（冶金工业规划研究院，北京 100711）
摘要：电机系统节能作为十大节能工程之一。比较复杂的系统包括电动机的调速与控制装置、电动机、转动器、被拖动设备和介质的输送管网。一般用于风机、水泵传动的低压电动机数量多，采用变频调速节能效果显著；而高压电动机虽然数量少，但由于高压电动机单机容量大，一般都在数百、数千千瓦，故节能潜力更大。
关键词：电机系统、节能措施、调速节电
一、电机系统节电研究
（一）电机系统节电政策
“十一五”期间，国家发改委等部门联合发布《“十一五”十大重点节能工程实施意见》，把电机系统节能列为十大节能工程之一，并提出通过制修订一系列电机有关能效标准来完善电机系统节能工程的配套措施。积极引导企业更新改造低效电机，对大中型变工况电机系统进行调速改造，对电机系统被拖动设备进行节能改造。2013年6月份，工业和信息化部、国家质检总局联合印发了《关于组织实施电机能效提升计划（2013－2015年）的通知》，拟用3年时间，通过政策引导、标准约束、监督检查等手段以及市场化机制，从电机生产、应用及回收再制造领域全面提升电机能效，促进电机产业转型升级。
电机系统包括电动机、被拖动装置、传动控制系统及管网负荷。因此可以认为，最简单的电机系统是将电能通过电动机转换成动能，包括电动机的控制装置和电动机，比较复杂的系统包括电动机的调速与控制装置、电动机、转动器、被拖动设备和介质的输送管网运行工况的匹配。
（二）电机系统节电潜力及主要措施
1. 电机系统节电潜力
全国现有的各类电机系统装机保有容量约17亿千瓦。整个电机系统用电量约占全国用电量的60%以上。其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。然而与国外先进水平相比，制造技术和工艺有差距；电机传动调速及系统控制技术差距较大。因此，我国在提高电机系统效率，加强系统节能管理方面有着巨大的节能潜力。当中国电机系统的运行效率提高到国际先进水平时，每年可节约用电大约1500亿千瓦时。企业电机系统存在的主要问题是：电动机及被拖动设备效率低，电动机、风机、泵类等设备陈旧；系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重；系统调节方式落后，较大部分风机、泵类采用机械节流方式调节。冶金企业重点改造领域为：鼓风机、除尘风机、冷却水泵、加热炉风机、铸造除鳞水泵等设备的变频、永磁调速。除尘系统自动化控制及风机调速。
2. 电机系统节电主要内容措施
⑴ 更新淘汰低效电动机及高耗电设备：推广高效节能电动机、稀土永磁电动机，高效风机、泵、压缩机，高效传动系统等。以及风机、泵类系统的更新改造及定流量系统的合理匹配。
⑵ 提高电机系统效率：推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式。合理匹配电机系统，消除“大马拉小车”现象。
⑶ 被拖动装置控制和设备改造：以先进的电力电子技术传动方式改造传统的机械传动方式，逐步采用交流调速取代直流调速，采用高新技术改造拖动装置等。
⑷ 优化电机系统的运行和控制：推广软启动装置、无功补偿装置、计算机自动控制系统等，通过过程控制合理配置能量，实现系统经济运行。
3. 电能转换为机械能的合理化
⑴电动机类型应在满足电动机安全、起动、制动、调速等方面要求的情况下，合理选择节能型电机。
⑵恒速负荷连续运行，功率在250kW及以上，宜采用同步电动机。功率在200kW及以上，宜采用高压电动机。
⑶除特殊负载需要外，一般不宜选用直流电动机。对交流电机采用变频调速与直流机调速相比，具有更高的效率和更大的转动惯量，同时具有维护方便，总体造价低的优势；不仅可以实现平滑无级调速，而且快速性能好，功率因数高。
⑷电动机功率选择，应根据负载特性和运行要求合理选择，使电动机工作在经济运行范围内。
⑸当异步电动机采取更换、改造或调压节电措施时，需经综合功率与节约功率计算及起动转距、过载能力的校验后，在满足机械负载要求的条件下、使电动机工作在经济运行范围内。
⑹对机械负载经常变化的电气传动系统，应采用调速运行的方式加以调节。调速运行的方式选择，应根据系统的特点和条件，通过安全、技术、经济、运行维护等方面综合经济分析比较后确定。
⑺在安全、经济合理的条件下，对异步电动机采取就地补偿无功，提高功率因素，降低线损，达到经济运行。
⑻功率在50kW及以上的电动机，应单独配置电压表，电流表、有功电能表等计量仪表，以便监测与计量电动机运行中的有关参数。
⑼对交流电气传动系统，应在满足工艺要求、生产和运行可靠前提下，通过科学管理及技术改进，使电气传动系统中的设备、管网及负载相匹配，达到系统经济运行，提高系统电能利用率。
二、高压除尘风机改用变频调速案例分析
对交流电机采用变频调速与直流电机调速相比，具有更高的效率和更大的转动惯量，同时具有维护方便，总体造价低的优势；不仅可以实现平滑无级调速，而且快速性能好，功率因数高，电机功率消耗随工况负载大小同步变化，适用于风机、水泵、轧机、磨机、转炉倾动等各种低速大力矩传动场合。风机、水泵的风量、水量按工艺要求是需要不断调节的，甚至调节范围很大。传统的风量调节是通过改变挡板的开度来实现的，电机总是处于全速运行状态，因此这种方法存在严重的节流损耗，其缺点是电能损耗大、易损设备。
根据电机学的原理，只要改变电机的运行频率，就可调整电机的转速。风机（或水泵）在运行中有三个互相关联的重要参数：风量（水量）、风压（水压）及轴功率。这三个参数都与电动机的转速有关：风量（水量）与转速成正比、风压（水压）与转速的平方成正比、而轴功率与转速的立方成正比，因此变频调速的节电效果是非常显著的。一般用于风机、水泵传动的低压电动机数量多、调速节能效果显著应用广泛；钢铁企业高压电动机数量也不少、单机容量大，一般在数百、数千千瓦，故节能潜力也具有广阔的空间。
我院完成的某钢铁厂节能项目，转炉用高压除尘风机液力偶合器控制改用变频器调节的应用和效益分析。
1.转炉除尘风机工艺要求
转炉冶炼吹氧伴随除尘风机工作的工艺周期如下图所示：
O到B为冶炼前期准备，除尘风机升速时间，可以短时调节。
B到C为冶炼吹氧时间，除尘风机进入高速运行。
C到D为倒炉测温取样时间，除尘风机开始减速。
D到E为出钢时间，除尘风机维持低速运行。
E到F为溅渣护炉时间，除尘风机维持低速运行
冶金转炉冶炼周期时间约为30分钟，B到C吹氧冶炼时间为13分钟，此时冶炼环境较差粉尘多，转炉用高压除尘风机需大风量全速运行除尘， 其余17分钟为非冶炼时间，生产准备和冶炼结束出钢时间粉尘小，可维持低风量运行节约电能。
2. 转炉用除尘风机现状
现状两台转炉配有三台风机，正常两台工作一台备用，风机的运行周期为两个月，循环使用。电机型号：YKK5602-4 1400KW 6KV。目前在转炉风机和驱动电机之间设有液力耦合器，但因频繁调节液力耦合器自身震动较大，亦破坏风机转子平衡运行不稳定。目前液力耦合器仅起到弹性连轴器作用，未能用于调速功能，不进行吹氧冶炼阶段风机仍处于高速运转，造成电能极大浪费。
3. 系统改造方案
通过对原系统的研究和存在的问题进行分析，采用变频调节方式对除尘系统进行改造是最佳选择。高速时间（B到C）13分钟，高速频率定为45-50Hz，低速定为15Hz (以上参数具体数值可根据现场情况调整)。
在满足结构合理、保证安全可靠的运行要求，节省项目初期投资的原则下，利用原主回路系统，选择两台变频器任意转换控制三台风机并互为备用；对系统进行方案改造设计后其电气主回路及原理见下图：
4. 电气主回路及控制原理
1)主回路系统
新增加变频器高压电源仍引自原有6kV系统，为此需在原有电气室6kV高压柜旁新上2台6kV高压开关柜，内装真空断路器。为了提高运行的可靠性，现有工频系统仍然保留，为了安全作为变频系统的旁路系统。为实现变频与工频状态的切换，需要增加9个隔离开关三台隔离开关柜，每个隔离开关柜内装3个隔离开关（11QS、12QS、13QS；21QS、22QS、23QS；31QS、32QS、33QS）新上2台变频器可以对三台除尘风机电机中任意一台进行起动或调速。
2）联锁操作系统
由于2台变频器对应3台除尘风机电机，电气接线系统较为复杂，为了避免误操作，隔离开关间加装机械联锁装置，并且通过电磁锁使之与相关的断路器之间具备电气联锁要求。
1M、2M风机允许变频运行允许操作条件：
1QF、2QF、11QF、21QF、31QF全部OFF
11QS OFF，12QS OFF，13QS ON，21QS OFF，22QS ON，23QS OFF，32QS OFF，33QS OFF，1M、2M风机变频运行条件满足，允许合1QF、2QF。
如2M或3M风机要运行时，也需满足隔离开关操作条件及允许变频运行条件后才能启动变频运行。
11QF、21QF、31QF、1QF、2QF自动开关中有一个（或以上）ON时，九个隔离开关全部锁住不允许操作。开关之间的互相联锁的逻辑控制由PLC完成。
5. 转炉用除尘风机改用变频调节的节电分析：
转炉冶炼吹氧时所需大风量为84760立方米，其余时间可维持小风量为39760立方米。
原液力耦合器系统在高速时所耗功率:
P=√3×6×90×0.88=837kW ----------------（1）
改用变频器在控制大风量高速时所耗功率：
P=837×0.9/0.96=785kW ------------------（2）
变频器在控制小风量低速时所耗功率：
P=785×（39760/84760）3=81kW -----------（3）
( 1式中6为6 kV、90为90千安培、0.88为 Cosφ；2式中0.9/0.96为液力耦合器与变频器效率比；3式中（39760/84760）3 为除尘风机高低风量（转速）比，从3式结果可见变频器在小风量低速时所耗功率比大风量高速时所耗功率近十倍下降。)
按年工作8000小时计，则每台变频器与液力耦合器比较年节电：（837-785）×8000×13/30 +（837-81）×8000×17/30=360×104kWh。
6. 综合效益：
项目改造后两台除尘风机合计年节电720×104kWh，直接节电经济效益396万元（电费按0.55元/kWh）。项目总投资480万元，投资回收期仅1.2年。而且采用变频器以后，电机的启动方式为软启动，避免了大功率电动机启动时的冲击力矩对电机的损坏；减少了电机启动时的大电流对电机绝缘的损害,减缓了绝缘老化的速度,可以大大延长电机的使用寿命。延长了电机的检修期,减轻了检修维护人员的维护工作量，减少电机的检修费用。在低速期大大减轻了粉尘对管道和挡板的冲蚀，延长了管道和挡板的检修周期。延长了管道和挡板的检修期,减轻了检修维护人员的维护工作量，减少检修费用。消除了对电网的冲击，可提高电机运行的功率因素达到0.95。
结束语：面临我国能源资源短缺、电力供应紧张、交通运力不足、环境污染严重的压力和困扰，重视节电工作，提高电能的有效利用，加强电力需求侧管理，不仅是有效应对当前电力供需紧张的应急措施；更是挖掘电力使用二次潜在资源的具体实践，是解决电力新增需求最最洁净、经济的合理选择，是按最小成本投资综合规划的观念转变，是能源开发与节约并重的重要举措，是使得生产企业、国家、社会，多赢的最佳途径。
目前，采用变频器对交流电机进行变速驱动在工业控制上已经得到了普遍应用，特别是对风机、水泵类平方转距负载，由于功率是与转速的立方成正比，因此，取代阀门或挡板调节流量是最佳的节能控制方案。在许多大型工业企业高压电动机驱动的风机、水泵类负荷也较普遍，从用电容量上占比也较大，采用高压变频调速节电还有较广泛推广空间。
三、作者简介
何培育（1953—），男，高级工程师 电机工程学会会员，曾任河北省电机工程学会用电节电专委会第3-5届委员，河北省电机工程学会第四届理事会理事。主要从事：企业的电力规划与节电研究工作。