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節能給電機行業帶來的機遇

溫總理在“政府工作報告”中提出了“今年單位國內生產總值能耗降低4%左右”的節能宏觀調控目標,從而將節能提至前所未有高度。對電機行業來講,量大而廣的中小電機,其所消耗的電能約占全國發電量的60~70%,是最大的耗能大戶,因此中小電機的節能是電機行業面臨的嚴峻課題,也是電機行業發展的新機遇。

    一 中小型異步電動機行業的現狀和發展趨勢

    現狀

    (1)目前中小型電機產量較高的省市依次為山東、江蘇、河北、上海、浙江、廣東和遼寧,可見企業大多集中在沿海地區。

    (2)由于新興的民營企業以及合資、外資企業的發展,使中小型電機行業中,國有企業的比重下降,而且中小型電機的產量逐步向“生產大戶”集中。

    (3)中小型電動機已完整地建立了三相異步電動機Y、Y2、Y3系列。

    1985年迅速推廣了Y系列及其派生系列產品,其功率范圍為0.55~250KW,機座中心高為80~315。 通過引進消化美國西屋公司和瑞士BBC公司的技術,自行研發的Y系列6KV、220~2800KW中型高壓三相異步電動機,采用新穎的箱式結構,是目前國內中型高壓電機的主導產品,以后又隨著我國電網電壓由6KV升高到10KV,又研發了10KV系列中小型高壓異步電動機。

    1996年以電科所為首組織有關廠家完成了Y2系列的開發,功率范圍為0.12~315KW,機座中心高為63~355。該系列產品顯著降低了空載噪聲,有效抑制了負載噪聲。

    2003年電科所組織有關廠家又完整地建立了全系列采用冷軋硅鋼片的Y3系列,其能耗達到國標GB18163-2002中能耗限定值的規定,同時也達到歐洲eff2效率標準,并且主要性能指標達到國際同類產品的先進水平。

    發展趨勢

    a進一步推廣高效率異步電動機

    1992年美國能源部發布了新的能源法規,提出了高效率三相異步電動機的效率標準(即EPACT指標),并規定從1997年10月24日開始,凡制造和進口一般用途電動機效率必須符合這一標準。以后又更進一步提出超高效率電機(NEMAPremium)。1999年歐洲電機和電力電子制造商協會(CEMEP)制定了eff1、eff2、eff3三個等級的效率標準,并決定到2003年削減50%低于eff3標準水平的電機生產,2006年以后不再生產。

    我國也于2002年8月正式實施《中小型三相異步電動機能效限定值及節能評定值》的國標(GB18163-2002)。因此借著節能的規劃和“以冷代熱”的法令,應該大力推廣Y3新系列,使之成為我國低壓三相異步電動機的主導產品,且新一輪的派生系列產品也應在Y3新系列上展開。

    b 進一步推廣變頻器供電的三相異步電動機系列的研發與應用

    近年來,國民經濟各部門對風機和水泵需求不斷增長,據有關部門統計,全國風機、水泵電動機裝機總容量約35000MW,耗電量約占全國電能耗量的40%左右。以火力發電廠為例,據統計全國火力發電廠的送風機、引風機、一次風機、排粉風機、鍋爐給水泵、循環水泵、凝結水泵和灰漿泵等的配套高壓電動機總容量約為15000MW,這些設備為長期連續運行但常處于低負荷及變負荷的運行狀態,因此其節能潛力很大。據估計通過變頻器調速提高風機、水泵系統運行效率的節能潛力每年可達300~500億度,相當于6~10座裝機容量為1000MW級的大型火力發電廠的年發電總量。因此大力推廣變頻器特別是高壓變頻器的應用是十分有意義的。目前國際上對高壓電動機變頻調速技術的研究非常活躍,變頻器種類繁多。我國高壓電動機多為6KV和10KV等級,由于受到電力電子器件耐壓限制,尚難以實現該等級變頻器的直接高壓輸出。而單元串聯式多電平變頻器的輸出電壓可達到10KV甚至更高,且輸入、輸出波形好,對電網的諧波污染小,因此在我國得到廣泛應用。國際上該技術比較成熟,輸出電壓可達14.4KV,變頻器采用水冷技術,單機最大容量可達15000KW。我國采用空冷技術,變頻器驅動的電動機功率在3500KW以下。

    國外變頻器基本已做到開環、閉環以及無速度傳感器控制三位一體的控制,而我國的產品大多仍是普通的V/F控制方式。業內在變頻器調速系統方面已開展了許多研究,當務之急是如何將理論知識轉化為工業產品,提高我國變頻器的性能和質量。

    變頻器發展對與之配套的電動機提出了新的要求。以往對配套電動機的研究,主要在減小變頻器供電電源的諧波分量所引起的電動機損耗增加、溫升升高、振動加大、噪聲增大以及諧波轉矩增大等方面。近年來,隨著IGBT在變頻器中的應用,載波頻率甚至高達20K,由此帶來一系列負面影響,如高頻的PWM脈沖波嚴重影響電動機的絕緣和壽命,變頻器輸出的共模電壓,形成軸電流,造成軸承點蝕,從而縮短電動機壽命。對此電科所及有關廠家已完成了YVF2系列變頻專用電機的開發,并完成了《使用納米技術的新型耐高頻脈沖電磁漆線》的項目,該種漆包線耐受高頻脈沖能力為普通線的51倍。

    此外變頻電動機的供電電源經高頻調制,其性能測試方法不同于工頻電機,急需研制適合變頻電機性能測試的方法和檢測儀器。

    二永磁同步電動機的典型應用與前景

    永磁同步電動機發展的條件

    (1)高性能低成本的釹鐵硼永磁材料具有剩余磁感應強度、矯頑力和磁能積均高的特點,自上世紀80年代以來,又成功解決了釹鐵硼材料的熱穩定性和耐腐蝕問題,因此用于同步電動機可省去激磁繞組,因無激磁損耗,從而降低了功耗、發熱,提高了電機效率和功率因數;由于無需集電環和炭刷,也簡化了結構,提高了可靠性。

    (2)電力電子器件和技術的進步,發展了各種高性能變頻器和專用變頻器,解決了同步電動機無法自起動問題,使復雜的阻尼導條和端環得以取消。

    (3)易于實現磁場定向控制的矢量變換控制,使永磁同步電動機具有和直流電動機一樣優良的線性轉矩控制特性。

    (4)DSP快速數字信號處理器和各種高性能專用伺服驅動器為各種復雜系統的實現提供了技術基礎。

    永磁同步電動機發展的機遇

    (1)更高的綜合節能效果

    永磁同步電動機由永磁體激磁,無需勵磁電流,故可顯著提高功率因數(可達1甚至容性);定子電流小,定子銅耗顯著減小;轉子無銅耗(三相異步電動機轉子繞組損耗約占總損耗的20~30%),因而發熱低,可以取消風扇或減小風扇,從而無風摩耗或減少風摩耗,故永磁同步電動機一般比同規格異步電動機效率可提高2~8%,并且在很寬的負載變動范圍內始終保持高的效率和功率因數,尤其在輕載運行時節能效果更顯著。

    (2)可滿足某些工業應用需大的起動轉矩和最大轉矩倍數的動態需求

    常規異步電動機起動轉矩倍數和最大轉矩倍數都有限,為達要求,需選擇更大容量的異步電動機,而到了正常運行狀態,異步電動機則又處于輕載運行狀態,效率和功率因數均較低。例如為油田抽油機設計的具有異步起動能力的永磁同步電動機,起動轉矩倍數可達3.6倍以上,效率可達94%,功率因數可達0.95,既滿足了負載動態時大轉矩的要求,還具有很高的節能效果。

    (3)低速直接驅動的需求

    為了提高控制精度、減小振動噪聲、杜絕油霧帶來的不安全,也為了大轉矩驅動的需求,近年來對低速電動機的需求也不斷增長。如用于電梯拖動的永磁同步曳引機,轉矩提高了十幾倍,取消了龐大的齒輪箱,通過曳引輪直接拖動轎廂,明顯減小了振動和噪聲。又如船用吊艙式電力推進器,將低速大轉矩的永磁同步電動機置于船艙外的吊艙,無需原來的傳動系統,直接驅動螺旋槳,實現船舶的運行和控制。這是船舶驅動技術的又一發展,國外自上世紀九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等。西門子公司吊艙式推進器中PMSM容量已達30000KW。

    (4)多極高功率因數的需求

    近年來,永磁同步電動機朝著多極化發展,多極電機可顯著減小定、轉子鐵心軛部高度,從而減小電機體積、減少鐵心用量。多極電機還顯著減小了定子端部長度,減小定子銅耗、從而減少發熱、提高了效率。如某安裝于轎廂和井壁間隙的永磁同步電動機,轉子采用60極結構,顯著縮短了定子線圈端部長度,實現無機房電梯。若仍用異步電動機驅動,隨著極數增加,其功率因數明顯降低,在輕載和空載時,功率因數將更低,因此在Y型系列電機中,10極電機已不多見。而該60極永磁同步電動機功率因數高達0.98,空載、輕載時甚至可達1,節能效果明顯。

    (5)高功率密度的需求

    艦船、車輛受體積所限,要求電動機要有高功率密度、高轉矩密度。永磁同步電動機由于無需激磁繞組,空間結構小,高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應強度和高矯頑力,從而可提供很高的磁負荷Bδ,使電機尺寸縮小。有些并聯供磁的電機,Bδ甚至可高達1特斯拉以上。傳統電機的齒槽結構,約束著磁負荷和電負荷的關系,過高的磁負荷將減小放置繞組的空間,成為實現高功率密度的瓶頸。1986年德國H.Weh教授首先提出橫向磁場永磁電機(TransverseFluxPMMachine-TFM)的設想,該設想一反傳統結構,使電機的磁負荷和電負荷不再相互制約,特別適合高功率密度、大轉矩、低速和直接驅動的場合。橫向永磁電機我國目前還處于實驗研究階段。英國研制的用于艦艇的橫向磁場電機,功率達10MW,轉速為180r/min。此外橫向磁場電機在風力發電和海洋潮汐發電中也有應用。

    (6)運動控制系統的需求

    目前電氣傳動技術已從簡單的速度控制發展到運動軌跡控制。由于永磁同步電動機比異步電動機更易于實現磁場定向矢量變換控制,因此近年來永磁同步伺服電動機系統成了高精度數控機床、機器人等高科技設備的主流。在某些場合,甚至實現了100000∶1的調速范圍和小于1~2%的低速轉矩波動。外國產品幾乎占據了國內所有市場,功率一般為20W~15KW。我國交流伺服電動機和驅動器,尚處在發展初期。

    此外機械加工設備的更新,需要各種永磁同步電動機,日本已推出0.75KW~500KW的中小型永磁同步電動機系列,適應各種驅動的要求。

    隨著對機械加工技術的高速和超高速化、精密和超精密化的需求,具有高速反應能力的直線驅動伺服技術─所謂零傳動方式應運而生。由于消除了傳統機械傳動鏈所具有的一系列不良影響,因而極大地提高了進給系統的快速反應能力和運動精度,成為新一代數控機床中最具代表性的先進技術之一。目前國外采用直線電機的伺服系統可達到小于0.01μm/min或高達300m/min的運行速度,速度偏差優于±0.01%。如西門子公司的永磁式直線同步電動機最大移動速度為200m/min,最大推力達6600N,最大位移為504mm,應用于高速銑床、曲柄車床、超精密車床等。直線電機伺服系統亦還有著需進一步研究的問題,如直線電動機是直接驅動被控制對象,系統沒有任何中間緩沖過程,參數攝動、負載擾動等不確定因素將增加控制難度等。

    我國稀土資源豐富,稀土儲量為世界其它各國儲量的4倍,稀土材料是永磁材料的主要成分,為此充分發揮我國稀土資源的優勢,大力開展和推動永磁同步電動機系統的應用和研究,對節能和滿足上述各種需求是具有重大戰略意義的。

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