ABB交流传动与高效电机提高电机驱动系统能效

专家:李进国 领域:变频器 行业:节能环保 日期:11-02-23 14:54 点击数:935


主要的节能潜力

    鉴于电机约占工业能耗的 65%,它在效率方面的任何提升都将提供显著的节能潜力。电机能耗可以采用两种主要途径降低 –一个是实施有效的速度控制,另一个就是提升电机自身的效率。
变频器是迄今为止最有效的控制电机速度方法。不过,在实际应用中,控制仍使用节流阀,常用于泵系统、风机应用中的叶片,或旋转机械中的齿轮或皮带传动。皮带传动、变速箱以及液压耦合均使得系统效率不高,需要电机全时全速运转。另外,机械传动噪音很大、维护不易,这是因为其位于电机与驱动机械之间。

    机械传动初看起来常常节省成本,但是其浪费能源。让电机全速运行与此同时调节输出,更像是控制一台汽车速度时,一只脚踩在油门上,另一只踩在制动上 –产生的输出中一部分立即被浪费掉。将工业界作为一个整体来看,以这种方式浪费的总能源是巨大的:在电机使用估计占 65%的工业能源中,约 20%是通过节流机制损失的。
 
    半速只消耗四分之一的能源

    在泵及风机应用中,变频器可节省能源成本 60%。一台泵或风机半速运行时,只消耗全速运行时的四分之一。

    由于速度很小的下降就能引起能耗很大的变化,以及许多泵、风机系统大部分时间均未满负荷运行,所以变频器可以带来巨大的节省。尤其与连续全速运行的电机相比时,更是如此,即使在过去的十年间,电机效率平均改善 3%。据估计,在过去的十年中,
ABB提供的、用于泵与风机速度控制的交流变频器全球每年降低耗电量约 160TWh。

     ABB电机与变频器用以获得有效的控制调节电机速度也带来了额外的好处,可以方便地适应产量增加,无需额外的投资,这是因为交流变频器易于管理 5–20%的速度增加。与电机全速运行同时通过限制调节输出的浪费做法相比,通过将电机性能匹配过程的需求,变频器可以带来重大的节省。在理想的情况下,可以及其精准地使用能源,满足何时、何地之需,没有浪费能源。

    尽管有明显的节能优势,在 2.2 kW功率以下应用的所有电机中 , 97%的根本就没有任何形式的速度控制。全球每年销售的大约 3,700万台工业电机。过去,这也许可以理解,因为一台小型变频器成本在 500美元( 400欧元) /kW的量级。然而,在近几年间,全范围的变频器变得越来越小型化、价格越来越便宜,现在大约 150美元( 100欧元) /kW起。

    单从能源角度来说,这就使得在变频器上面的投资成为一种有竞争力的建议。另外,新一代变频器体积更小,所以使得在过去空间受限的地方安装成为可能。与老型号相比,最新型的变频器也更加节能。
在开发变频器技术方面, ABB处于领头的地位,使用直接转矩控制( DTC)等最先进的控制技术。在直接对能效作贡献的直接转矩控制中,一个特性就是电机磁通优化,其大大地改善了整个变频器(控制器及电机)的效率,尤其是在泵及风机应用之中更是如此。变频器自身也在瘦身,不仅体积更小而且制造起来能效也高,电路板更小且外壳采用可循环使用的塑料材料。
 
    高效电机的补贴

     我国在2010年颁布了节能产品惠民工程高效电机推广实施细则-财建【2010】232号。低压三相异步电机效率达到国家标准GB18613能效等级2级,产品通过能效表示备案和“节”字标志节能产品认证的生产企业可获得财政补贴。并且生产企业必须具有完备的产品销售及用户信息管理系统,销售的高效电机能追溯到最终用户,低压三相异步电机和高压三相异步电机年推广量不少于30万千瓦。

    ABB目前可以为用户提供多种型号的高低压高效电机,为中国节能减排做出自己的贡献。

    新标准为国际和谐铺平了道路

    IEC采用了与能效电机相关的两项新标准。 IEC/EN 60034-2-1制定了关于效率测试方法的新规则, IEC 60034-30定义了电机的新效率等级。 

     ABB欢迎新的 IEC标准,这是因为他们生效将为电机制造商铺平竞争道路。新标准将强化程序,使得制造商公布更加准确的效率值。新的分类标准协调了当前全球关于感应电机效率等级的不同要求。希望能为面向全球市场生产电机的制造商所经历的困难画上句号。
如果绝大多数的电机制造商采取措施,改善其产品的效率,则排放也将显著降低。电机用户将会更透明、更方便地理解这些信息并从中受益,并被鼓励只安装高效电机。

    IEC/EN 60034-2-1于2007年9月生效,其引入了有关确定损耗及效率的测试方法的新规定。与电机一起提供的文件必须说明所用的方法。在新标准可用的方法中, ABB使用非直接方法,采用通过测量确定的杂散负荷损耗。
测得的效率值与以前的 IEC测试标准,即 IEC 60034-2:1996的存在差异。必须注意只有使用同一个方法测量效率值时,才具有可比性。


                    
    图5.1欧盟已公布了电机的能效类别。有三个等级水平: Eff1、 Eff2以及 Eff3,适用于额定值为 1.1至90kW的低压两、四极电机。其目的在于逐步淘汰能效不高机器的生产。 

    IEC 60034-30是2008年10月引入的,其确定了单速、三相及鼠笼式感应电机的三个 IE(国际效率)效率等级。 

— IE1 =标准效率(效率水平大致相当于欧洲效率计划之下的 EFF2)

— IE2 =高效率(效率水平大致相当于欧洲效率计划之下的 EFF1,等同于美国用于 60Hz的EPAct)

— IE3 =超高效率(欧洲新的效率等级,等同于美国用于 60Hz的 “NEMA Premium”)

    在IEC 60034-30标准中定义的效率水平基于 IEC 60034-2-1:2007标准中规定的测试方法。
与欧洲 “老”的CEMEP效率等级( EFF1、EFF2及EFF3)相比,新标准范围已扩展至包括 2极、 4极及 6极电机,额定输出从 0.75至 375kW。因此,新的效率等级覆盖了几乎所有的电机。老的欧洲系统的两个不足之处在于没有强制最小效率,以及不适用于世界其他地方采用的分类系统。
IEC 60034-30:2008不包括实施新效率等级的规定。在欧盟国家中,实施取决于欧洲委员会的决定,与此同时其他地方则取决于国内立法情况。 ABB正在密切关注该立法的制定情况,并采取措施确保当新要求生效时,其产品能够符合相应的规定。

    制定一项有效的电机管理政策

    电机设计可以通过改善导致主要损耗的设计与结构,将损耗降低到最低程度,并因此提升效率。最大的损耗就是在转子及定子出现的铁损耗,其占到全部损耗的 50%。通过使用低损耗钢材以及更薄的铁片,可降低这些损耗。铜损耗占 20%,通过采用最佳凹槽设计以及更大的导体,可降低该损耗。轴承摩擦以及风阻损耗合起来占 23%,通过使用一台更小型的冷却风机,可有所降低。杂散损耗占总损耗的 7%,通过改善槽口几何形状,可有所降低。
用户也可以做很多的工作,以确保其获得电机的最高效率。在这方面,一项电机管理政策是一个非常有用的工具,应落实使用。一个政策决定应该是在购置新设备时,选定高效电机,并确定最小可接受的效率值。该政策也应包括确定是否替代一台故障电机或重绕其线圈的准则。这就确保了远在实际故障出现之前就作出决定。

    下表表示了一个生命周期成本评估的实例。在该情况下,比较了两台标准 15 kW电机,其以 12kW运行并采用了不同的设计方法。电机 A是由 ABB制造的,而电机 B则是一个竞争对手制造的。与电机B相比,电机 A要求使用更多的铜及铁进行制造,但电机 A在运行过程中更加有效,这意味着在其寿命时间内,其比电机 B的耗电量更低。该例子假定两台电机每年运行 8,000小时,一共运行 15年。

                   
                        表 5.2两台具有不同设计的标准 12kW电机的环境影响。电机A由ABB提供。

    交流变频器是进行速度控制的理想解决方案

    在需求变化的应用中,变频器可节省大量的能源及经费。这样,用户就可以将其设备生命周期成本降低到最低程度并改善性能。
电机实际上支撑着所有运动的东西,并且是迄今为止在工业及建筑物系统中的最大耗电用户。通过使用变频器,许多电机安装的能效可以得到显著的改善,变频器确保电机只按照需要的速度以及在需要的时间上运转。变频器价格不贵,便于安装,但是绝大多数的电机仍长期在单一速度运行,经常没有任何工作负荷。

    潜在的节省是显著的 –一台运行在 80%速度的泵或风机只使 64%的能源, 50%强的功率是由全速运转的泵或风机使用的。由于下列事实,问题加剧:许多电机为超大规格的,使用比应用实际需求更多的能源。这是因为所提供的电机只有若干个定速设置。用户倾向于获得相对于要求的下一个更大规格的电机,然后再控制输出,比如使用一个阀门,降低一个泵应用中的水流量。

通过降低电机的速度,一台变频器会有助于确保比如,泵使用不超过需要的能源,以获得所需的流量。除了节能以外,其他好处包括准确控制以及更低的机械磨损,降低维护量并延长系统的预期使用寿命。两到三年的回报时间是正常的,就只是节能而言,不超过六个月的回报时间有时也可以实现。

    整个生命周期分析

    在考虑能效措施时,电机经常被忽视,这是因为有很多在用电机,这就意味着每单个单元看起来是很不重要、没有关联。不过,正是其众多的数量使得电机如此重要。

    为了将运行成本降低到最低程度,用户应审视整个生命周期,从购置新的设备以及新的工厂设计开始。如果从一开始就安装了一台变频器的话,在其生命周期内,可以节省多少设备成本?如采用一个超大规格的电机,则意味着为不需要的输出付费,由于电机没有被完全利用,也将转变为效率不高的问题。
对能效而言,采取一种积极主动的方式,会有助于各种规模的公司实现显著的节省。许多泵及风机应用以恒速运转,尽管变速运行常常带来更好的性能,成本也更低。如果一台 100kW风机被节流 50%,则在变频器上面的投资回报时间很可能不超过两到三年。
变频器通过将固定的电网电压切换成响应电子控制信号的变化电压与频率进行运行。当连接至一台风机或泵的电机时,频率的变化将导致电机速度的相应变化。这意味着,可以基于水流量或气温等外部参数设定电机速度。

   总结

    ABB是全球高效电机与电气传动的领导者,对于广泛地节能减排来说,ABB的高效电机和传动系统是用户有效的解决方案。

 



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