电气传动的节能措施详解

因为电气传动是用电大户，所以节能是电气传动的永恒的主题。以下分析利用自动控制技术实现的电气传动节能的方法。

电气传动的节能的目标是力求减小各种能量变换装置的损失，尽量提高电气传动系统的能量指标。为了达到这样的目标需要做到如下几点：

（1）正确选择电动机的功率。如果选择的电动机功率过大，会导致效率和功率因数降低；

（2）使用转换效率最高的半导体变换器，在能量转换的过程中做到损失最小；

（3）尽量避免使用电阻器进行调速；

（4）在供电回路安装提高功率因数的滤除高次谐波的补偿装置。

自动控制技术的发展为电气传动节能提供了最佳手段。在自动控制技术的支持下，可以减少非生产性耗电量。通常风机、水泵和散装物料的输送设备都具有较大的生产能力裕量，最好的节能措施就是调速节能。以供水泵为例（见图9-5），供水系统需要调整压力（或扬程）H和流量Q。通常水泵的输出压力高于正常需要的压力，调整压力有两种手段——改变管路Q-H特性和改变水泵的转速。改变管路特性可以采用调节阀门或旁路的方法改变压力。例如减小阀门1的开度就可以增大管路的阻力，改变了管路的Q-H特性（见图9-6）。改变水泵的转速无疑是节省能量的，可以根据昼夜、季节调节速度，满足所需要的水压和流量。

图9-5 水泵的管路示意图

图9-6 水泵的Q-H性能曲线

在图9-6中，泵特性曲线1是水泵的基本性能曲线，它表示输出扬程（代表压力）H和流量Q之间的关系。管路的基本特性为管路特性曲线1，即曲线H_P-A。该曲线和泵性能曲线1的交点A就是这时的工作点，此时流量为Q₁，扬程为H_A。如果需要减小流量，则通过减小阀门1的开度增大管路的阻力，管路的特性变为特性曲线2，这时的工作点为B，流量减小为Q₂，扬程为H_B。这时矩形H_D—H_B—B-D的面积对应着克服管路阻力所需要的功率，这部分功率无谓地消耗在阀门和管路的阻力之中。

还有更为浪费能量的情况，如果不改变阀门1的开度，而是通过调节阀门2的开度，使一部分水量回流到水泵的入口，这时管路的特性为管路特性曲线3。水泵的出水量为Q₃，实际有效利用的水量为Q₂，回流的水量为Q₃-Q₂。在这种情况下，无谓消耗的功率正比于矩形Q₂—D—C—Q₃的面积。

改变水泵转速本质上是不改变管路特性而只改变水泵的扬程特性。在同样流量变化的条件下，降低水泵的转速，Q-H特性由泵性能曲线1过渡到泵性能曲线2，这时的工作点在D点。从图中可以看出，这种减小流量的方法，没有额外浪费的功率。经验表明，风机、水泵采用调速的方法调节流量，可以节省30%左右的能量。

例题9.3一台15kW的水泵全年工作6000小时，其中4000小时提供90%输水量，2000小时提供45%的输水量。分析调速节能的效果。

水泵的参数：扬程H_N=30m，流量Q_N=140m³/hour=0.039m³/s，效率η_P=0.76。描述水泵特性的公式为：H=H₀-R_NQ²=39-5900Q²，管路的阻力为R_N=5900s²/m⁵，初始扬程H_p=0。

解：1.水泵的额定功率

2.水泵的扬程(www.xing528.com)

当流量为0.9Q_N=0.035m³/s时，

H=H₀-R_N（0.9·Q_N）2=39-5900×0.035²=31.8m

当流量为0.45Q_N=0.0175m³/s时，

H=H₀-R_N（0.45·Q_N）2=39-5900×0.0175²=37.2m

3.为了实现所要求的工况，需要调节阀门的开度以改变扬程。水泵的效率为η_P=0.76，电动机的效率为η_M=0.9。消耗的功率分别为当流量为0.9Q_N时，当流量为0.45Q_N时，

4.调节阀门开度时年消耗电能为

W₁=16.0×4000+9.3×2000=82600kW·h

5.如果通过改变电动机的转速调节流量和扬程，则不存在调节阀门所带来的能量损失。可以近似地认为：水泵的流量和转速的正比，扬程和转速的平方成正比，功率和转速的立方成正比。电气传动的效率是电动机效率和变频器效率之积：η=0.9×0.95=0.855，则有

当流量为0.9Q_N时，H=0.9²H_N=0.9²×30=24.3m

当流量为0.45Q_N时，H=0.45²H_N=0.45²×30=6.0m

6.调速时年消耗电能为

W₂=12.8×4000+1.6×2000=54200kW·h

两种情况的年耗电量之差为

ΔW=W₁-W₂=82600-54200=28400kW·h

虽然以上计算比较粗略，但是从结果依然可以明显看出水泵调速后的节能效果约为34%。