2 000 t 大型液壓機(jī)節(jié)能技術(shù)研究

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)多年來(lái)的持續(xù)高速增長(zhǎng)，能源利用率低的問(wèn)題也日益凸顯，國(guó)務(wù)院提出了“建設(shè)節(jié)約型社會(huì)”的號(hào)召。轉(zhuǎn)變國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)方式，調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)限制高能耗、低附加值的產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展，引導(dǎo)投資重點(diǎn)發(fā)展低能耗、高附加值的產(chǎn)業(yè)集群，提高單位GDP 的能耗效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，進(jìn)而整體提高中國(guó)產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。

我公司的2 000 t 大型液壓機(jī)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)總?cè)萘窟_(dá)225 kW，長(zhǎng)期工作在25%左右的低負(fù)載持續(xù)率狀況，電能大量浪費(fèi)。當(dāng)前，在大型液壓機(jī)上應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)尚處于探索階段，沒(méi)有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可供參考，因此，有必要進(jìn)行適用節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用研究。目前，市場(chǎng)上廣泛用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)節(jié)電的成熟技術(shù)有電動(dòng)機(jī)節(jié)電器和變頻器。

1 電動(dòng)機(jī)節(jié)電器和變頻器的節(jié)電原理

電動(dòng)機(jī)是工礦企業(yè)生產(chǎn)中使用量及耗電量最多的一種電氣設(shè)備。在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，往往以最高負(fù)載量加上裕量來(lái)設(shè)計(jì)參數(shù)及選型，而在實(shí)際的運(yùn)行中，大部分的電動(dòng)機(jī)不是滿載運(yùn)行，而是工作于滿電壓、滿速度而載荷較小的狀態(tài);對(duì)于負(fù)載波動(dòng)頻繁的電機(jī)，在滿載運(yùn)行的同時(shí)，也會(huì)有很大比例的空載運(yùn)行時(shí)間。

負(fù)載的變化會(huì)隨著實(shí)際需求變化，因此，大多數(shù)情況存在大功率電機(jī)拖動(dòng)小負(fù)載的情況(即常說(shuō)的“大馬拉小車”)。由電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性可以知道，電動(dòng)機(jī)在滿載運(yùn)行時(shí)效率最高, 功率因數(shù)cos漬最佳;輕載運(yùn)行效率降低、cos漬也降低，空載時(shí)cos漬甚至降到0.3以下，所以在輕載運(yùn)行時(shí)電機(jī)的電能浪費(fèi)較大。這是因?yàn)楫?dāng)電機(jī)從滿載變化到輕載或空載時(shí)，定子電流有功分量減小，而勵(lì)磁的無(wú)功電流基本不變(所以cos漬降低);由于勵(lì)磁無(wú)功電流基本不變，則空載損耗中占主要成分的定子鐵損耗，一點(diǎn)沒(méi)有減少，所以效率很低。

由于電動(dòng)機(jī)輕載或空載時(shí)定子電流較小，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，所以當(dāng)其它條件不變時(shí)，這時(shí)降低定子電壓，則電動(dòng)機(jī)的定子磁通比例下降，也即勵(lì)磁無(wú)功電流也成比例下降，這樣定子電流中的無(wú)功分量減少了，cos漬就提高了，適當(dāng)控制可以接近最佳值。另外，其它條件不變時(shí)，定子鐵損為

減少，使電機(jī)的運(yùn)行效率大大提高，這就是電機(jī)節(jié)電器輕載降壓節(jié)電的原理。

電動(dòng)機(jī)節(jié)電器是通過(guò)不斷地檢測(cè)電機(jī)的工作狀態(tài)，從而改變電機(jī)的輸入電壓，降低電機(jī)的銅損和鐵損，改善電機(jī)的起動(dòng)和停機(jī)性能，達(dá)到節(jié)電效果。

眾所周知，變頻器節(jié)電是通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)降低液壓泵的輸出功率，使液壓泵的輸出功率與實(shí)時(shí)負(fù)載匹配，達(dá)到節(jié)電效果。

2 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)?zāi)康?/p>

2.1 試驗(yàn)方案

我們采用以下方案進(jìn)行該項(xiàng)目的研究。2 000 t液壓機(jī)有3臺(tái)75 kW/144 A/985(r/min)的液壓泵電機(jī)(型號(hào)為JS2-355S1-6)，如圖1 所示，在其中的1#電機(jī)接入變頻器，2# 電機(jī)接入節(jié)電器，3# 電機(jī)仍為原控制線路，然后采用3 臺(tái)數(shù)字多功能電力儀表(ACR220E)分別對(duì)3 臺(tái)電機(jī)的電能使用情況進(jìn)行全天在線計(jì)量和測(cè)試，取得實(shí)際的節(jié)電數(shù)據(jù)，再對(duì)兩種節(jié)電技術(shù)進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和評(píng)價(jià)。

2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次節(jié)能技術(shù)研究試驗(yàn)?zāi)康娜缦拢?/p>

1)感應(yīng)電機(jī)智能節(jié)電器與變頻器在液壓機(jī)應(yīng)用中的節(jié)電率對(duì)比研究;

2)節(jié)電器與變頻器在液壓機(jī)應(yīng)用中對(duì)整機(jī)系統(tǒng)性能影響的對(duì)比研究;

3)節(jié)電器與變頻器在液壓機(jī)應(yīng)用中綜合性價(jià)比的對(duì)比研究。

3 試驗(yàn)結(jié)果

2 000 t 大型液壓機(jī)節(jié)能試驗(yàn)電氣控制柜于2006 年7 月3 日調(diào)試完畢正式投入運(yùn)行，經(jīng)過(guò)1月的運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試，于2006 年8 月3 日，通過(guò)安裝的在線測(cè)試電力儀表(ACR220E)取得以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)(待機(jī)節(jié)電模式)，如表1 所列。

在試驗(yàn)中，我們還對(duì)2 000 t液壓機(jī)的液壓泵

的機(jī)械特性進(jìn)行了測(cè)試。驅(qū)動(dòng)1#液壓泵的變頻器設(shè)定為無(wú)速度傳感器矢量控制模式，液壓泵正常工作時(shí)運(yùn)行在50 Hz，空載待機(jī)時(shí)變頻器的輸出電流為40.6 A;待機(jī)節(jié)電模式時(shí)工作在5 Hz，變頻器的輸出電流為37.2 A。變頻器的無(wú)速度傳感器矢量控制模式時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在恒磁通方式，因此其輸出轉(zhuǎn)矩與輸出電流成正比。由此可以得出：

2 000 t液壓機(jī)的液壓泵基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 智能節(jié)電器與變頻器的節(jié)電率對(duì)比

通過(guò)1 月的運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試，由表1測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論。

1)整機(jī)采用節(jié)電器后每年可以節(jié)電本機(jī)節(jié)約有功電能為3伊12(3 臺(tái)12 月)伊(1 714原1 655)=2 124 kW·h，節(jié)約的線路有功損耗為0.072伊16伊23伊12=318 kW·h(0.072是電控柜到中心配電室的供電線路阻抗上產(chǎn)生的有功損耗節(jié)電量，按一年12個(gè)月，每月工作23天，每天工作16小時(shí)計(jì)算);節(jié)約的有功電能共計(jì)為2 442 kW·h。無(wú)功電能為3伊12伊(6746原5114)=58 752 kvar·h，節(jié)電器的有功節(jié)電率為4.0%;無(wú)功節(jié)電率為24.2%。

2)整機(jī)采用變頻器后每年可以節(jié)電節(jié)約有功電能為3伊12伊(1 714原1 029)=24 660 kW·h，節(jié)約的線路有功損耗為0.353伊16伊23伊12=1 725 kW·h;

節(jié)約的有功電能共計(jì)為26 385 kW·h。無(wú)功電度為3伊12伊(6746原179)=236 412 kvar·h，變頻器的有功節(jié)電率為42.8%，無(wú)功節(jié)電率為97.3%。

有功節(jié)電的意義在于可以直接節(jié)約電費(fèi)開(kāi)支，降低生產(chǎn)成本;無(wú)功節(jié)電的意義在于降低供電母線的線路損耗，降低車間配電變壓器的二次電流，節(jié)約的無(wú)功電流可以出讓給電網(wǎng)中新安裝的設(shè)備，從而化解了新增設(shè)備后的車間配電變壓器增容問(wèn)題。同時(shí)，無(wú)功電流的減少可以降低電力變壓器的運(yùn)行溫升，從而延長(zhǎng)電力變壓器的使用壽命。由以上節(jié)電數(shù)據(jù)可以看出，不論是節(jié)電器方案，還是變頻器方案，節(jié)約的無(wú)功遠(yuǎn)比有功大的多，無(wú)功節(jié)電給車間電網(wǎng)帶來(lái)的間接收益也是十分明顯的。

4.2 節(jié)電器與變頻器對(duì)整機(jī)系統(tǒng)性能影響的對(duì)比智能節(jié)電器是通過(guò)不斷地檢測(cè)電機(jī)的工作狀態(tài)，從而改變電機(jī)的輸入電壓。當(dāng)節(jié)電器檢測(cè)到電機(jī)在輕載或負(fù)載不斷變化時(shí)，通過(guò)調(diào)整電機(jī)的輸入電壓，使電機(jī)的輸出功率與實(shí)時(shí)負(fù)載匹配，從而降低電機(jī)的銅損和鐵損，改善電機(jī)的起動(dòng)和停機(jī)性能，達(dá)到節(jié)電效果。它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低且不會(huì)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，但節(jié)能空間較小。

變頻器節(jié)電是通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)降低液壓泵的輸出功率，使液壓泵的輸出功率與實(shí)時(shí)負(fù)載匹配，降低電機(jī)的銅損和鐵損，提高電機(jī)的功率因數(shù)，改善電機(jī)的起動(dòng)和停機(jī)性能，并且可以減少泵損耗，從而達(dá)到節(jié)電，降低噪音和延長(zhǎng)液壓泵壽命的效果。由測(cè)試結(jié)果可知，2 000 t液壓機(jī)的液壓泵基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。在液壓機(jī)空載條件下，液壓泵轉(zhuǎn)速降低為1/10 額定轉(zhuǎn)速后，其消耗的有功功率也成正比相應(yīng)降低為近似1/10 的原消耗功率，從而可以大幅度節(jié)電。它的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)電效果較好，同時(shí)延長(zhǎng)了液壓泵的壽命和降低了噪音，缺點(diǎn)是投資大且對(duì)液壓機(jī)的工作狀態(tài)有影響。

4.3 節(jié)電器與變頻器綜合性價(jià)比的對(duì)比由上述分析可知，在2 000 t大型液壓機(jī)節(jié)能試驗(yàn)中變頻器表現(xiàn)出了節(jié)電器無(wú)法比擬的優(yōu)越性能。采用變頻器節(jié)能控制后具有有功節(jié)電率42.8%和無(wú)功節(jié)電率97.3%明顯的節(jié)能效果;機(jī)床噪音由改造前的84.4 dB 降為61.0 dB，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境得到了明顯改善，此技術(shù)改造項(xiàng)目的職業(yè)衛(wèi)生績(jī)效良好;液壓泵轉(zhuǎn)速的降低，液壓泵運(yùn)行磨損減少，具有延長(zhǎng)液壓泵壽命的效果;同時(shí)，機(jī)床液壓管路的泄漏大為減少，減輕了對(duì)環(huán)境污染的壓力。另外一個(gè)好處是：液壓油溫升的降低，這對(duì)于夏天高溫環(huán)境下，液壓機(jī)工作壓力降低的缺點(diǎn)是相當(dāng)好的應(yīng)對(duì)措施。它的缺點(diǎn)：由于它是通過(guò)降低液壓泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，所以對(duì)液壓機(jī)的工作狀態(tài)有影響。但是，這一缺點(diǎn)可以通過(guò)電氣控制來(lái)予以解決。

節(jié)電器雖然不會(huì)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)液壓機(jī)的工作狀態(tài)沒(méi)有影響，但是它的有功節(jié)電率為4.0%，無(wú)功節(jié)電率為24.2%，總體節(jié)能空間較小。

從節(jié)電器和變頻器的綜合性價(jià)比來(lái)分析。一臺(tái)75 kW 的國(guó)產(chǎn)森蘭變頻器價(jià)格為3.3 萬(wàn)元，一臺(tái)75 kW 的國(guó)產(chǎn)齊力達(dá)電動(dòng)機(jī)節(jié)電器價(jià)格為1.3萬(wàn)元，變頻器的綜合節(jié)電率是節(jié)電器的10.8 倍，而其價(jià)格僅是節(jié)電器的2.538 倍，同時(shí)變頻器節(jié)能方案具有節(jié)電器節(jié)能方案所沒(méi)有的降低機(jī)床噪音和延長(zhǎng)液壓泵壽命這兩項(xiàng)明顯的優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)液壓泵壽命就意味著為公司節(jié)約設(shè)備維修費(fèi)用，降低機(jī)床噪音就是對(duì)工人工作環(huán)境的改善，同時(shí)也是為公司職業(yè)衛(wèi)生管理中的環(huán)境噪音污染治理做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在2 000 t 大型液壓機(jī)節(jié)能試驗(yàn)中變頻器節(jié)能方案表現(xiàn)出了節(jié)電器節(jié)能方案無(wú)法比擬的優(yōu)越性能，即綜合節(jié)電率高，同時(shí)還有降低機(jī)床噪音和延長(zhǎng)液壓泵壽命的顯著效果。