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高效节能电机技术与行业发展意义

2016/7/19 11:16:06      点击:

    从节能环保角度出发,高效率电动机是现今国际发展趋势,美国、加拿大、欧洲相继颁布了有关法规。欧洲根据电动机的运行时间,制定的CEMEP标准将效率分为eff1(最高)、eff2、eff3(最低)三个等级,从2003-2006年间分步实施。最新出台的IEC60034-30标准将电机效率分为IE1(对应eff2)、IE2(对应eff1)、IE3、IE4(最高)四个等级。我国承诺从2011年7月1日起执行IE2及以上标准。


    目前我国工业能耗约占总能耗的70%,其中电机能耗约占工业能耗的60%~70%,加上非工业电机能耗,电机实际能耗约占总能耗的50%以上,而现今高效节能电机应用比例低。根据国家中小电机质量监督检验中心对国内重点企业198台电机的抽样调查,其中达到2级以上的高效节能电机比例只有8%,这对整个社会资源产生了极大的浪费。


    有机构做过计算,如果将所有电动机效率提高5%,则全年可节约电量达765亿千瓦时,这个数字接近三峡2008年全年发电量。所以说节能电机行业的发展空间大、需求性强。政策方面,国家标准化管理委员会于2012年发布了强制性标准《GB18613-2012中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》。


高效电机的节能措施


    电机节能是一项系统工程,涉及电动机的全寿命周期,从电动机的设计、制造到电动机的选型、运行、调节、检修、报废,要从电动机的整个寿命周期考虑其节能措施的效果,国内外在这方面主要考虑从以下几个方面改进提高效率。


    节能电动机的设计是指运用优化设计技术、新材料技术、控制技术、集成技术、试验检测技术等现代设计手段,减小电动机的功率损耗,提高电动机的效率,设计出高效的电动机。


    电动机在将电能转换为机械能的同时,本身也损耗一部分能量,典型交流电动机损耗一般可分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分。可变损耗是随负荷变化的,包括定子电阻损耗(铜损)、转子电阻损耗和电刷电阻损耗;固定损耗与负荷无关,包括铁芯损耗和机械损耗。铁损又由磁滞损耗和涡流损耗所组成,与电压的平方成正比,其中磁滞损耗还与频率成反比;其它杂散损耗是机械损耗和其它损耗,包括轴承的摩擦损耗和风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗。


高效电机的特点


1、节约能源、降低长期运行成本,非常适合纺织、风机、水泵、压缩机使用,靠节电一年可收回电机购置成本;


2、直接启动、或用变频器调速,可全面更换异步电机;


3、稀土永磁高效节能电机本身可比普通电机节约电能15℅以上;


4、电机功率因数接近1,提高电网品质因数,无需加功率因数补偿器;


5、电机电流小,节约输配电容量、延长系统整体运行寿命;


6、节电预算:以55千瓦电机为例,高效电机比一般电机节电15%,电费每度按0.5元计算,使用节能电机一年内靠节电可收回更换电机的费用。


高效电机的优点


˙直接启动,可全面更换异步电机。


˙稀土永磁高效节能电机本身可比普通电机节约电能3%以上。


˙电机功率因数一般高于0.90,提高电网品质因数,无需加功率因数补偿器。


˙电机电流小,节约输配电容量、延长系统整体运行寿命。


˙加驱动器可实现软起、软停、无级调速,节电效果进一步提高。


电机的五大损耗


定子损耗


降低电动机定子I^2R损耗的主要手段实践中采用较多的方法是:


1、增加定子槽截面积,在同样定子外径的情况下,增加定子槽截面积会减少磁路面积,增加齿部磁密;


2、增加定子槽满槽率,这对低压小电动机效果较好,应用最佳绕线和绝缘尺寸、大导线截面积可增加定子的满槽率;


3、尽量缩短定子绕组端部长度,定子绕组端部损耗占绕组总损耗的1/4~1/2,减少绕组端部长度,可提高电动机效率。实验表明,端部长度减少20%,损耗下降10%。


转子损耗


电动机转子I^2R损耗主要与转子电流和转子电阻有关,相应的节能方法主要有:


1、减小转子电流,这可从提高电压和电机功率因素两方面考虑;


2、增加转子槽截面积;


3、减小转子绕组的电阻,如采用粗的导线和电阻低的材料,这对小电动机较有意义,因为小电动机一般为铸铝转子,若采用铸铜转子,电动机总损失可减少10%~15%,但现今的铸铜转子所需制造温度高且技术尚未普及,其成本高于铸铝转子15%~20%。


铁耗


电动机铁耗可以由以下措施减小:


1、减小磁密度,增加铁芯的长度以降低磁通密度,但电动机用铁量随之增加;


2、减少铁芯片的厚度来减少感应电流的损失,如用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片可减小硅钢片的厚度,但薄铁芯片会增加铁芯片数目和电机制造成本;


3、采用导磁性能良好的冷轧硅钢片降低磁滞损耗;


4、采用高性能铁芯片绝缘涂层;


5、热处理及制造技术,铁芯片加工后的剩余应力会严重影响电动机的损耗,硅钢片加工时,裁剪方向、冲剪应力对铁芯损耗的影响较大。顺着硅钢片的碾轧方向裁剪,并对硅钢冲片进行热处理,可降低10%~20%的损耗。


杂散损耗


如今对电动机杂散损耗的认识仍然处于研究阶段,现今一些降低杂散损失的主要方法有:


1、采用热处理及精加工降低转子表面短路;


2、转子槽内表面绝缘处理;


3、通过改进定子绕组设计减少谐波;


4、改进转子槽配合设计和配合减少谐波,增加定、转子齿槽、把转子槽形设计成斜槽、采用串接的正弦绕组、散布绕组和短距绕组可大大降低高次谐波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代传统的绝缘槽楔、用磁性槽泥填平电动机定子铁芯槽口,是减少附加杂散损耗的有效方法。


风摩损耗


应得到人们应有的重视,它占电机总损失的25%左右。摩擦损失主要有轴承和密封引起,可由以下措施减小:


1、尽量减小轴的尺寸,但需满足输出扭矩和转子动力学的要求;


2、使用高效轴承;


3、使用高效润滑系统及润滑剂;


4、采用先进的密封技术。


高效电机行业发展情况


产量预测


    国家在煤炭、矿业、装备制造等行业的整合、重组,将进一步推动中型电机产品的需求和发展。国家节能减排政策的深入落实,对电机系统节能提出了新的、更高的要求。由单纯追求电机的高效率正在向系统运行的高效率转变,并最终促进电机产品市场的进一步细分,推动特殊、专用产品和成套系统的发展。这不仅对中小型电机的设计、生产提出了更高的要求,同时也提供了更广阔的产品应用空间、经济利润空间和行业发展空间。未来五年国家将采用财政补贴方式推广中小型节能高效电机等产品。预计未来五年中小型节能高效电机产量将得到爆发性增长,年均增长率为58.07%。中小型节能高效电机产量经过2013年的高速发展,到2014年增长趋势趋于稳定,增长率小幅下降,但难以改变中小型节能高效电机产量大幅增长的趋势,2016年中小型节能高效电机产量将增长到21840万千瓦。


规模增长


    2007-2011年中小型节能高效电机市场规模年均增长率达到50.8%。未来在国家政策及下游需求的影响下,中小型节能高效电机行业市场规模将得到大幅度的增长,综合各种影响因素,我们认为2012-2016年中小型节能高效电机市场规模年均增长率在69.36%,预计到2016年中国中小型节能高效电机行业市场规模将达到1092亿元,占中小型电机市场规模的61%。中小型节能高效电机市场规模基数小,导致市场规模增长率远远高于中小型电机规模增长率,并将长期维持此高增长态势。经过2013年爆发性增长后,中小型节能高效电机市场规模仍保持高速发展,但增长速度开始趋稳。


国内动态


    2010年6月2日,财政部、国家发展改革委联合出台《关于印发节能产品惠民工程高效电机推广实施细则的通知》,将高效电机纳入节能产品惠民工程实施范围,采取财政补贴方式进行推广。


    为贯彻落实国务院《“十二五”节能减排综合性工作方案》和《“十二五”节能环保产业发展规划》,促进高效节能机电设备(产品)的推广应用,结合工业、通信业节能减排工作实际,工业和信息化部于2013年2月21日发布了《节能机电设备(产品)推荐目录(第四批)》。


    工信部2013年3月26日印发的《2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案》通知提出,2013年将重点推进实施电机能效提升专项计划。专项行动实施的目标为:实现全国工业用电节约1%(300亿度左右),探索工业节能与绿色发展的模式和实现途径,实现以点带面,带动工业节能与综合利用整体工作取得进展。根据实施方案,2013年工信部将从推广高效电机、淘汰低效电机以及既有电机系统节能技术改造等6个方面入手,推广、淘汰和节能改造电机及电机系统1亿千瓦,扩大高效电机市场份额,促进电机产品升级换代和产业升级。


    工信部和国家质检总局6月21日联合印发《电机能效提升计划(2013-2015年)》,计划提出到2015年累计推广高效电机1.7亿千瓦,淘汰在用低效电机1.6亿千瓦,实施电机系统节能技改1亿千瓦,实施淘汰电机高效再制造2000万千瓦。


总结


    电机产品作为工业动力,对国家的发展速度和产业政策依赖较大,因此如何抢占市场先机,及时调整产品结构,研制适销对路的产品,选择好差异化的节能电机产品,紧跟国家产业政策是重点。从全球角度来看,电机行业正向高效节能方向发展,发展潜力巨大。各发达国家都相继制定了电机的能效标准。欧美等发达国家不断提高电机能效准入标准,基本已经全部使用高效节能电机,部分地区已经开始使用超高效节能电机。