谈电机拖动系统的节能

谢　宏　郝伟波

电机是一种应用量大、使用范围广的高耗能动力设备。据统计，我国电机耗电约占工业用电总量的60％一70％。实际应用中，我国电机的整体运行状况，同国外相比差距很大。机组效率约为75％，比国外低10％左右；系统运行效率为30％-40％，比国际先进水平低20％～30％。因此。我国的电机应用具有极大的节能潜力，推行电机节能势在必行。

1，电动机的有功损耗和无功损耗

电动机的有功损耗分为不变损耗(铁耗)、可变损耗(铜耗)、机械和杂散损耗几部分。铁耗的大小同磁场强度和铁芯特性有关，与所加电压u的平方成正比，与频率f的1.3次方成正比。铜耗的大小与电动机的负载电流的平方成正比(即与负载率的平方成正比)，与电动机定子、转子的电阻和成正比。机械损耗与电动机转速有关，其中摩擦损耗与转速成正比，风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗与转速的三次方成正比。在高速电机中，风阻损耗可占到机械损耗的70％-80％。杂散损耗主要是高次谐波引起的损耗。若供电电源、电压波形不好，谐波损耗会急剧增加。绕线式电动机和直流电机还有电刷的电阻损耗和电刷机械损耗。电动机负载率越小效率越低，负载过重铜耗加大，效率也下降。

异步电动机的无功损耗包括两部分：一部分是建立旋转磁场所需要的空载无功功率，约占电机额定无功功率的60％-70％，其大小主要与容量有关；另一部分是带负荷时的漏磁损耗，它与电动机负载率的平方成正比。电动机负载率越小，功率因数越低。

2，合理使用电动机

目前，我国的中小型电动机。在普遍开展对电机通风、温升、噪声、电磁场进行优化设计的基础上，重点开发以下节能产品：

(1)风机、水泵专用多速异步电动机系列，满足不同工况要求，形成系列产品。

(2)阻电机系列，是高技术的机电—体化产品，其运行效率可达82％-91％，并可满足各种特性要求的任意形状的转距转速特性。

(3)中小型永磁同步电动机系列，使电机力能指标提高5％-7％，效率提高1.5％-2.5％。

(4)高效率三相异步电动机，效率比Y系列平均提高1％-2％，进一步完善系列，降低成本。

高效率Yx系列电动机比Y系列电动机效率提高3％左右，损耗可降低20％-30％，功率因数有所提高，起动力矩提高30％，噪声小，振动小，温升低，寿命长，但电动机成本比标准电动机高30％，一般情况下，增加的投资费用能在1-3年内收回。J02、J03系列小型异步电动机及JD02、JD03系列变极、多速三相异步电动机已是国家明令限制和淘汰的产品。对还在使用的这类电动机要制定规划。分期分批进行更新改造并限期完成。另外，通风机、鼓风机类效率低于70％的、离心泵、轴流泵类效率低于60％的，均应列入节能计划，分期分批进行更换或改造。

在电动机的使用上，大马拉小车、电动机特性与负载特性不匹配等是造成能源浪费的重要原因，应根据负荷特点选取和改进电动机的使用条件，避免电动机长时间轻载运行。

电动机运行过程中会发热，如果通风散热效果不好。过热将使绝缘破坏，导致电动机减寿甚至烧毁。为此，通风不良的电机被迫降容使用，不但浪费动力资源，而且电动机处于轻载运行状态，效率及功率因数低下，增加了有功和无功功率损耗。可见，做好运行维护、保持电机的清洁和通风散热良好。能够减少不必要的能源浪费。

泵与风机的内部损失：管网阻力损失和泄露损失是造成耗电量增大的重要原因。因此。做好运行维护、及时检修、保持管路畅通无阻和无泄露，能够减少不必要的能源浪费。应定期进行电能平衡测试，及时发现耗电量的变化，找出原因，尽快处理。

电动机的功率因数一般较低。需要无功补偿。提高电动机的功率因数也是电动机节电的重要方面。

3，电动机降压节电

有时电动机的负荷时大时小，不能更换小容量电机。可采用降低供电电压的方法节电。降低电动机外加电压。使电机的转矩特性变低，相当于在转速基本不变的情况下改小了电机的容量，使电机的运行状态由轻载转变为接近新条件下的额定负荷量。降低电动机电压有△-Y变换法、自耦变压器降压法、可控硅调压降压法、串联电抗器降压法等。其中最简单、费用最低的是△-Y变换法。

电动机定子绕组由△形接线改为Y形接线后，绕组的相电压降为额定电压的，电动机转矩则下降原来的1／3。起动电流下降为△形接线时的1／3，无功电流减小，功率因数也提高了，相当于将电动机变成了容量只有原来的1／3的小容量电机。当电动机负载量小于额定容量的30％时，节电效果尤其显著。若负载量超过了电动机容量的1／3，改Y形接线后工作电流不降甚至增大，就只能采用△形接线。△-Y变换法特别适用于负载量或很大、或很小的场合，大负载量时用△形接线，小负载量时用Y形接线。如负载量每次改变后都会持续较长时间，小容量电动机就可以仅用一只三刀双投开关，手动完成△-Y变换操作；容量较大时可用三刀双投开关控制交流接触器来完成转换操作。如负载量变化频率较快，可选用能自动完成转换操作的转换器，如各类△-Y转换器、电动机轻载节能器等。

电动机空载运行时的电能损耗是较大的，其起动时的耗电量约为空载运行15秒～20秒的耗电量。如电机在运行过程中空载待机的时间较长，可使用空载自停装置。电焊机亦应使用空载自停装置。

4，电动机调速节电

电动机还可以采用调速的方法节电。降低电动机的转速，也使电机的转矩特性变低，也相当于改小了电机的容量。使电机的运行状态由轻载转变为接近新条件下的额定负荷量，使效率和功率因数提高，从而达到节电且的。特别是带风机、水泵类的电机，其损耗随转速的提高而急剧加大，调速节电效果非常显著。我国十五规划中要求发展各种交流调速系统，包括串极调速、PWM交流变频调速，开发大容量交流电机调速装置，同时发展液力耦合器、油膜离合器、滑差离合器等机械调速装置。发展稀土永磁同步电动机、开关磁阻电机等调速系统。开发并推广调速范围较窄的简易价廉的风机、水泵专用的调速装置。

改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率8均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速等。

变极调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，具有稳定性良好、效率高、控制方便、价格较低等特点，属于有级调速，级差较大，可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，目前国内大都使用交——直——交变频器。变频调速效率高，调速过程中没有附加损耗，调速范围大，特性硬，精度高，应用范围广，可用于笼型异步电动机。但技术复杂，造价高，维护检修困难。特别适用于负载变化大、高速时损耗大的电机设备，如风机、水泵等。

串级调速用于指绕线式电动机，大部分转差功率被返回电网或转换能量加以利用，多采用晶闸管串级调速，效率较高，装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％-90％的生产机械上，但晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。适合在风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源(控制器)三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成。装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便、调速平滑、无级调速、对电网无谐波影响，但效率低，适用于中、小功率，要求调速平滑、短时低速运行的生产机械。