节能电机的发展现状与电力拖动存在的问题分析

龚亮

摘   要：电力作为被广泛应用的能源之一，在电气设备种类多样化的背景下，电力能源需求日益增加，按照电力生产具体情况，适当运用节能技术，可降低电机负载，实现节能。简述各类节能电机的发展，从控制线路、同步电机两方面阐述电力拖动问题，进而提出对应的解决策略。

关键词：节能电机;电力拖动;控制线路;同步电动机

机电拖动系统主要由电动机、电源、控制设备以及工作机构组成，发电机为重要部件。同时，电力拖动常应用在电力生产、机械生产以及冶金等行业当中，为行业经济发展使用的重要传动方式。在电力拖动过程中，节能技术应用广泛，因此，分析拖动工程中的节能技术具有现实意义。

1    节能电机发展现状

当前，我国机电产业在机电生产、使用等过程主要遵循GB 18613—2012和GB 30254—2013等标准，结合工业部颁发的《落后机电设备淘汰》目录监察企业行为、管理过程，检查机电生产相关信息，对难以达到节能标准以及限定值等的低效能电机进行停运。同时，核查相关企业机电设备使用情况，及时淘汰低效能的电机。2015年，国家颁发《中国制造2025》，其中重点指明加大力度研发绿色产品，淘汰落后的机电产品以及相关运营技术，同年，国家工信部联合质检局共同印发了《提升管机电效能计划》，致力于实现机电节能量1.7亿kW，淘汰1.6亿kW的低效机电设备[1]。

当前，我国几种节能的机电类型主要发展为YE4三相异步电机，在IEC60034-30修订过程，将其划分成两个标准，其一为交流电机在线能效分级，其二为变速交流电机的能效分级。未来机电技术的发展方向为高效率电机，为持续完善GB18613—2012标准中的电机能效产品相关空白，完成国家制定的机电节能运行计划，需要进一步研究IE4电机，保证高效电机满足国内以及出口机电市场需求。制定设计IE4高效机电产品计划，明确产品相关技术条件。如型号为H80～H355系列，级数分为2级、4级、6级和8级等，功率处于0.75～355.00 kW，平均效率可达95%，高于普通类型产品近6%。

高速三相同步电机（永磁类型）的发展，使用超高速同步永磁三相电动机，转速为1 000～50 000 r/min，功率范围在10～300 kW，逐渐向制造、测试超高速电机等技术方面发展，同时，还向微燃发电、机床电机以及高速储能领域扩展。

高转矩低速永磁类型电动机的发展。其中，高转矩低速主要指传动系统的额定转矩高于500 N·m，低速主要指转速小于500 r/min，此类型电动机可应用在球磨机当中，保证其安全、稳定运行，实现节能>10%。

在高性能的永磁类伺服电机发展过程中，主要将使用功率3～15 kW的电机应用于数控机床之中，将驱动系统应用在印刷、纺织和包装类机械设备当中，并制定了相关电机的产品标准。

关于永磁类型同步伺服电机的发展，其应用在汽车领域较为广泛，未来发展主要倾向于工业领域，进一步开发出相同系列的电机产品，此产品型号处于H80～H355，标准转速3 000 r/min，可调速范围在100～5 000 r/min，电机功率在0.55～315.00 kW。

促使节能电机、拖动设备等不断发展，是当前节能环保产业面临的重点问题之一，为保证电机节能效果，需要从机电设计、机电制造以及机电应用等角度，找出节能过程应用的关键技术，助力该行业的发展。

2    电力拖动问题相关分析

2.1  控制线路问题

在机电工程当中，电力拖动的控制线路产生故障的现象较为常见。通常而言，电路故障主要分为3种类型，其一为突发性故障;其二为渐变类型故障;其三为间接类型故障。突发性故障主要存在于电气元件、电动机或者导线当中，当以上物体在使用过程中产生较多热量时，就会散发出焦灼气味，严重时还会导致冒烟或者出现火花等问题。故障产生的主要原因为线路长期超负荷运转，或者线路中的部分电路绝缘层受损，亦或是线路出现短路问题。而渐变类型故障出现的主要原因为元件老化，或者线路接触不良。间接类型故障原因有多种，在特殊情况下，此类型故障的检修存在较高难度。

2.2  同步电机问题

同步电机转速相同时，才可产生恒定电磁转矩，此电动机结构简单，常见的调速问题为启动、变频等。当电动机处于正常状态时，转子转速不变，定子、转子磁场受到电磁作用，使旋转磁场保持相对静止的状态，进而产生稳定的电磁转矩。所以，电动机能够在同步速度下带动荷载稳定运行。电动机主要使用50 Hz的交流电源，启动时可对其机械性能产生影响。当三相定子和对称三相电源连接之后，定子N极磁场和转子S极磁场互相接触之后，受到异性磁极吸引，因为转子惯性大，导致静止状态时转子转动困难。当保持循环状态时，转子只能原地摆动，导致电动启动出现问题。此外，同步电动机的电源频率、转速等保持同步运行的状态时，其转速仅和电源的频率相关，和负载无关，因此，只有使用变频调速才可转变其转速[2]。

3    解决电力拖动问题的具体方案

3.1  控制线路问题的检修

当电力拖动的控制线路存在故障时，需要对线路展开故障排查和检修，排查过程需要使用多种方法，逐一测试，才可将故障位置精准确认。初步判断故障的大致范围，之后逐渐将范围缩小，进行测量、排查等，最后定位故障，完成检修流程。

在具体实践过程中需要首先试验线路，在确保故障范围不会进一步蔓延以及不会对机械设备、元件等产生损伤等前提下，进行测试。为明确故障大致范围，需要先对故障部分通电，之后仔细观察机械设备、电气元件等运行情况，通过拖动线路，测试程序异常与否，进而判断出线路故障范围。初步获知故障范围之后，工作人员可按照特定原理和逻辑展开相应的分析。按照电力拖动线路的控制原理，能够准确观察控制过程产生的異常动作，合理缩小故障范围，此检修方法适合应用在解决较为复杂的线路故障，同时，故障排查效果良好。控制电力拖动线路时，需要使用测量工具辅助进行，确保测量结果精准。测量环节要按照需求选择通电、断电等，常使用电阻测量以及电压测量两种故障测量方式。定位故障点时，需要展开多点测量，保证测量过程规范进行，防止产生重复测量问题。对关键的连接点进行编号，促使测量过程有序进行。

例如，使用电压法测量时，可选择万用表进行辅助测量，使用前先调节，将表开关置于特定电压上水平放置，之后检查表针是否位于零点位置，若出现偏离现象，可轻轻调节旋钮，避免用力过度对万用表造成影响。调节之后，可按要求将表笔向插孔内插入，之后将开关设置在对应量程上，并置于500 V档位，保证测量结果精准，按照测量编号展开逐一测量，进一步排查故障。在测量过程中，需要保证测量体处于带电状态，因此，应保证测量人员安全。此方法测量电力拖动的控制线路故障速度快、方法简单、准确度高，但是也存在相应的危险性，因此，在定位故障点时可结合实际要求，适当选择电阻方法进行测量。此方法同样需要万用表，对比电压法，其需要将万用表开关调至电阻档位上，按照测量体合理选择电阻档位、编号，测量电阻值，分析数据，找到故障所在[3]。

3.2  解决同步电机启动和调速问题

3.2.1  直接启动

电力系统主要通过负载变压器、异步电动机等实现运行，电网需要负载无功功率，导致线路损耗，此时同步电动机的启动为关键问题。为保证电动机启动过程的稳定性，可使用节能方案。使用异步电动机，保持级数和同步电动机之间相同，对其进行牵引。如果同步电动机启动时，其转子没有加入励磁，此时可利用辅助电动机将其牵引到同步转速，之后，将励磁电流直接通入到电动机励磁绕组当中，通过整步转矩将电动机接入到电网当中。当定子和转子达到同步运行状态时，辅助电动机任务完成。此时，为降低电能损耗，需要将辅助电动机停运。其启动过程，主要使用空载、同步调节等方式，操作流程复杂，使用设备较多。

异步启动主要是在电动机上安装异步绕组方式完成，节能措施为先通电定子，利用启动绕组产生异步转矩，完成电动机启动，当二者转速趋近同步时，将励磁电流通入其中，保证电动机、电磁转矩二者同步运行。而异步电动机主要通过安装绕组实现启动，因此，需要设备少、便于操作。在此期间，需要控制异步启动励磁绕组不处于开路状态，由于此状态下，励磁绕组的匝数较多，可能致使定子感应电压不断升高，降低其绝缘性能，发生安全事故。与此同时，使用此方法启动，不可直接将绕组短路，防止其单向电流变大，处于旋转磁场作用下，导致附加转矩不断增加。对于此现象，可分析异步启动转矩的特点，使用阻值为励磁电阻10倍大的启动电阻，连接转子绕组，以减小绕组产生的感应电流，从而降低单抽转矩、影响电动机的启动。

3.2.2  变频调速

同步电动机转速、供电频率二者同步时，可保持稳定状态，电动机转速和电源频率相关，和负载无关，因此，变频调速是转变其转速的唯一方式。变频调速的节能方案为自控系统、他控系统两种方式。其中，自控调速节能方案在变频调速过程，可消除转子振荡、失步等过程的安全问题，在系统当中安装电动机轴端检测器，利用其信号发出电力频率、导通顺序等，保持定子、转子二者转速同步，消除设备运转时的负载冲击。可使用交-交、交-直-交等变频装置，在该系统中，使用电力逆变器、转子检测器等代替传统的接触换向器，实现变频调速过程的节能[4]。

使用他控系统实现变频调速，其节能方案为，选择交-直-交类型变频器作为调速系统主要装置，对比于自控系统，其结构简单，只含有1台变频器。所以，操作简单，但是变频效率较低。变频器可作为启动装置，保证同步电动机平稳启动，可将其应用在多个电动机同时调速的过程中。此外，此调速方式可能存在转子失步、振荡等问题，导致安全性能较差，因此，实际应用较少。

4    结语

随着电机的发展，电气设备种类逐渐多样化，使用电力拖动方式控制电机转定，便于控制，电机运行效率高，同时，对于环境产生的污染较小。由于具备以上优势，该方法被广泛应用。在此过程中，应用合理的节能措施，可解决常见的电力拖动问题，降低能源消耗，对于行业的持续发展意义明显。对此，相关部门以及行业技术人员应了解当前节能电机的实际发展现状，找出电力拖动的常见问题，并采取合理的应对措施。

[参考文献]

[1]晏 勋，肖 磊，郑达标.节能电机的发展现状与电力拖动存在的问题分析[J].建设机械技术与管理，2019（1）：73-77.

[2]王 罡.分析变频节能技术在煤矿机电设备中的应用[J].内蒙古煤炭經济，2019（18）：209，213.

[3]屈心仪.电力拖动系统的自动控制与安全保护[J].决策探索，2019（8）：63.

[4]张 倩.变频节能技术在电力机电设备中应用分析[J].南方农机，2019（7）：198-199.