开关开始直至拖动的装置产出产品(流体)能量的最终消耗。它包括电机起动开关、供电馈线，电机速度控制装置，电动机、联轴器(或其他联结方式如齿轮联结、皮带联结、蜗轮蜗杆联结等)、拖动装置(泵、风机或压缩机等)、拖动装置产出的产品(一般为液体和气态流体)、输送管线、终端负载
5 世界各国推进高效电动机的情况
表2为各国现有相关法规和自定规则(此表来源于参考文献[2]，应为2006年的数据)。从表2可以看出，世界各国都制订相应法规来提高高效甚至超高效电动机的市场份额，其中美国、加拿大推进最快(高效电机占市场份额54%，超高效占16%)，中国较慢(高效电机仅达1%)。目前，中国市场上电动机效率水平仅为IE1(平均效率为87%)。
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信息来源：湘电集团
