电动机的选型对水泥生产工艺节能降耗的影响

王志学

中材建设有限公司（100176）

电动机的选型对水泥生产工艺节能降耗的影响

王志学

中材建设有限公司（100176）

水泥生产属高耗能产业，大量使用异步电动机，磨机主传动的同步电动机已被交流异步（绕线式）电动机代替，回转窑主传电机现在几乎全部为交流变频调速异步电动机。正确合理选用三相交流异步电动机、确保电动机运行在经济合理的负载区间，提高电动机的运行效率，做好电动机节能措施是水泥企业节能减排的工作内容之一。

电动机；选型；节能降耗

异步电动机的损耗分为定子铜耗、定子铁耗、转子铜耗、机械损耗和附加损耗。定子线圈造成的电能损失分为定子铜耗、定子铁耗，其余能量通过气隙旋转磁场至转子回路中，这部分功率就是电动机的电磁功率PM。电磁功率传递到转子后，产生转子电流，在转子电阻上又发生转子铜耗Pcu2。从定子传递到转子的电磁功率扣除转子铜耗后，便是转子旋转运动的机械能量PQ。机械能量PQ除去转子机械磨擦和冷却风需要的能量后，由电动机轴输出净机械功率P2，三相交流异步电动机各种功率之间的关系见图1。

图1　三相交流异步电动机各种功率之间的关系

异步电动机必须从电网中吸收无功电流建立旋转磁场，功率因数必然小于1，电机运行中的效率也与之关联，功率因数应补偿到一个合理值，降低线路能耗。

电动机效率计算公式：

式中，P1——电动机输入功率，kW；

P2——电动机输出功率，kW；ΔP——电动机的功率损耗，kW；ΔP0——电动机的功率损耗，kW；ΔP——电动机的功率损耗，kW；β——电动机负荷率；I——电动机输入电流，A；U——额定电压，V；θ——功率因数角。

普通异步电动机在额定负载下其效率为75%～92%。异步电动机的效率也随着负载的大小而变化。

2012年5月11日，国家有关部门参照IEC 60034-30《单速三相笼型感应电动机效率分机》国际标准，发布了GB18613《中小型三相异步电动机能效限值及能效等级》，强制性将电动机的效率水平进行了3个等级的分级，即Eff1（超高效）、Eff2（高效）和Eff3（普通），其中Eff1（超高效）7.5～375kW的目标能效限定值自2012年9月1日起，4年后开始实施。实施后的中国3级能效、2级能效和1级能效分别对应欧盟标准中的IE1（普通Eff2）、IE2（高效）和IE3（超高效）。《中小型三相异步电动机能效限定值和能效等级》电机效率表（部分摘抄）见表1。

现阶段使用中的电动机，效率普遍偏低，相比GB18613的要求，部分国产Y2系列电机效率尚低于3级能效，国内某公司产品手册中给出的Y2系列 110kW，2极、4极电机的效率分别是94%和94.5%，而有些运行中的电机效率就更低。在新建项目中选择使用高效电机，对不合理运行的电动机进行更新改造，成为必然选择。

按电动机经济运行有关规定，电动机综合效率大于或等于额定综合效率，表明电动机对电能利用是经济的；电动机综合效率小于额定综合效率但大于额定综合效率的60%，表明电动机对电能利用基本是合理的；电动机综合效率小于额定综合效率的60%，表明电动机对电能利用是不经济的。对运行中的电动机可据运行状态判断，当运行时的电流在额定电流85%以上属于经济使用范围；运行电流为65%～85%额定电流属于允许使用范围；如果运行电流降到额定电流的65%以下属于非经济使用范围，应当考虑更换电动机。

按GB/T12497三相异步电动机经济运行中节电量计算方法，更换或改造后电动机的节电量按下式计算：

表1　《中小型三相异步电动机能效限定值和能效等级》电机效率表

式中：ΔPcai——原电动机的综合功率损耗，单位为kW；ΔPcbi——更新或改造后电动机的综合功率损耗，单位为kW。

依上式可进一步得到下面不同效率的单台电机年电费节约计算式

式中：

以一台110kW，4极电动机举例，假定年运行7000h，电价0.48元/kWh，电机负荷率0.85，使用一级能效电机与Y2系列电机对比，节约电能13650.7 kWh，相应电费为：

根据式（1）和式（3），电动机的效率与负载率有很大关系：空载时的电动机P2=0，不向外输出功率，ΔP=ΔP0，此时的效率最低，η=0；随着电机负载增加，效率提高，当负载为额定负载的0.7～1倍时，效率最高。合理确定电动机的负载率，避免大马拉小车，对节约能耗是有明显作用的。

某机械的实际轴功率约28.7kW，原使用一台55kW交流电动机，运行中记录电流为67A，功率因数0.78。按式（3）计算，该电机的输入功率：取富裕系数K=1.15，得电动机轴功率30.4kW，取电机额定功率37kW，计算得电机负荷率为82%。参考1级能效，该电机负荷率略低于额定效率95.3% 取91%，此时电动机输入功率31.5kW。按年运行7000h计算，更换电机后每年可节约电能20300 kWh，折合电费9744元。

以此推算，如果国内现有水泥行业全部装备高效电机，节约的能耗是相当可观的。根据有关资料，2011年，仅某大跨国电气公司销售的功率范围为2.2～375kW的电动机，其产品和解决方案能够降低客户二氧化碳排放量2.7亿t，相当于香港、纽约、东京、新德里和新加坡等大型城市每年的二氧化碳排放总量。因此，设计选型时应特别注意电动机的选型及能效。