面粉厂电机系统节能技术改造项目可行性研究报告.doc

电机系统节能技术改造项目可行性研究报告
第一章 总 论

1.1 项目背景与概况
1.1.1 项目名称
电机系统节能技术改造项目
1.1.2 项目承办单位概况
1.1.2.1 项目承办单位全称：山东xxxxxxxxx有限公司
承办单位法人代表：xxxxxxxxx
承办单位项目负责人：xxxxxxxxx
建设性质：节能技术改造。
建设地点：xxxxxxxxx
1.1.2.2 项目承办单位概况
创建于２００１年的山东xxxxxxxxx有限公司，是一家集加工、销售、科研、仓储为一体的大型现代化私营面粉加工企业。坐落于苏、豫、皖、冀四省交界的国家优质商品粮食基地、美丽而富饶的卧牛城――xxxxxxxxx县，西靠津泸铁路和京福高速公路，与德州相距５０公里，南临济南机场和济青高速公路，距省城济南５０公里，东距滨州码头１００公里，青岛码头４００公里，北接京津(距天津２４０公里，北京３８０公里)，是鲁北重要的交通枢纽，１０４国道和临枣、临南、临武、溶莘、永馆等５条省道贯穿县境，并交汇于县城。境内公路四通八达，交通十分便利。
公司占地面积１２0０００平方米，注册资金5０００万元人民币，固定资产2.3亿元。2009年销售收入达到4.89亿元，实现利税2855万元。现有员工30０人，其中，高中级技术管理人员６０人，拥有现代化的面粉加工车间2个，日处理小麦１5００吨，挂面生产车间2个，日产挂面200吨。面片、面琪日产50吨。一个食品研发中心，一条塑编彩印车间和一个拥有5０辆车的物流公司。
公司自创建以来，在董事长xxxxxxxxx的带领下，始终坚持“质量是生命，顾客是上帝”、“创中国名牌，建一流企业”的经营理念，以“为顾客创造价值，为员工创作机会，为社会创造效益”为企业文化的企业理念来提高员工的凝聚力。
公司内大力实施“人才为核心，品牌为资产，竞争为动力，社会为明镜，不进则退”的发展战略，求实创新，开拓进取。采用国际一流的现代化生产设备，依靠合理的生产工艺，优质的原料，严谨的化验程序和科学的管理方法，生产的“xxxxxxxxx”、“小白熊”、“玉狮”等系列的面粉、挂面，远销国内大中城市，得到消费者的高度评价，深受消费者的青睐。　
公司于２００２年通过了ＩＳＯ９００１国际质量管理体系认证，２０００年首批获得国家“ＱＳ食品质量安全生产许可证”，２００３年被省技术局评为“无公害农产品”称号。公司多次被评为市、县级“先进私营企业”、“重合同、守信用”企业、“尊师重教先进单位”，被农业银行评为“ＡＡ级信用企业”，被市农业局评为“农业产业化龙头企业”。“xxxxxxxxx”、“美食王”，被“中国名优家庭用品采购品牌评审委员会”认定为“名优家庭用品推荐品牌”。
经过几年来的不断探索和多次实验证明，企业又成功的总结了一套适用于本地区原粮的绿色食品小麦粉的生产技术，投资的第二条生产线所采用的配麦、配粉先进的生产工艺，通过添加微量元素，实现了食用主食，就能满足人体必须的各种微量元素，满足人体营养。实现了营养强化食品的消费主车道。并根据全国不同地区需求，生产各种不同档次的面粉和专用粉。
２００８年，在当地政府的大力支持下，公司开始了第三次创业，投资１.２亿元，建设了一处日加工能力为１０００吨的全自动化生产流水线，即将投产成为我省最大的面粉加工企业，真正使企业做大做强，使企业实现数控化管理，并带动当地农业有一个新的进步，实现双赢，使之发展成为集团化公司而努力奋斗。
该公司近三年主要经济指标情况见下表：
近三年主要经济指标一览表
年度
资产总额（万元）
资产负债率
销售收入(万元)
税金(万元)
利润(万元)
备注
2007
9469
43.27%
32592
2103
3420

2008
14998
35.96%
39721
2341
3876

2009
23465
45.08%
48920
2855
5025

1.1.3 项目主管部门
xxxxxxxxx县发展改革局
1.1.4 可行性研究报告研究范围及编制单位
1.1.4.1 研究范围
1、项目的改造规模；
2、技术方案、主要设备选择及工程方案；
3、节能方案；
4、劳动安全、工业卫生与消防；
5、组织机构与人力资源配置；
6、项目实施进度；
7、投资估算及资金筹措；
8、融资方案
9、财务评价。
1.1.4.2 编制单位
单位名称：
工程咨询资格证书：
证书编号：
1.1.5 可行性研究报告编制依据
1、《国家发展改革委办公厅关于组织申报资源节约和环境保护2011年中央预算内投资备选项目的通知》；
2、国家发改委《节能技术改造项目节能量确定原则和方法》；
3、国家发改委颁布的行业标准《轻工业建设项目可行性研究报告编制内容深度规定》QBJS5-2005；
4、《山东省节能减排综合性工作实施方案》；
5、山东xxxxxxxxx有限公司提供的有关基础资料。
1.1.6 项目提出的理由和过程
1.1.6.1项目提出的理由
我国人口众多，能源资源相对不足，人均拥有量远低于世界平均水平。由于我国正处在工业化和城镇化加快发展阶段，能源消耗强度较高，消费规模不断扩大，特别是高投入、高消耗、高污染的粗放型经济增长方式，加剧了能源供求矛盾和环境污染状况。能源问题已经成为制约经济和社会发展的重要因素。
面对我国能源及环境问题的压力，政府提出了节约型、环境友好型、可持续发展的经济发展战略，努力推动经济、社会、环境的“共赢”。“十一五”规划纲要提出，到“十一五”期末，万元国内生产总值（按2005年价格计算）能耗下降到0.98吨标准煤，比“十五”期末降低20%左右，平均年节能率为4.4%，另外主要污染物排放总量在“十一五”期间要减少10％。2006年以来，全国上下加强了节能减排工作，国务院发布了加强节能工作的决定，制定了促进节能减排的一系列政策措施，节能减排工作取得了积极进展。但是，2006年全国没有实现年初确定的节能降耗和污染减排的目标，加大了“十一五”后四年节能减排工作的难度。更为严峻的是，近几年工业特别是高耗能、高污染行业增长过快，占全国工业能耗和二氧化硫排放近７０％的电力、钢铁、有色、建材、石油加工、化工等六大行业的快速增长，实现节能减排目标面临的形势十分严峻。
纵观我国面粉行业的现状，目前都不同程度的存在能耗高的问题，严重制约企业长远可持续发展，成本高，质量低，造成了大量的能源浪费。
山东xxxxxxxxx公司自成立以来，不断发展壮大，现在占地面积已达12万平米，公司现在用电设备装机容量已达1.3万千瓦，年耗电量达到5575.27万千瓦时，已成为名副其实的耗电大户。在企业的发展过程中，受当时工艺、设备、资金以及工程设计等诸多因素影响，该厂在节能降耗方面存在下列问题：
生产线电机配置不合理，普遍存在大马拉小车现象，造成电机容量闲置以及空载运行时间较长，浪费大量电能。
在各生产车间及辅助设施中，大部分用电设备为风机、泵类以及空压机等，均以工频工作，流量的调节采用风门、阀门等机械节流方式，将多余的流量转化为机械能消耗掉了，造成浪费。
部分变压器型号陈旧，使用时间较长，铁损、铜耗较高；不同期间建设的各条生产线，供电线路的布置不尽合理，且许多线路采用铝芯电缆，造成线损过高；功率因数需提高，以便进一步降低线损；各车间的部分设备电机容量过大，存在大马拉小车的现象，较低的负荷率形成了浪费；早期建设的生产线没有采用计算机系统控制，以便有效的调节各种工艺参数，合理优化的为生产线提供所需的能源，做到节能降耗，保证质量。
电力消耗是面粉及面制品加工生产过程中成本的主要组成部分，而相关设备的装备水平及控制技术是影响生产效率和经济效益的关键因素，该公司根据国内外同行业的现状及发展趋势，通过反复论证及考察，认为在面粉及其深加工行业中要想长期立于不败之地，必须采用国内外先进及适用的技术和设备，对全厂生产线的电机系统进行全面的节能技术改造，降低能耗，提高效率，以保证企业的可持续发展。
本项目属于《国家发展改革委办公厅关于组织申报资源节约和环境保护2011年中央预算内投资备选项目的通知》中规定的节能类项目中的电机系统节能范畴，企业的各项条件负荷《通知》中的相关要求。而且，本项目的建设符合国家节能减排发展战略，符合“山东省节能减排综合性工作实施方案”的精神，在降低企业能源消耗，提高经济效益的同时，将为山东省完成“十一五”期间削减二氧化硫排放20%，万元生产总值能耗降低20%的艰巨任务做出自己的贡献。
综上所述，建设本项目是十分必要的。
1.1.6.2 项目提出的过程
山东xxxxxxxxx有限公司依据企业的实际情况，于2009年开始进行电机系统节能技术改造的应用研究，对相关情况进行了搜集调查，对同行业电机系统节能的运行进行了实地考察，确定了电机系统节能技术方案所需的主要设备及其类型。
1.2 研究工作概况
1.2.1 研究工作概况
山东xxxxxxxxx有限公司委托我院对该项目进行可行性研究后，我院立即组成了该项目的研究小组到企业进行实地考察，并与企业领导及技术人员就工程技术方案、节能措施等进行了讨论，重点对项目拟采用设备的先进性、可靠性、价格和性能进行了研究，对技术改造方案进行了分析研究，对项目投资估算、经济效益等进行了分析测算，在此基础上完成了本项目可行性研究工作。
1.2.2 项目主要建设条件
1、拟改造地点
xxxxxxxxxxxxxxxxxx有限公司厂区内。
2、改造规模与目标
企业现在全厂生产设备总装机容量约为13192kW，风机、泵类、空压机及输送机械等可调速设备总装机容量约为12375kW，企业2009年的电能消耗为5575.24×104kWh。
采用低压变频器及PLC（可编程序控制器）控制1#面条车间、2#面条车间、小麦处理车间、面粉加工车间、原粮仓内生产线上的可调速电动机以及风机、泵类及空压机等电机，低压变频器控制的电机功率约12375kW，配置变频器387台, 年节电1255.2×104kWh。
更换损耗大的变压器4台；重新合理规划及布置厂区及各生产车间、辅助设施内的动力供电线路，并将铝芯电缆改为铜芯电缆；提高各车间及变配电所的功率因数；更换功率配置过大的电机。采取上述措施，年节电209.2×104kWh。
本电机系统节能改造项目实施后，全厂每年节约电能总计1464.4×104kWh，折标准煤5125.45吨。
3、主要建设条件
（1）资源条件
本项目属于节能技术改造，项目实施后，将会大幅度降低企业电能消耗，不增加产品的原辅材料消耗。企业目前用电及原辅材料有稳定可靠的来源，可以满足项目实施后对资源的需求。
（2）技术条件
山东xxxxxxxxx有限公司一直高度重视技术创新和技术改造工作，形成了一套行之有效的产品及工艺装备技术开发体系。公司技术力量具有年轻化、知识化、专业化的特点，人员年富力强，学历层次高，重视科技创新，具有拼搏、锐意进取的团队精神。
公司与多所科研单位建立了长期合作关系，并聘请有关专家对现有面粉及其深加工生产线进行研究和分析，公司在面粉及其深加工的工艺设备、电机变频及自动化控制方面积累了一定的经验，具有实施本项目的技术条件。
4、资金条件
项目总投资3106.62万元，包括建设投资和流动资金两部分，其中建设投资3088.44万元，流动资金18.18万元。所有建设资金全部由企业自筹。
企业近几年发展迅猛，经营状况良好，项目所需资金的自筹资金有保障。
1.3 研究结论
1.3.1 推荐方案
1.3.1.1 改造规模和产品方案
1、改造规模
企业现在全厂生产设备总装机容量约为13192kW，风机、泵类、空压机及输送机械等可调速设备总装机容量约为12375kW，企业2009年的电能消耗为5575.24×104kWh。
本电机系统节能改造项目实施后，全厂每年节约电能总计1464.40×104kWh，折标准煤5125.45吨。
2、产品方案
本项目的实施，不改变企业现有产品方案。
1.3.1.2项目实施地址
xxxxxxxxxxxxxxxxxx有限公司厂区内。
1.3.1.3 技术方案、设备方案和工程方案
1、技术方案和设备方案
对各生产车间及辅助设施大量存在的风机、泵类、空压机以及生产线中可进行调速控制的电动机，采用低压变频调速技术及PLC（可编程序控制器）控制技术，按照需要合理的调节其转速，最大限度的节约能源。
以新型的节能变压器代替老变压器，可降低变压器本身的损耗；合理的规划和布置供电线路以及采用铜芯电缆，可降低线路阻抗，减小线路损耗；适当提高功率因数，可以降低无功电流，从而减小线路损耗；更换功率配置过大的电机，可以消除“大马拉小车”的现象。
2、工程方案
（1）总平面布置
本项目没有新建建、构筑物，所有设备均布置在山东xxxxxxxxx有限公司各生产车间及辅助设施内。
（2）土建工程
本项目新增的低压变频柜等设备，均布置在车间原有低压配电室内或现场，不需新增土建工程。
（3）给水
本项目实施后，不增加产品的原辅材料消耗。该厂已有较为完善的生产及生活用水系统，不需新增给水设施。
（4）消防
本项目在原有各生产车间及辅助设施内改造，原厂区消防设施完善，利用原有的消防设施可满足要求，无需增设新的消防供水设施。
（5）排水
本项目没有新增排水，原污水处理系统符合环保要求，达标排放。
（6）供电
项目实施后全厂电力消耗大幅下降；厂内现有电力设施可满足项目改造后的用电需求。
（7）自控
各生产车间新增PLC（可编程序控制器）控制系统，用于低压变频器的控制。
（8）供热
该厂已有完善的生产供热及生活采暖设施，完全可以满足项目实施后的全厂热负荷。
1.3.1.4 主要原辅材料、燃料供应
本项目实施后，将大幅度降低企业电能消耗，不增加产品的原辅材料消耗。企业目前用电及原辅材料有稳定可靠的来源，可以满足项目实施后对资源的需求。
1.3.1.5 节能节水、劳动安全、工业卫生与消防
1、节能
本项目为节能降耗改造，项目实施后，年节电1464.40×104kWh，节能量折合成标煤约5125.45吨，大大降低了单位产品的电耗。
2、 节水
原厂已有较好的节水措施及设施。
3、 劳动安全、工业卫生
（1）所有设备操作人员都必须接受和通过安全操作规程的培训。
（2）厂区内及生产车间内严禁吸烟和使用明火。
（3）所有用电设备均有接地保护装置，在进行设备维修时，要切断电源，并有警告牌，以确保工人安全。
（4）凡供热设备及管道，均设保温隔热措施，防止职工烫伤。
（5）选用噪声低、振动小的设备，并辅之降噪减振措施，创造良好的工作环境。
4、 消防
（1）原有厂区道路网呈环状布置，路面宽度设计可满足消防车通行要求；生产区均有环形道路相连接，满足消防要求。
（2）所有建筑构筑物根据相关规范采取相应的防直击雷措施；各建筑物按第三类防雷建筑物设置防雷装置。
（3）变压器设置完善的保护装置，线路采用过负荷保护。
（4）原厂区消防泵房内已设置消防稳压供水设备，负责全厂室内外的消火栓系统供水。消防供水系统在厂区内已形成环状供水管网，在主要厂区、车间内均按相应规范设置室内消火栓及灭火器，整个厂区消防设施比较完善。
（5）本项目在原厂区内建设，消防等级没有增加，现有消防设施满足本项目要求。
1.3.1.6 环境影响与综合利用评价
1、环境影响
（1）废气
本项目不新增废气。
（2）废水
本项目无新增废水排放。原厂区污水处理设施完善，污水均经有效处理后达标排放。
（3）固体废弃物
本项目不新增固体废弃物。
（4）噪声
该厂已对原有设备的噪声进行了治理，噪声源以机械性噪声及空气性噪声为主，主要噪声源设备为各种风机、泵类等，其噪声级(单机)一般为90～105dB(A)。通过设置隔音间、选用低噪声设备、设橡胶隔振垫等措施进行治理后保证厂界噪声达到GB12346-90《工业企业厂界噪声标准》。
2、综合利用
本项目属电机系统节能技术改造，无综合利用。
1.3.1.7 项目投入总资金及资金筹措
项目投入总资金3106.62万元，
其中： 建设投资3088.44万元；
流动资金18.18万元。
项目投入总资金的来源渠道为企业自有资金。
1.3.1.8 经济效益和社会效益
1、经济效益
本项目正常年销售收入为849.35万元，本项目达到设计能力，年总成本304.78万元，全部为固定成本，经营成本112.65万元。
正常生产年份利润总额544.57万元。
投资利润率17.53%。
资本金利润率13.15%。
财务评价指标如下：
序号
指标名称
所得税后指标
所得税前指标
备注
1
财务内部收益率
16.82%
21.39%

2
财务净现值
1731.41万元
2734.24万元

3
投资回收期
5.89年
4.95年
含建设期半年

由此可见本项目各项技术经济指标较好，主要评价指标高于行业基准指标，还款期短，抗风险能力强，从经济的角度看项目是比较好的，切实可行。
2、社会效益
本项目属于节能降耗项目，节能效果显著，符合国家节能减排发展战略规划，减少企业电力消耗，具有良好的社会效益。
1.3.1.9主要技术经济指标，详见表1.3.1.9
表1.3.1.9 主要技术经济指标表
序号
指标名称
单位
数量
备注
1
改造规模

小麦日处理量
吨
1500

挂面日产量
吨
200

面片、面琪日产量
吨
50

2
节能量

折合成标煤
t/a
5125.45

3
项目总投资
万元
3106.62

3.1
建设投资
万元
3088.44

其中：建设期借款利息
万元
0

3.2
流动资金
万元
18.18

4
工作制度

4.1
年工作日
d
350

4.2
日工作时
h
23

5
项目定员总计
人
5

其中：生产人员
人
5

管理及技术人员
人
0

其他人员
人
0

6
主要原辅材料、物料、燃料和动力年用量

水
m3/a
0
改造前后水用量不变
电
kWh/a
-1464.4×104

7
年总成本
万元
-304.78

8
年销售收入
万元

9
年利税
万元

10
年利润总额
万元
544.57

11
静态投资回收期（Pt）:税前
a
4.95

12
投资利润率
%
17.53

13
资本金净利润率
%
13.15

14
财务内部收益率

14.1
项目财务内部收益率：税前
%
21.39

14.2
项目财务内部收益率：税后
%
16.82

1.3.2研究结论
综上所述，本项目节能效果明显，经济效益和社会效益较好。项目采用的改造方案和主要设备技术先进，运行简单可靠，企业自身已经具备了实施本项目的一切有利条件，该项目是合理可行的。
第二章 改造规模与产品方案

2.1 改造规模
各生产车间及辅助设施风机、泵类及空压机等低压电机共387台，采用变频控制转速的改造。
更换变压器4台；重新规划及布置厂区、各生产车间内动力供电线路，并改为铜芯电缆；提高各车间及变配电所的功率因数；更换功率配置过大的电机；各条生产线采用PLC（可编程序控制器）控制。
上述电机系统节能改造完成后，全厂每年节约电能总计1464.4×104kWh，折标准煤5125.45吨。
2.2产品方案
本项目的实施，不改变企业目前的产品方案。

第三章 改造地点

3.1 厂址现状
3.1.1 厂址地理位置
本项目建于山东省西北部xxxxxxxxx县境内，行政区划属德州地区，南距省会济南约50km，北距德州市约50km。
厂址位于xxxxxxxxx县xxxxxxxxx工业园内。北界是已建成的工业园内道路，其它为园区其它企业。
本项目为节能技术改造项目，在原有车间及场地上进行，无需新增土地。
3.1.2 土地权属类别
项目所在地均为企业自有工业用地。
3.2 厂址改造条件
3.2.1 地形、地貌
厂址地形平坦，无明显起伏和突变等不良地形特征，无大型土石方工程，地形条件良好。
3.2.2 地震烈度
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定，xxxxxxxxx县地区地震设防烈度为7度。
3.2.3 工程地质、水文地质及气象条件
厂址位于黄河下游的冲积平原上，第四纪河流沉积物厚超过400m。含水层岩性主要为细砂、粉细砂及中砂。相对隔水层为亚砂土、亚粘土及粘土层。在粘土层中也赋存一部分裂隙水。岩性在水平方向上呈条带状分布，延伸方向与黄河流向一致，在垂直方向上含水层与隔水层交互迭加，成透气状相嵌。
地下水埋深约2~3m。
xxxxxxxxx地区属于温带半干旱大陆性季风气候地区，具有较明显的大陆性气候特征，四季分明，旱涝干湿明显，冬季长，春秋短。
年平均气温13.1℃，
绝对最高气温42.2℃，
绝对最低温度-25℃，
年平均降水616.0mm，
最大年降水量1144.4mm，
最小年降水239.0mm，
年平均相对湿度65%，
常年主导风向SW，NE，
平均风速3.2m/s，
春季风速4.1m/s。
3.2.4交通运输条件
本项目不产生运输量。
本项目建于xxxxxxxxx工业园内，工业园已建成较完善的内部道路系统，公路运输条件良好。
本项目所在地域经济繁荣，靠近中心城市和都市圈，经济发展潜力巨大，协作配套能力强，有利于本项目的顺利开展。
第四章 技术方案、设备方案和工程方案

4.1生产工艺简述
小麦加工及面粉制造工艺流程如下：
(1) 清理工艺阶段：采用三筛两打一刷麦两去石两着水一洗麦三磁选六风选的清理工艺，彻底清除各类杂质及农药残留，降低了小麦灰分，保证了小麦入磨前的质量要求，为生产高质量高等级的面粉打下了基础。
（2）制粉工艺方面：采用四皮八心二渣二尾七清粉三打夫的制粉工艺，工艺流程设计合理，灵活性强，可同时生产多品种的优质面粉。

4.2电机系统节能简述
电机系统包括电动机、被拖动装置、传动控制系统及管网负荷。电机系统用电量约占全国用电量的60%，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。
电机系统节能方面存在的主要问题是系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，设备长期低负荷运行；系统调节方式落后，大部分风机、泵类采用机械节流方式调节，效率比调速方式低30%。
电机系统量大面广，但目前我国电机系统运行效率比国外先进水平低10~20个百分点，浪费了大量的能源，因此，电机系统节能潜力巨大。
4.3 项目组成
本电机系统节能技术改造项目由以下两部分内容组成：
1、各生产车间及辅助设施风机、泵类及空压机等低压电机共387台，采用变频控制转速的改造。
2、更换变压器4台；重新规划及布置厂区、各生产车间内动力供电线路，并改为铜芯电缆；提高各车间及变配电所的功率因数；更换功率配置过大的电机；各条生产线采用PLC（可编程序控制器）控制。
4.4 技术方案、设备方案
4.4.1 电机拖动系统的节能空间及节能方式选择
4.4.1.1 电机电能浪费的主要情况
1、工频运行的浪费
许多负载在运行过程中所需要的功率是时时刻都在变化的，但在工频运行的情况下，电动机始终以额定转速运行，其输出功率几乎不变。在绝大多数时间内，电动机的输出功率比负载实际消耗的功率大得多，造成了功率的浪费。
2、电机系统不匹配形成的浪费
从电动机的诞生到现在，使用在各种设备上的电动机“大马拉小车”现象十分普遍，所以电能的浪费严重，产生这种现象原因大致有以下几种：
（1） 设备上配置的电动机容量大：因设备配置电动机容量均按最
大负载考虑，正常工作时，电动机带动负载比较小，只是在偶然才带动大负载进行工作。如惯性负载，电机启动时负载最大，电机启动运行后负载变小，如果不配置大容量电动机，负载大时将无法工作。
（2） 长时间轻载运行：很多生产设备大半的时间都在准备：备料、
等待，负载很轻，经常开、停机损伤设备或不方便停机，有的设备不能停机，只有小半的时间或更少的时间才重载工作。
（3） 长时间无规律变负载运行：工作在公用场所或商业场所以及
其它企业场所的设备(如扶梯、空调及制冷设备等)，其负载变化大，并且无规律，电动机容量小将无法满足人多或重物等运行情况的需要，所以必须配置比较大的电动机，并且留有较多的余量，以预防超负载运行的需要。
（4） 长时间有规律的动态负载运行：有些电动机经常在空载或轻
载与重负载之间进行有规律变化的运转。有些电动机在运转过程中设备本身由于重量的自由落体或惯性运动，长年有一部分电能不能充分利用。
（5）电网电压偏高造成浪费：在电力供电系统中，为避免送电过
程中的线路损耗及用电高峰造成的末端电压过低，都以较高电压传输。电网电压往往超出电动机的额定电压，电动机磁通或磁通密度随电压升高而增大，铁损耗和铜损耗增加，最终导致电动机运行温度升高，寿命缩短，能耗增加。
4.4.1.2 影响节约比的主要因素
1、功率因数与负载率的关系：电动机在拖动一般的机械设备时，
设备的负荷越轻（电动机的负荷率越低），电动机的功率因数也就越低。
2、惯性负载的运行特性：一般电动机所拖动的机械设备由于自身
的重量都具有一定的惯性，机械设备的重量越大，惯性也就越大，所以惯性设备在设计时考虑到设备的启动特性和机械性能时通常选用功率较大的电动机进行拖动，而设备启动之后的运转只需要很小的维持力矩，这时的电动机的负荷率会很低，长期处于大马拉小车的状态。
3、负载率节约比率的关系：电机负荷越低，说明电机“大马拉小
车”的情况越严重，节省电能的空间也越大，节约比率也就越高。
4、电压对节约比率的影响：电网电压超出正常值越高，电动机的
损耗也就越高，这时的节约电能空间越大，可以得到的节约比率也就越高。
4.4.1.3 节能方式
通过分析上述情况可知，电动机节能途径大致有二：一是通过调
速来减少浪费；二是解决好“大马拉小车”的问题。
4.4.1.4 异步电动机的调速方法、功耗及节能
1、转子串入电阻的调速
采用此种调速方法，电动机转速下降时，输出功率减小；由于同
步转速未变，故电磁功率也未变，但转差增大，相应地损耗功率也增大。显然，所增加的损耗功率就是消耗在外接电阻中的功率。事实上，这是一种通过增加转子回路的损耗来调速的方法，是很不经济的。
2、电磁调速
电磁调速电动机可以通过调节直流磁场和转速反馈来实现无级调
速，这是它比绕线转子异步电动机优越的地方，但就功耗而言，两者几乎相等。所以也是不经济的。
3、变频调速
（1）变频器调速原理
根据电机学的原理可知，异步电动机的转速与频率有以下关系：
n＝60f/p（1-s）
式中：n为电机的转速；f为电源频率；p为电机极对数；s为
转差率。
由上式可知，异步电动机的同步转速n与其供电频率成正比，所
以改变电源频率就能改变电机转速，从而实现调速的目的。
在变频调速过程中，在一定的转矩T下，s基本不变，随着同步转
速ns下降，对应磁场角速度ωs也降低，电动机输入电磁功率 PM＝Tωs和输出功率P2＝PM（1－s）＝Tωs（1－s）成比例下降，损耗没有增加，所以变频调速是一种高效的调速方法，变频调速不仅能实现无级调速，而且根据负载特性，通过适当调节电压U与频率f之间的关系，恒转矩负载应保持U/f＝常数；对于恒功率负载应保持U/=常数。这样就能使电动机始终运行在高效区。
（2）变频调速节能分析
a、恒转距负载类应用
恒转矩负载即不管转速如何变化，负载转矩是恒定的，其公式如下：
P＝K×T×n
式中，P为轴功率，K为系数，T为负载转矩，n为转速
从式中可以看到，轴功率与电机的转速成正比，也就是说应用变频调速后，如由于工艺需要而降低电机转速n到额定转速的80%时，相应的电能消耗降低为原来80%。
b、变转矩负载类应用
通过流体力学的基本定律可知，风机、泵类、压缩机设备均属变转矩负载，其转速n与流量Q、压力H以及轴功率关系为：流量和转速成正比，压力和转速的平方成正比，轴功率和转速的立方成正比。当电动机转速稍有下降时，轴功率将大幅下降。如当流量为额定流量的80%，Pn为0.51Pe，即电动机轴功率仅为额定功率的51%，下降近一半。因而当变频器应用于风机、水泵、压缩机等负载，当流量有变化时就能够节能，且节能效果非常明显。
4、从以上分析可知：采用变频调速后，随着频率的降低，同步转速下降了，故转子得到的电磁功率也减小了；同时转差几乎不变，从而转子功耗也几乎不变。所以，与前两种调速方式相比，变频调速在调速过程中，并未增加额外损失，是最节能的调速方式。
4.4.1.5 “大马拉小车”的节能措施
“大马拉小车”的情况下，节能的基本途径是合理的确定电动机的功率，更换电机。
另一个途径是降低电压，降低电压的方法是加大基本频率。现简介如下：
假设基本频率的修正系数为γ：
fBAH=γfBA
式中fBAH——增大后的基本频率（Hz）；fBA——额定情况下的基本频率（Hz）；γ——修正系数。
由于异步电动机的转矩与电压的二次方成正比，所以，修正系数γ的大小大致可选择如下：
γ≈γ≈
式中PMN——电动机的额定功率（kW）；PL——负载功率（kW）
当前市场上的各类变频器都设置了低减U/f比功能。即在低频运行时，减小U/f比，同时U/f比可以任意预置，使得变频器在某一工作频率下，其输出电压可根据不同的工况和负载任意调节，从而使电动机工作在最佳的工作点，从而达到节能的目的。
4.4.2 变频调速技术的应用及发展现状
4.4.2.1 全数字化控制系统 
　　随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人们对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉，它们之间的完美结合才是现代工业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。　　
　　由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。
　　在交流调速的全数字化过程当中，各种总线也扮演了相当重要的角色。STD总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。 
4.4.2.2 PWM技术 
　　PWM控制是交流调速系统的控制核心，任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种。尤其是微处理器应用于PWM技术并使之数字化以后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。
其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用。  
4.4.2.3 高性能交流调速系统 
　　V/f恒定、速度开环控制的通用变频调速系统和滑差频率速度闭环控制系统，基本上解决了异步电机平滑调速的问题。然而，当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时，上述系统还是比直流调速系统略逊一筹。原因在于，其系统控制的规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出稳态值控制，完全不考虑过渡过程，系统在稳定性、起动及低速时转矩动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
　　考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可等效为一台直流电动机，从而可象直流电动机那样进行快速的转矩和磁通控制即矢量控制。
　　和矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。
　　矢量控制与直接转矩控制使交流调速系统的性能有了较大的提高。

4.4.3 车间低压电机变频改造
4.4.3.1 风机泵类变频改造
1、 综述
泵类设备在生产领域有着广阔的应用空间，提水泵站、水池储罐给排系统、工业水（油）循环系统、热交换系统均使用离心泵、轴流泵、齿轮泵、柱塞泵等设备。而且，根据不同的生产需求往往采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、压力、水位等信号的控制。这样，不仅造成大量的能源浪费，管路、阀门等密封性能的破坏，还加速了泵腔、阀体的磨损和汽蚀，严重时损坏设备、影响生产、危及产品质量。 
　　风机、泵类设备多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点，不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。
　　近年来，出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器（简称变频器）易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点，采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。 
2、节能分析
（一）风机
在风道阻力特性不变的情况下，离心风机的风量Q、压力H、轴
功率P和转速N之间满足如下关系（相似定理）：
Q∝N，H∝N2，P∝N3
所以有：Q1/Q2=N1/N2, H1/H2=(N1/N2)2, PA/PC=（N1/N2）3
就是说，通过调速方式改变风机风量，风量下降一半时，风机轴
功率将下降87.5%。这就是为什么变频调速方式在风机应用上节能十分显著的原因。
工频50Hz电网直接起动电机，对电网和机械冲击较大，声响很大，
启动损耗很大。而采用变频软启动后，起动损耗只有直接启动的十分之一，则每年的起动节能也是很可观的。
当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比
电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内部滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量20%左右。
（二）水泵
以水泵为例：
流量Q正比于转速n
压力H正比于n²
转矩T正比于n²
功率P正比于n³

水泵流量、压力、功率曲线图
在普通的水泵流量控制中使用阀门来调节，如下图所示：

管道阻力h与流量Q的关系为h正比于RQ2，其中R为阻力系数 。
（1）电机在恒速运行时，流量为100%情况下（工作点为 A），水泵轴功率相当于Q1AH10所包容的面积。