高效电机的节能经济分析及应用

0引言
    目前，中国能源消耗占世界消耗总量的20%，温室气体排放居世界首位，节能减排刻不容缓，“十二五”规划纲要中将节能减排放在首位。电机作为重要的工业能耗设备，广泛应用于流体机械领域，其产量的增长速度直接反映国民经济的增长速度。电机系统具有巨大的市场空间和节能潜力，电机系统节能工程已被列为“十二五”十大重点节能工程之一，是国家实施节能减排既定工作的重点关注领域。

1国内电机应用现状
    目前，中国生产和在用的电机以Y系列为主，占据了近90%以上的市场份额，效率平均值为87.3%左右，中国在用高效电机比例仅占3%。近年来，中国电机能效水平不断提高，但总体水平仍然较低，从电机自身效率看，中国电机系统的运行效率比发达国家低3%~5%;从电机系统的运行效率看，因匹配不合理、调节方式落后等原因，中国电机系统运行效率仅为发达国家的80%~90%
    普通电机的大量使用造成巨大用电浪费。若电机能效水平提高2%，可在全国范围内实现节电200 x 10⁸kW·h，相当于1 x 10⁴ MW装机容量的火力发电厂的年发电量。因此，工业领域电机能效水平的提高，不仅直接关系到工业能耗水平，而且对社会整体用电效率具有很大影响。通过大力推广高效电机，淘汰在用普通电机，对现有普通电机进行改造等方式能够促进电机系统效率的提高，对节约电能意义非常重大。推广使用高效电机既可节约大量电能，还可带动压缩机、水泵、风机等设备提高能效水平，进而提高中国整个装备制造业的能效水平。

2高效节能电机的原理及效率分析
    高效节能电机，是采用新型电机设计、新工艺及新材料，通过降低电磁能、热能和机械能的损耗，提高输出效率。
    提高电机的效率主要是降低电机的五种损耗，即定子绕组损耗、转子绕组损耗、铁心损耗、风摩损耗和杂散损耗。因此，电机效率的提高主要从减少损耗入手，高效电机对降低5种损耗的主要措施有:

a)更换磁性槽楔，可使磁性槽楔气隙密度分布趋于均匀，缩短有效气隙长度，减少空载电流，改善功率因数;

b)降低铁心损耗，使用低损耗、高磁感的冷轧无取向电工钢替代高损耗的热轧电工钢，损耗降低幅度能够达到20%;

c)增加定子和转子的有效材料用量，改进线圈结构，增加铜线截面，减少铜耗，提高制造精度，降低杂质损耗;

d)降低机械损耗，通常包括通风系统损耗及轴承摩擦损耗，随着电机容量的增加，其在总损耗中比重也随之增大通过改善通风结构、改进风扇结构、减小风扇尺寸等措施，损耗降低幅度能够达到35%;

e)降低杂散损耗，包括杂散铁损和杂散铜损，能耗量占总损耗的10%~15%。
    与普通电机相比，高效节能电机的节能效果非常明显，通常情况下效率可平均提高4%，总损耗比普通系列电机降低20%以上，节约电能15%电机的节能效果如图1所示，随着高效电机的运行时间越长，节电效果越明显。

中国目前大批量生产的Y, Y2, Y3系列及J02系列三相异步电机为普通效率的电机产品;YE2, YX3系列为高效率三相异步电机产品，YE3系列等为超高效率产品，如表1所示

以某电机厂的Y系列普通电机、YE2系列高效电机、YE3系列超电机为例，详细介绍其功率及各项技术数，如表2所示，并分析其各类电机的效率。

    由表2和图2可看出，此电机厂的Y系列普通电机平均效率为89.2%, YE2系列高效电机平均效率可达91.2% , YE3系列超高效电机平均效率可达92.6%，高于国内目前的平均水平。普通电机更换为超高效电机，效率可提高3.4%，运行时间越长，节能效果越好。

    另外，高效电机的效率明显比普通电机的效率高。电机额定功率越低，其效率提高的幅度越大;反之，电机额定功率越高，其效率提高幅度越小，主要原因是低功率电机损耗所占比例较高，所以额定功率越低的电机，更换为高效电机越好。
3高效节能电机的应用
    目前，首都航天机械公司动力供应车间供冷工段低压电机型号主要Y2系列，该工段主要厂房的供冷工作，目前有8台电机，3台Y-315M-4的电机，运行时2用1备，5台Y-250M-4的电机，运行时4用1备，每年供冷时间为120 d，每天24 h，年耗电量达到120 x 10⁴kW·h按照《工业和信息化部国家质量监督检验检疫总局关于组织实施电机能效提升计划(2013年至2015)的通知》，该系列电机属于普通淘汰电机。

    针对上述问题，经过调研、比较，对供冷工段原有电机进行一对一更换电机改造方桉如表3所示

    超高效电机发展较为成熟，改造方便，运行稳定可靠，完全适合长期运行的工况电机。安装尺寸符合IEC标准，与原系列电机相同。

4应用效果分析
4.1工程项目投资
    工程项目总费用为16 x 10⁴元，主要包括YE3-250M-4购置费用7x10⁴元，YE3-315M-4购置费用9x10⁴元，生产厂家负责安装、调试。

4.2经济效益
4.2.1节电量理论计算
    选用超高效电机比普通电机1 a的节电量、电费如式(1)所示:

式(1)和式(2)中，W表示年节电量，kW·h;T表示年运行时间，h；P_n表示电机额定功率，kW;F表示电机平均负载率，F≦1;η_L表示普通电机效率，%；η_H表示高效电机效率，%；Ce表示电机，元/（KW·h）_;M_Y表示年节电费，元。

    根据电机的实际运行情况，经计算，55 kW电机每年可节电14 466 kW·h , 132 kW电机每年可节电17 863 kW·h，改造项目每年可节省总电量32 392kW·h。首都航天机械公司现用电价为1.47元//(kW·h) ,经计算年节电费为47 523元，结合国家的财政补贴政策及原电机折旧费，可使投资回收期控制在3a以内。
4.2.2年耗电量的实际数据对比

    根据改造前后的实际耗电量，每年可节省电量30780 kW·h.其数据如表4所示

    通过对改造后理论耗电量和实际耗电量的对比可知，两种计算方法的节电价值大体相当，超高效电机可提高效率2.6%左右，达到了节约能源的目的。
5结语
    推广使用高效电机对于中国当前的节能减排具有重要意义。通过对普通电机进行改造，能够有效地降低能源消耗，提高能源利用效率，有利于改善环境，这对于贯彻节能减排国策，减少企业经营成本，提高企业经济效益具有重要意义

作者:李超   来源：《能源与节能》第112期