高效電機的節能經濟分析及應用
0引言
目前，中國能源消耗占世界消耗總量的20%，溫室氣體排放居世界首位，節能減排刻不容緩，“十二五”規劃綱要中將節能減排放在首位。電機作為重要的工業能耗設備，廣泛應用于流體機械領域，其產量的增長速度直接反映國民經濟的增長速度。電機系統具有巨大的市場空間和節能潛力，電機系統節能工程已被列為“十二五”十大重點節能工程之一，是國家實施節能減排既定工作的重點關注領域。
1國內電機應用現狀
目前，中國生產和在用的電機以Y系列為主，占據了近90%以上的市場份額，效率平均值為87.3%左右，中國在用高效電機比例僅占3%。近年來，中國電機能效水平不斷提高，但總體水平仍然較低，從電機自身效率看，中國電機系統的運行效率比發達國家低3%~5%;從電機系統的運行效率看，因匹配不合理、調節方式落后等原因，中國電機系統運行效率僅為發達國家的80%~90%
普通電機的大量使用造成巨大用電浪費。若電機能效水平提高2%，可在全國范圍內實現節電200 x 108kW·h，相當于1 x 104 MW裝機容量的火力發電廠的年發電量。因此，工業領域電機能效水平的提高，不僅直接關系到工業能耗水平，而且對社會整體用電效率具有很大影響。通過大力推廣高效電機，淘汰在用普通電機，對現有普通電機進行改造等方式能夠促進電機系統效率的提高，對節約電能意義非常重大。推廣使用高效電機既可節約大量電能，還可帶動壓縮機、水泵、風機等設備提高能效水平，進而提高中國整個裝備制造業的能效水平。
2高效節能電機的原理及效率分析
高效節能電機，是采用新型電機設計、新工藝及新材料，通過降低電磁能、熱能和機械能的損耗，提高輸出效率。
提高電機的效率主要是降低電機的五種損耗，即定子繞組損耗、轉子繞組損耗、鐵心損耗、風摩損耗和雜散損耗。因此，電機效率的提高主要從減少損耗入手，高效電機對降低5種損耗的主要措施有:
a)更換磁性槽楔，可使磁性槽楔氣隙密度分布趨于均勻，縮短有效氣隙長度，減少空載電流，改善功率因數;
b)降低鐵心損耗，使用低損耗、高磁感的冷軋無取向電工鋼替代高損耗的熱軋電工鋼，損耗降低幅度能夠達到20%;
c)增加定子和轉子的有效材料用量，改進線圈結構，增加銅線截面，減少銅耗，提高制造精度，降低雜質損耗;
d)降低機械損耗，通常包括通風系統損耗及軸承摩擦損耗，隨著電機容量的增加，其在總損耗中比重也隨之增大通過改善通風結構、改進風扇結構、減小風扇尺寸等措施，損耗降低幅度能夠達到35%;
e)降低雜散損耗，包括雜散鐵損和雜散銅損，能耗量占總損耗的10%~15%。
與普通電機相比，高效節能電機的節能效果非常明顯，通常情況下效率可平均提高4%，總損耗比普通系列電機降低20%以上，節約電能15%電機的節能效果如圖1所示，隨著高效電機的運行時間越長，節電效果越明顯。
中國目前大批量生產的Y, Y2, Y3系列及J02系列三相異步電機為普通效率的電機產品;YE2, YX3系列為高效率三相異步電機產品，YE3系列等為超高效率產品，如表1所示
以某電機廠的Y系列普通電機、YE2系列高效電機、YE3系列超電機為例，詳細介紹其功率及各項技術數，如表2所示，并分析其各類電機的效率。
由表2和圖2可看出，此電機廠的Y系列普通電機平均效率為89.2%, YE2系列高效電機平均效率可達91.2% , YE3系列超高效電機平均效率可達92.6%，高于國內目前的平均水平。普通電機更換為超高效電機，效率可提高3.4%，運行時間越長，節能效果越好。
另外，高效電機的效率明顯比普通電機的效率高。電機額定功率越低，其效率提高的幅度越大;反之，電機額定功率越高，其效率提高幅度越小，主要原因是低功率電機損耗所占比例較高，所以額定功率越低的電機，更換為高效電機越好。
3高效節能電機的應用
目前，首都航天機械公司動力供應車間供冷工段低壓電機型號主要Y2系列，該工段主要廠房的供冷工作，目前有8臺電機，3臺Y-315M-4的電機，運行時2用1備，5臺Y-250M-4的電機，運行時4用1備，每年供冷時間為120 d，每天24 h，年耗電量達到120 x 104kW·h按照《工業和信息化部國家質量監督檢驗檢疫總局關于組織實施電機能效提升計劃(2013年至2015)的通知》，該系列電機屬于普通淘汰電機。
針對上述問題，經過調研、比較，對供冷工段原有電機進行一對一更換電機改造方案如表3所示
超高效電機發展較為成熟，改造方便，運行穩定可靠，完全適合長期運行的工況電機。安裝尺寸符合IEC標準，與原系列電機相同。
4應用效果分析
4.1工程項目投資
工程項目總費用為16 x 104元，主要包括YE3-250M-4購置費用7x104元，YE3-315M-4購置費用9x104元，生產廠家負責安裝、調試。
4.2經濟效益
4.2.1節電量理論計算
選用超高效電機比普通電機1 a的節電量、電費如式(1)所示:
式(1)和式(2)中，W表示年節電量，kW·h;T表示年運行時間，h；Pn表示電機額定功率，kW;F表示電機平均負載率，F≦1;ηL表示普通電機效率，%；ηH表示高效電機效率，%；Ce表示電機，元/（KW·h）;MY表示年節電費，元。
根據電機的實際運行情況，經計算，55 kW電機每年可節電14 466 kW·h , 132 kW電機每年可節電17 863 kW·h，改造項目每年可節省總電量32 392kW·h。首都航天機械公司現用電價為1.47元//(kW·h) ,經計算年節電費為47 523元，結合國家的財政補貼政策及原電機折舊費，可使投資回收期控制在3a以內。
4.2.2年耗電量的實際數據對比
根據改造前后的實際耗電量，每年可節省電量30780 kW·h.其數據如表4所示
通過對改造后理論耗電量和實際耗電量的對比可知，兩種計算方法的節電價值大體相當，超高效電機可提高效率2.6%左右，達到了節約能源的目的。
5結語
推廣使用高效電機對于中國當前的節能減排具有重要意義。通過對普通電機進行改造，能夠有效地降低能源消耗，提高能源利用效率，有利于改善環境，這對于貫徹節能減排國策，減少企業經營成本，提高企業經濟效益具有重要意義
作者:李超 來源：《能源與節能》第112期
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