0 引言
隨著我國經(jīng)濟多年來的持續(xù)高速增長，能源利用率低的問題也日益凸顯，國務院提出了“建設節(jié)約型社會”的號召。轉(zhuǎn)變國民經(jīng)濟的增長方式，調(diào)整經(jīng)濟結構來限制高能耗、低附加值的產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展，引導投資重點發(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，進而整體提高中國產(chǎn)品在國際市場的綜合競爭力。
我公司的2 000 t 大型液壓機感應電動機總容量達225 kW，長期工作在25%左右的低負載持續(xù)率狀況，電能大量浪費。當前，在大型液壓機上應用的節(jié)能技術尚處于探索階段，沒有成熟的應用經(jīng)驗可供參考，因此，有必要進行適用節(jié)能技術的應用研究。目前，市場上廣泛用于感應電動機節(jié)電的成熟技術有電動機節(jié)電器和變頻器。
1 電動機節(jié)電器和變頻器的節(jié)電原理
電動機是工礦企業(yè)生產(chǎn)中使用量及耗電量最多的一種電氣設備。在電機拖動系統(tǒng)中，往往以最高負載量加上裕量來設計參數(shù)及選型，而在實際的運行中，大部分的電動機不是滿載運行，而是工作于滿電壓、滿速度而載荷較小的狀態(tài)；對于負載波動頻繁的電機，在滿載運行的同時，也會有很大比例的空載運行時間。
負載的變化會隨著實際需求變化，因此，大多數(shù)情況存在大功率電機拖動小負載的情況（即常說的“大馬拉小車”）。由電機設計和運行特性可以知道，電動機在滿載運行時效率最高, 功率因數(shù)cos漬最佳；輕載運行效率降低、cos漬也降低，空載時cos漬甚至降到0.3以下，所以在輕載運行時電機的電能浪費較大。這是因為當電機從滿載變化到輕載或空載時，定子電流有功分量減小，而勵磁的無功電流基本不變（所以cos漬降低）；由于勵磁無功電流基本不變，則空載損耗中占主要成分的定子鐵損耗，一點沒有減少，所以效率很低。
由于電動機輕載或空載時定子電流較小，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，所以當其它條件不變時，這時降低定子電壓，則電動機的定子磁通比例下降，也即勵磁無功電流也成比例下降，這樣定子電流中的無功分量減少了，cos漬就提高了，適當控制可以接近最佳值。另外，其它條件不變時，定子鐵損為

減少，使電機的運行效率大大提高，這就是電機節(jié)電器輕載降壓節(jié)電的原理。
電動機節(jié)電器是通過不斷地檢測電機的工作狀態(tài)，從而改變電機的輸入電壓，降低電機的銅損和鐵損，改善電機的起動和停機性能，達到節(jié)電效果。
眾所周知，變頻器節(jié)電是通過降低電機轉(zhuǎn)速來降低液壓泵的輸出功率，使液壓泵的輸出功率與實時負載匹配，達到節(jié)電效果。
2 試驗方案和試驗目的
2.1 試驗方案
我們采用以下方案進行該項目的研究。2 000 t液壓機有3臺75 kW/144 A/985(r/min)的液壓泵電機（型號為JS2-355S1-6），如圖1 所示，在其中的1#電機接入變頻器，2# 電機接入節(jié)電器，3# 電機仍為原控制線路，然后采用3 臺數(shù)字多功能電力儀表（ACR220E）分別對3 臺電機的電能使用情況進行全天在線計量和測試，取得實際的節(jié)電數(shù)據(jù)，再對兩種節(jié)電技術進行綜合技術經(jīng)濟分析和評價。
2.2 試驗目的
本次節(jié)能技術研究試驗目的如下：
1）感應電機智能節(jié)電器與變頻器在液壓機應用中的節(jié)電率對比研究；
2）節(jié)電器與變頻器在液壓機應用中對整機系統(tǒng)性能影響的對比研究；
3）節(jié)電器與變頻器在液壓機應用中綜合性價比的對比研究。

3 試驗結果
2 000 t 大型液壓機節(jié)能試驗電氣控制柜于2006 年7 月3 日調(diào)試完畢正式投入運行，經(jīng)過1月的運行試驗測試，于2006 年8 月3 日，通過安裝的在線測試電力儀表（ACR220E）取得以下試驗數(shù)據(jù)（待機節(jié)電模式），如表1 所列。

在試驗中，我們還對2 000 t液壓機的液壓泵
的機械特性進行了測試。驅(qū)動1#液壓泵的變頻器設定為無速度傳感器矢量控制模式，液壓泵正常工作時運行在50 Hz，空載待機時變頻器的輸出電流為40.6 A；待機節(jié)電模式時工作在5 Hz，變頻器的輸出電流為37.2 A。變頻器的無速度傳感器矢量控制模式時，電動機工作在恒磁通方式，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液壓機的液壓泵基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負載。
4 試驗結果分析
4.1 智能節(jié)電器與變頻器的節(jié)電率對比
通過1 月的運行試驗測試，由表1測試數(shù)據(jù)可以得出以下結論。
1）整機采用節(jié)電器后每年可以節(jié)電本機節(jié)約有功電能為3伊12（3 臺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個月，每月工作23天，每天工作16小時計算）；節(jié)約的有功電能共計為2 442 kW·h。無功電能為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%；無功節(jié)電率為24.2%。
2）整機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)約的有功電能共計為26 385 kW·h。無功電度為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)約電費開支，降低生產(chǎn)成本；無功節(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)約的無功電流可以出讓給電網(wǎng)中新安裝的設備，從而化解了新增設備后的車間配電變壓器增容問題。同時，無功電流的減少可以降低電力變壓器的運行溫升，從而延長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)約的無功遠比有功大的多，無功節(jié)電給車間電網(wǎng)帶來的間接收益也是十分明顯的。
4.2 節(jié)電器與變頻器對整機系統(tǒng)性能影響的對比智能節(jié)電器是通過不斷地檢測電機的工作狀態(tài)，從而改變電機的輸入電壓。當節(jié)電器檢測到電機在輕載或負載不斷變化時，通過調(diào)整電機的輸入電壓，使電機的輸出功率與實時負載匹配，從而降低電機的銅損和鐵損，改善電機的起動和停機性能，達到節(jié)電效果。它的優(yōu)點是價格低且不會改變電機的轉(zhuǎn)速，但節(jié)能空間較小。
變頻器節(jié)電是通過降低電機轉(zhuǎn)速來降低液壓泵的輸出功率，使液壓泵的輸出功率與實時負載匹配，降低電機的銅損和鐵損，提高電機的功率因數(shù)，改善電機的起動和停機性能，并且可以減少泵損耗，從而達到節(jié)電，降低噪音和延長液壓泵壽命的效果。由測試結果可知，2 000 t液壓機的液壓泵基本屬于恒轉(zhuǎn)矩負載。在液壓機空載條件下，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)點是節(jié)電效果較好，同時延長了液壓泵的壽命和降低了噪音，缺點是投資大且對液壓機的工作狀態(tài)有影響。
4.3 節(jié)電器與變頻器綜合性價比的對比由上述分析可知，在2 000 t大型液壓機節(jié)能試驗中變頻器表現(xiàn)出了節(jié)電器無法比擬的優(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%和無功節(jié)電率97.3%明顯的節(jié)能效果；機床噪音由改造前的84.4 dB 降為61.0 dB，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境得到了明顯改善，此技術改造項目的職業(yè)衛(wèi)生績效良好；液壓泵轉(zhuǎn)速的降低，液壓泵運行磨損減少，具有延長液壓泵壽命的效果；同時，機床液壓管路的泄漏大為減少，減輕了對環(huán)境污染的壓力。另外一個好處是：液壓油溫升的降低，這對于夏天高溫環(huán)境下，液壓機工作壓力降低的缺點是相當好的應對措施。它的缺點：由于它是通過降低液壓泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)節(jié)能，所以對液壓機的工作狀態(tài)有影響。但是，這一缺點可以通過電氣控制來予以解決。
節(jié)電器雖然不會改變電機的轉(zhuǎn)速，對液壓機的工作狀態(tài)沒有影響，但是它的有功節(jié)電率為4.0%，無功節(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比來分析。一臺75 kW 的國產(chǎn)森蘭變頻器價格為3.3 萬元，一臺75 kW 的國產(chǎn)齊力達電動機節(jié)電器價格為1.3萬元，變頻器的綜合節(jié)電率是節(jié)電器的10.8 倍，而其價格僅是節(jié)電器的2.538 倍，同時變頻器節(jié)能方案具有節(jié)電器節(jié)能方案所沒有的降低機床噪音和延長液壓泵壽命這兩項明顯的優(yōu)勢，延長液壓泵壽命就意味著為公司節(jié)約設備維修費用，降低機床噪音就是對工人工作環(huán)境的改善，同時也是為公司職業(yè)衛(wèi)生管理中的環(huán)境噪音污染治理做出應有的貢獻。
5 結語
綜上所述，在2 000 t 大型液壓機節(jié)能試驗中變頻器節(jié)能方案表現(xiàn)出了節(jié)電器節(jié)能方案無法比擬的優(yōu)越性能，即綜合節(jié)電率高，同時還有降低機床噪音和延長液壓泵壽命的顯著效果。

作者簡介：

    段蘇振（1974-），男，諾爾起重設備（中國）有限公司高級工程師，研究方向為機電一體化技術、PLC 和交流變頻調(diào)速技術在起重機械中的應用。近年來，先后在國內(nèi)核心、重要科技期刊，公開發(fā)表技術論文25 篇，先后有6 篇論文在國內(nèi)知名學術團體和傳媒組織的全國性論文大賽中獲獎，并有3項實用新型專利。

參考文獻：

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[5] SB80 工程型矢量控制變頻器用戶手冊[Z].2004.