常见电力拖动方式的节能效果比较
摘 要：电力拖动在生产企业电能消耗总量中占绝大部分，而电动机的效率在 75%-95%之间， 差异很大， 如果选择的电力拖动方式不同， 能源利用率明显不同。本文从不同的电力拖动方式出发，对节能效果进行比较分析。
关键词：电力拖动； 电动机； 节能
1 引言
中国电力消耗量仅次于美国， 已居世界第二位， 而由于节能、节电意识薄弱， 设备选型、设备技术落后， 造成的电能浪费占相当的比重。缓解能源短缺状况， 有利于提高经济增长的质量和取得较好的经济效益和社会效益。近年来， 电力紧张成为经济发展中一个十分引人注目的现象。我国能源效率比比国际先进水平低 10%， 主要产品单位能耗比比国际先进水平高 40%。在我国企业电能消耗总量中，电力拖动占绝大部分，特别是在风机、泵类等电力拖动方面， 而选择不同的电力拖动方式，能源利用率明显不同。但一些企业目前仍然采用不调速的异步电动机拖动，能耗大，节能降耗的潜力也很大。为此，笔者对不同电力拖动力方式与节能效果进行了长期的研究。对于转矩与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比的风机类负载， 如离心泵， 若采用阀门控制流量， 其电动机功率不变； 若改为调速运行，当转速下降为原来的 80%时，轴上功率只有原来的 51.2%。对于转矩与转速大小无关的恒转矩负载，如罗茨风机，若原来采用放风阀放走多余风量的方法调节风量， 电机消耗的功率不变， 若改为调速运行，当转速下降为原来的 80%时， 轴上功率也为原来的 80%。可见，调速器在这类负载中的应用， 节电效果最为明显。对于恒功率负载，功率与转速的大小无关。如配料皮带秤，在设定流量一定的条件下，当料层厚时，皮带速度减慢； 当料层薄时，皮带速度加快。若应用调速系统能达到提高生产效率，提高产品质量的目的，调速器在这类负载中的应用，节电效果仍然很明显。
2 直流拖动方式
直流电动机不仅具有良好的起、制动性能，广泛范围内平滑调速性能，而且功率因数高， 电能利用率高，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
根据 n=U－IRKeΦ， 当改变电枢电压 U、电枢回路电阻R或励磁磁通Φ 时，均可改变电机转速n，从而达到调速目的。其中，改变电枢回路电阻R 只能是有级调速，减弱磁通Φ使机械特性太软，虽然能无级调速，但调速范围不大，一般不能满足拖动要求，很少应用。
应用电力电子技术，可以很方便的改变电枢电压，如可控整流、斩波调压等。只要适当选择控制系统，一般能满足拖动要求，省略机械传动机构，提高传动效率。如果在重物下放、减速运行时，实现逆变控制，把负载侧能量反馈到电网，可进一步节约电能。
尽管直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，但由于直流电动机结构复杂，难于维护，随着交流调速技术的日趋成熟，它将逐步被交流拖动替代。
3 交流异步电动机拖动方式
交流异步电动机与直流电动机相比，具有结构简单，经济可靠，环境适用性强，坚固耐用， 耐高压，单机功率大等特点。目前高性能、高精度的新型交流拖动系统已达到同直流拖动工系统一样的性能指标， 特别是在风机、泵类等需要调速的场所， 节能效果显著。
根据异步电动机机械特性方程
Tc=3pU¬12R(w1([R1+R2]/S)2+w12(L11+L12)2¬)
可知交流异步电动机在定子频率不变时具有三个重要特点: 其一，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比；其二，最大转矩对应的转差率与U¬无关；其三，大范围调速时机械特性很软。
根据 n=60f1p(1-s)，异步电动机的调速系统可分为三大类:
3.1 转差功率消耗型调速系统
如果交流异步电动机的输入电磁功率为 Pe，转差率为s，则电动机将(1- s)Pe转换成有效的机械功率，sPe 的转差功率被发热消耗掉了。如果采用定子调压、电磁转差离合器、绕线式异步电动机转子串电阻等拖动方式调速，当电动机运行在额定转速之下时，转差率 s 必然大于额定转速下的转差率，消耗的转差功率 sPe 也随s 而增加。因此转差功率消耗型调速系统是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低，其转差功率全部转换成热能的形式， 并被系统本身消耗掉，其调速效率很低。
3.2 转差功率回馈型调速系统
异步电动机运行时， 转子相电动势为 E¬¬2=sE20，说明转子电动势E¬¬2与转差率s 成正比。当转子附加电动势Eadd工作时，转子电流方程为:
I2= （sE20±Eadd）R22+(sX20)2
当电力拖动的负载转矩TL恒定时 可认为转子电流I2也恒定。可见，恒转矩负载时，改变附加电动势 Eadd，转差率s 也要改变，即对电动机实现转速调节。
串级调速系统中的可调附加电动势一般由与转子绕组串联的“交 - 直 - 交”变频器产生， 而变频器的输出端通过逆变变压器与交流电网相联， 把大部分转差功率送回电网。电气串级调速系统的总效率为:
Hsch=PM(1-s)(PM(1-s)+DPs)x100%
所以串级调速系统的总效率很高，且随着电机转速的降低hsch的减少并不多。但是转差功率回馈型调速系统需加一些调速装置，比转差功率消耗型调速系统结构复杂。整个串级调速系统的功率因数较低，谐波干扰较大。适用于要求调速范围不大的中、大功率的绕线式异步电动机的调速运行或起动，如风机、泵、磨机等负载的调速运行或起动。
3.3 转差功率不变型调速系统
变频和变极对数调速运行时，交流异步电动机运行的机械特性基本上是平行的，在相同的转矩下， 其s 基本不变， 因此无论电动机转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此它的效率最高。这类调速系统的转差功率中只有不可避免的转子铜损部分被消耗掉。
变极对数只能用于简单的有级调速。变频调速是目前应用最为广泛的转差功率不变型调速方式，其控制电路种类多、结构复杂，要获得高动、稳态性能的拖动系统，可采用矢量控制的变频调速系统。
4 高压电动机拖动方式
根据电功率 P= 3IUcosφ及电阻功率消耗 DP=I2R 可知，当负载功率一定时，电动机定子电压越高电流越小，电机铜损越小。因此，在中、大功率不需要调速的电力拖动系统中，选择高压电动机，其节能效果十分明显。
一般，75KW 及以上电动机电源电压选择10KV 系统，其投资回报比远高于电源电压为380V 或6KV的电动机拖动系统。
5 不同电力拖动方式的比较
在某立窑水泥厂长达 15 年的节能技术推广应用中， 15 年来， 吨水泥电耗由 96KWh 下降到80KWh。虽然所计算的效率是利用工厂内部计量表计统计得出的，但足以说明: 风机、泵类等需要调速的电力拖动，选择变频调速系统比其他方式节能效果好得多；高压电机拖动比低压电机拖动更加节能。
6 小结
综上所述， 电力拖动方式选择， 不仅要依据工艺要求考虑电动机的转矩、功率以及动、稳态性能要求， 而且还要考虑拖动效率。研究发现， 风机、泵类需要调速的电力拖动系统， 采用变频调速拖动，虽然维修技术较复杂，一次投资较大，但是随电力电子技术的发展和自动化设备工艺水平的不断提高，与机械调速及电磁离合器拖动方式比较，其一次投资在1.5- 3 年就可收回，因此更为经济。
参考文献
[1] 中国节能产品认证管理委员会.中国节能产品认证简报[Z].2004.6.
[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社，2000.
[3] 翟世隆.供用电实用手册[Z].北京:中国水利水电出版社，1997.
