朱庭楼，孙红庆
(1.江苏嘉瑞丰机电设备有限公司， 江苏 金湖 211600；
2.江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司， 江苏 淮安 223002)
现代工业主要能源之一是电能，全世界的电能60%以上是被各种工业电机所消耗。由于历史发展原因，我国工业电机能效普遍偏低[1]。近年来，国家通过政策引导，大力推进工业电机节能改造，我国电机能效水平逐步提高，但是，工业电机节能总体水平还有很大的提升空间。据电力行业测算，工业电机能效每提高1%，每年可节约用电300亿kW·h以上，直接经济效益超150亿元。因此，逐步淘汰低效能电动机，大力推广普及高效节能电动机应用，是提高能源综合利用效率的重要措施之一[2]。2020年05月29日，我国发布强制性标准《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》(GB 18613—2020)，规定自2021年6月1日起正式执行。IE3效率将成为我国最低的三相异步电机能效限定值，低于IE3能效限定值的三相异步电机将不允许生产销售[3]。工信部、市场监管总局联合发布的《电机能效提升计划(2021-2023年)》指出，到2023年高效节能电机年产量达到1.7亿kW，在役高效节能电机占比达到20%以上，实现年节约电能490亿kW·h，相当于年节约标准煤1 500万t，减排二氧化碳2 800万t。这些政策都与我国碳达峰与碳中和的国际节能大环境相对应，明确了电机系统节能改造工程是国家节能减排工作的重点领域[4-5]。
高效节能电机是指采用新型电机设计方法、新工艺与新材料制造电机，通过降低电磁能、热能和机械能的损耗，提高电动机的输出效率的新型电机。从目前我国电机行业应用整体现状分析可知，电机基本可以做到供需平衡。但是从局部看，我国中低端电机产能过剩，而高效节能电机则处于供不应求的状态，领域产品还严重依赖进口。在这样的背景下，高效节能电机系统改造未来有着广阔前景。
1.1 智能高效节能电机本体节能
我公司生产的智能高效节能电机，其主要技术点就是在永磁电机技术基础上结合了磁阻技术，即永磁辅助磁阻同步电机这一创新技术，在永磁体材料选择上采用磁密度更高的高牌号磁钢，保证了更好的磁钢具备更好的耐温性能，通过设计成凸极磁路结构，提高磁阻转矩，使得智能高效节能电机在全负载状态下都能保持着较高的效率。电机性能较传统稀土永磁电机有一定的提升。
1.2 智能高效节能电机控制系统节能
现在工业应用中基本通过变频器和软起动器对电机做相应的控制，改变电机的运行速度主要通过变频器进行调节，大多数变频器配合电机使用，只给出某个固定频率，也就是让电机维持在一个固定转速，还有部分使用变频器的场合，采用了某种参照量，做了一个PID调节的控制系统。
智能高效节能电机控制系统吸收了变频器的全部优点，并根据地理位置，昼夜温差等环境因素，通过算法和模糊控制的手段，使得在工业应用中，在满足负载工艺需求下，达到更加经济运行的目的。工业生产中风机和泵类系统约消耗了工业电动机用电的40%；
而在通过智能高效节能电机系统改造风机和泵类电机节能有着及其明显的节能效果，如在南京钢铁、沙钢、淮钢、中信泰富集团和青岛钢铁等大量应用案例都获得超过了20%以上的节能率果。
1.3 工作原理
智能高效节能电机属于永磁磁阻型电机，电机结构如图1(a)所示，属于开关磁阻电机类型，其电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似，为双凸极结构，但其控制方法与开关磁阻电机不同，不是采用磁阻电机相位控制法，而是采用自己设计的电流控制法。研究和测试结果表明，永磁磁阻高效节能电机的力矩电流比可达开关磁阻电机的1.7倍，是感应电机的3.6倍，力矩惯量比是开关磁阻电机的1.4倍，是感应电机的10倍，永磁同步电机的3.6倍。电机控制电路如图1(b)所示，由六个开关管的通断实现三相轮流导通，控制电机转子旋转。
图1 电机结构及控制电路图
1.4 智能高效节能电机系统的优点
(1)效率高，节能效果好。和普通的电机相比较，在设计上，除了使用更优质的材料外，智能高效节能电机也更多地考虑了降低电磁能、热能以及机械能的损耗等因素，因此使用效率更高。
(2)智能高效节能电机系统运行时间越长，节能效果越明显，经济效益越好。由于它的高效性，可节约能源和降低长期运行成本，企业如果想在固定的资金投入下取得最大的投资回报，智能高效节能电机系统在这方面就能够很好的实现。
(3)温升小，设备的使用寿命延长，可靠性提高。高效节能电机的设计采用了降低损耗的设计，使温度升高系数大大的减小，因此使用寿命更长。
(4)减少了对环境的污染。由于智能高效节能电机的效率相对标准电机高出很多，因此每年就可以节约更多的电能，同时也减少了二氧化碳排量。
现以某钢铁有限公司炼钢厂2号泵房LF供水泵为例，分析智能高效节能电机系统的节能测试结果。
2.1 改造前电机数据统计
改造前原电机数据炼钢厂2号泵房LF供水泵电表起始读数如图2所示
图2 改造前初始数据
改造前原电机工作360 h后再次统计原电机数据，炼钢厂2号泵房LF供水泵如图3所示。改造前电机参数见表1，改造前节电率数据见表2，改造后电机参数见表3， 改造后节电率数据见表4。
表1 改造前电机参数
表2 改造前节电率数据
表3 改造后电机参数
表4 改造后节电率数据
图3 改造前运行360 h后数据
改造前电机的平均功耗：电机的平均小时电耗=(电表终读数-电表起读数)×互感器变比/(计时器终读数-计时器起读数)=(81 203 -80 568)kW·h×60/(475.41 h -116.04 h)=106.02 kW·h/h。
2.2 改造后电机数据统计
安装智能高效节能电机系统后，炼钢厂2号泵房LF供水泵改造后初始读数如图4所示(计时器开始时已复位)。
图4 供水泵改造后初始数据
改造后高效节能电机工作360 h后再次统计电机数据，炼钢厂2号泵房LF供水泵改造后如图5所示。
图5 供水泵改造后运行360 h后数据
改造后电机的平均功耗：电机的平均小时电耗=(电表终读数-电表起读数)×互感器变比÷(计时器终读数-计时器起读数)= (82 977-82 427) kW·h×60÷(430.29 h -2.32 h)=77.11 kW·h/h。
节电率=[(改造前的原电机平均功率-智能高效节能电机的平均功率)÷改造前的原电机平均功率]×100%=(106.02-77.11) kW·h/h÷106.02 kW·h/h=27.27%。
表5 节电率数据
按每年8 000 h时长计算。
改造后单台电机年节电量为：
单台电机节年=全年电机工作时长×(电机改造前平均小时电耗-改造后平均小时电耗)=8 000 h×(106.02-77.11)kW·h =231 280 kW·h
年节约用电费用：
年节约电费=年节约电量×工厂电费单价=231 280 kW·h×0.55 元/(kW·h)=127 204元
年节约标煤：
年节约标煤=年节约电量×折标准煤系数=231 280 kW·h×289 gce/(kW·h)÷1 000 000=66.84 tce
年折合减排CO2：
年减排CO2=年节约电度×CO2排放因子(根据生态环境部应对气候变化司文件规定，华东地区CO2排放因子取0.703 5 kgCO2/(kW·h)=231 280 kW·h×0.703 5÷1 000=162.7 t
(1)智能系统应用于电机的运行，在保证安全可靠运行的情况下，高效率和高功率因数不受运行负载制约，同时高启动转矩，具有抗过载能力等优点，不但达到节能的效果，对于安全稳定生产也起到了一定的保护作用。
(2)在同等条件下，对原电机和试用电机的用电量进行测量和计算，平均节电率达到了27.27%，完全符合技术协议要求的15%和20%节电率。
(3)按每年8 000 h时长计算，单台电机年节电量为231 280 kW·h，相当于节约标煤66.84 t，折合减排CO2162.7 t，社会效益和经济效益显著。
(4)改造后泵的流量与压力和原电机泵相比基本相同，完全满足工艺生产的要求。
通过此案例应用，《电动机能效限定值及能效等级》(GB 18613—2020)满足国家对电机能效提升的要求，同时可以认定该智能高效节能电机系统，不仅具备很高的节电率、能在两年左右收回投资成本，整个系统还具有较高的功率因数和启动电流小等特点，对厂内电网无冲击，在电机节能改造中应大力推广使用。
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