2 000 t 大型液压机节能技术研究

0 引言

随着我国经济多年来的持续高速增长，能源利用率低的问题也日益凸显，国务院提出了“建设节约型社会”的号召。转变国民经济的增长方式，调整经济结构来限制高能耗、低附加值的产业集群发展，引导投资重点发展低能耗、高附加值的产业集群，提高单位GDP 的能耗效率，降低企业生产成本，进而整体提高中国产品在国际市场的综合竞争力。

我公司的2 000 t 大型液压机感应电动机总容量达225 kW，长期工作在25%左右的低负载持续率状况，电能大量浪费。当前，在大型液压机上应用的节能技术尚处于探索阶段，没有成熟的应用经验可供参考，因此，有必要进行适用节能技术的应用研究。目前，市场上广泛用于感应电动机节电的成熟技术有电动机节电器和变频器。

1 电动机节电器和变频器的节电原理

电动机是工矿企业生产中使用量及耗电量最多的一种电气设备。在电机拖动系统中，往往以最高负载量加上裕量来设计参数及选型，而在实际的运行中，大部分的电动机不是满载运行，而是工作于满电压、满速度而载荷较小的状态;对于负载波动频繁的电机，在满载运行的同时，也会有很大比例的空载运行时间。

负载的变化会随着实际需求变化，因此，大多数情况存在大功率电机拖动小负载的情况(即常说的“大马拉小车”)。由电机设计和运行特性可以知道，电动机在满载运行时效率最高, 功率因数cos渍最佳;轻载运行效率降低、cos渍也降低，空载时cos渍甚至降到0.3以下，所以在轻载运行时电机的电能浪费较大。这是因为当电机从满载变化到轻载或空载时，定子电流有功分量减小，而励磁的无功电流基本不变(所以cos渍降低);由于励磁无功电流基本不变，则空载损耗中占主要成分的定子铁损耗，一点没有减少，所以效率很低。

由于电动机轻载或空载时定子电流较小，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，所以当其它条件不变时，这时降低定子电压，则电动机的定子磁通比例下降，也即励磁无功电流也成比例下降，这样定子电流中的无功分量减少了，cos渍就提高了，适当控制可以接近最佳值。另外，其它条件不变时，定子铁损为

减少，使电机的运行效率大大提高，这就是电机节电器轻载降压节电的原理。

电动机节电器是通过不断地检测电机的工作状态，从而改变电机的输入电压，降低电机的铜损和铁损，改善电机的起动和停机性能，达到节电效果。

众所周知，变频器节电是通过降低电机转速来降低液压泵的输出功率，使液压泵的输出功率与实时负载匹配，达到节电效果。

2 试验方案和试验目的

2.1 试验方案

我们采用以下方案进行该项目的研究。2 000 t液压机有3台75 kW/144 A/985(r/min)的液压泵电机(型号为JS2-355S1-6)，如图1 所示，在其中的1#电机接入变频器，2# 电机接入节电器，3# 电机仍为原控制线路，然后采用3 台数字多功能电力仪表(ACR220E)分别对3 台电机的电能使用情况进行全天在线计量和测试，取得实际的节电数据，再对两种节电技术进行综合技术经济分析和评价。

2.2 试验目的

本次节能技术研究试验目的如下：

1)感应电机智能节电器与变频器在液压机应用中的节电率对比研究;

2)节电器与变频器在液压机应用中对整机系统性能影响的对比研究;

3)节电器与变频器在液压机应用中综合性价比的对比研究。

3 试验结果

2 000 t 大型液压机节能试验电气控制柜于2006 年7 月3 日调试完毕正式投入运行，经过1月的运行试验测试，于2006 年8 月3 日，通过安装的在线测试电力仪表(ACR220E)取得以下试验数据(待机节电模式)，如表1 所列。

在试验中，我们还对2 000 t液压机的液压泵

的机械特性进行了测试。驱动1#液压泵的变频器设定为无速度传感器矢量控制模式，液压泵正常工作时运行在50 Hz，空载待机时变频器的输出电流为40.6 A;待机节电模式时工作在5 Hz，变频器的输出电流为37.2 A。变频器的无速度传感器矢量控制模式时，电动机工作在恒磁通方式，因此其输出转矩与输出电流成正比。由此可以得出：

2 000 t液压机的液压泵基本属于恒转矩负载。

4 试验结果分析

4.1 智能节电器与变频器的节电率对比

通过1 月的运行试验测试，由表1测试数据可以得出以下结论。

1)整机采用节电器后每年可以节电本机节约有功电能为3伊12(3 台12 月)伊(1 714原1 655)=2 124 kW·h，节约的线路有功损耗为0.072伊16伊23伊12=318 kW·h(0.072是电控柜到中心配电室的供电线路阻抗上产生的有功损耗节电量，按一年12个月，每月工作23天，每天工作16小时计算);节约的有功电能共计为2 442 kW·h。无功电能为3伊12伊(6746原5114)=58 752 kvar·h，节电器的有功节电率为4.0%;无功节电率为24.2%。

2)整机采用变频器后每年可以节电节约有功电能为3伊12伊(1 714原1 029)=24 660 kW·h，节约的线路有功损耗为0.353伊16伊23伊12=1 725 kW·h;

节约的有功电能共计为26 385 kW·h。无功电度为3伊12伊(6746原179)=236 412 kvar·h，变频器的有功节电率为42.8%，无功节电率为97.3%。

有功节电的意义在于可以直接节约电费开支，降低生产成本;无功节电的意义在于降低供电母线的线路损耗，降低车间配电变压器的二次电流，节约的无功电流可以出让给电网中新安装的设备，从而化解了新增设备后的车间配电变压器增容问题。同时，无功电流的减少可以降低电力变压器的运行温升，从而延长电力变压器的使用寿命。由以上节电数据可以看出，不论是节电器方案，还是变频器方案，节约的无功远比有功大的多，无功节电给车间电网带来的间接收益也是十分明显的。

4.2 节电器与变频器对整机系统性能影响的对比智能节电器是通过不断地检测电机的工作状态，从而改变电机的输入电压。当节电器检测到电机在轻载或负载不断变化时，通过调整电机的输入电压，使电机的输出功率与实时负载匹配，从而降低电机的铜损和铁损，改善电机的起动和停机性能，达到节电效果。它的优点是价格低且不会改变电机的转速，但节能空间较小。

变频器节电是通过降低电机转速来降低液压泵的输出功率，使液压泵的输出功率与实时负载匹配，降低电机的铜损和铁损，提高电机的功率因数，改善电机的起动和停机性能，并且可以减少泵损耗，从而达到节电，降低噪音和延长液压泵寿命的效果。由测试结果可知，2 000 t液压机的液压泵基本属于恒转矩负载。在液压机空载条件下，液压泵转速降低为1/10 额定转速后，其消耗的有功功率也成正比相应降低为近似1/10 的原消耗功率，从而可以大幅度节电。它的优点是节电效果较好，同时延长了液压泵的寿命和降低了噪音，缺点是投资大且对液压机的工作状态有影响。

4.3 节电器与变频器综合性价比的对比由上述分析可知，在2 000 t大型液压机节能试验中变频器表现出了节电器无法比拟的优越性能。采用变频器节能控制后具有有功节电率42.8%和无功节电率97.3%明显的节能效果;机床噪音由改造前的84.4 dB 降为61.0 dB，现场作业环境得到了明显改善，此技术改造项目的职业卫生绩效良好;液压泵转速的降低，液压泵运行磨损减少，具有延长液压泵寿命的效果;同时，机床液压管路的泄漏大为减少，减轻了对环境污染的压力。另外一个好处是：液压油温升的降低，这对于夏天高温环境下，液压机工作压力降低的缺点是相当好的应对措施。它的缺点：由于它是通过降低液压泵的转速来实现节能，所以对液压机的工作状态有影响。但是，这一缺点可以通过电气控制来予以解决。

节电器虽然不会改变电机的转速，对液压机的工作状态没有影响，但是它的有功节电率为4.0%，无功节电率为24.2%，总体节能空间较小。

从节电器和变频器的综合性价比来分析。一台75 kW 的国产森兰变频器价格为3.3 万元，一台75 kW 的国产齐力达电动机节电器价格为1.3万元，变频器的综合节电率是节电器的10.8 倍，而其价格仅是节电器的2.538 倍，同时变频器节能方案具有节电器节能方案所没有的降低机床噪音和延长液压泵寿命这两项明显的优势，延长液压泵寿命就意味着为公司节约设备维修费用，降低机床噪音就是对工人工作环境的改善，同时也是为公司职业卫生管理中的环境噪音污染治理做出应有的贡献。

5 结语

综上所述，在2 000 t 大型液压机节能试验中变频器节能方案表现出了节电器节能方案无法比拟的优越性能，即综合节电率高，同时还有降低机床噪音和延长液压泵寿命的显著效果。