电动机的节能概念

电动机在将电能转换为机械能的时候，本身也消耗一部分能量。这些损耗一般可分为绕组损耗、铁芯损耗、风摩损耗和负载杂散损耗。电动机的效率是有效输出功率与输入功率之比。有效输出功率是输入功率与电动机本身功耗之差。有效地减少自身功耗可以达到提高电动机效率的目的。 
　　电动机节能主要包括更新淘汰低效电动机及高耗电设备；节能电动机概念和技术，合理匹配电动机系统，提高电动机效率；以先进的电力电子技术传动方式改造传统的机械方式，实现被拖动装置控制和设备制造；推广软启动装置、无功补偿装置、计算机自动控制系统技术、优化电动机系统的运行和控制。 
　　提高电动机的效率已成为节能降耗、降低生产成本的重要手段，文章从分析电动机的选择、启动装置、调速方式等方面入手，介绍了电动机在选择及使用过程中采用的各种节能降耗方法。而其中的电动机耗能占总负荷90%以上，所以做好电动机运行的节能工作至关重要。不但可以减少电费开支，还可以挖掘配电系统的供电能力，有利于降低整个配电系统的电力损耗。 
　　2.0电动机的合理选型 
　　2.1选用高效节能型电动机。 
　　高效电动机（YX、YX等系列）通常指高效率三相异步电动机。效率水平能达到或超过电动机能效国家标准（GB18613-2002）所规定的节能评价值的电动机。能效限定值是电动机最低效率允许值，是强制性指标；节能评价值是高效电动机的认定值，是推荐性指标。 
　　下列情况下应该考虑选用高效电动机： 
　　1）在新上项目需要新的电动机时； 
　　2）旧电动机损坏或电动机需要进行重绕时； 
　　3）在电动机长期运行于低负载或过负载状态下需要更新电动机时。 
　　高效电动机与普通电动机相比，优化了总体设计，选用了高质量的铜绕组和硅钢片，降低了各种损耗，损耗下降了20%-30%，效率提高2%-7%；投资回收期一般为1-2年，有的短至几个月。 
　　2.2合理选用电动机类型。 
　　选择电动机类型除了满足拖动功能外，还应考虑经济运行性能。对于年运行时间大于3000h，负载率大于50%的场合，应选择YX系列高效率的三相异步电动机。与Y系列相比，其效率平均高3%，损耗降低20%一30%，虽然价格高于Y系列电动机，但从长期运行考虑，经济性还是明显的。 
　　同步电动机能提高企业电网的功率因数，降低供电线路损耗，但控制系统繁杂，价格较高。随着异步电动机制造水平的提高，新设备已很少采用。 
　　2.3合理选用电动机的额定容量。 
　　国家三相异步电动机3个运行区域作了如下规定：负载率在70%-100%之间为经济运行区；负载率在40%-70%之间为一般运行区；负载率在40%以下为非经济运行区。若电动机容量选得过大，虽然能保证设备的正常运行，但不仅增加了投资，而且它的效率和功率因数也都很低，造成电力的浪费。因此考虑到既能满足设备运行需要，又能使其尽可能地提高效率，一般负载率保持在60%一100%较为理想。对于负载率小于40%的三角形接法电动机可改为星型接法，以提高其效率。 
　　3.0电动机的节能改造 
　　电动机节能的原理是通过对电动机的电、磁、机械和通风的优化，优质材料及先进制造工艺的使用，并结合先进全面的试验及测试手段，切实有效地降低电动机的各方面损耗。 
　　3.1电动机Δ/Y改接降压，提高电机的功率因数及效率。 
　　异步电动机的总损耗中铜耗占总损耗的加20%～70%，铁耗占25%～30%，此两项是决定电动机效率的主要因素。锅耗随负载大小而变化，而铁耗与电源电压平方成正比。轻载时将电机绕组由Δ接改成Y接，则定子相电压降低为原来的l/ 倍，铁耗下降2/3，由于在轻负载时铁耗起主要作用，因此效率随铁耗的大大减小而提高。电动机轻载时：用Y接法损耗较小，但负载增加到某一数值以后，由于转子滑差加大较多，使转子及定子电流迅速增加，造成电动机损耗与Δ接法时相等，此时应将定子改为Δ接线，否则，负载继续增加将使损耗超过Δ接线，造成“倒节电”现象。 
　　异步电动机在轻负载率时降低电压运行是有利的，可以改善其功率因数和效率。当电动机负载率低于临界负载率βC（一般为35%一50%）时，由Δ接线切换为Y接线可以节电，尤其是处于极轻载时（如β<10%），Δ/Y改接运行能够更多提升效率，节能效果更明显。异步电机运行Δ/Y改接节能的方法简单易行，不额外消耗功率，对电流波形无影响。但转换时会产生冲击电流，不宜用于轻、重频繁变动的负载。 
　　3.2采用连续调速运行方式，提高电动机性能。 
　　为了取得最大经济效益，在选择电动机调速方法时，应根据运行设备的性能、容量大小、流量变化幅度、调速装置的效率、技术复杂程度、价格、维修难度程度、对电网的影响等诸多因素进行经济比较后，确定适用的调速方法。 
　　3.2.1调速方法 
　　1）高效调速方法是指在调速过程中，没有转差损耗或对转差损耗能够进行回收，如变极电动机调速、变频调速、串级调速等。该方法在调速过程中转差变化小，但是为了实现调速，在系统中增加了相应的装置，如变频调速的变频器及其控制回路，串级调速的整流装置、逆变装置、变压器等，它们都要消耗电能。但这些装置大都是电力电子元件，本身功耗很低，效率较高，在90%～95%之间。由于电动机的效率随负载降低而下降，而风机、水泵负载是转速3次方关系，因此电动机效率下降很多。整个调速装置效率随着转速的下降而降低，如变频装置在高速运行时的效率为90%左右，串级调速在高速运行时的效率为92%左右。 　　2）低效调速方法（有转差损耗调速方法） 
　　低效调速方法是指在调速过程中有转差损耗，如电磁调速电动机调速、调压调速、液力耦合器调速等。采用此种方法时，离心式风机、水泵的流量Q与转速n成正比；全压、扬程H与转速n的平方成正比；功率P与转速n的3次方成正比。在电动机的部分损耗忽略不计的情况下，有转差损耗调压方法的效率为 
　　η=（1-S）×100% 式中S—电动机的转差率。 
　　3.2.2变频调速 
　　在不同的工业领域中，变频调速装置具有精确、高效的特点，可满足用户的不同要求。变频调速结构简单，稳定可靠，调速精度高，启动转矩大，调速范围广，节能显著。变频器内部固有的软启动特性使得全部机组实现软启动，降低启动电流和对电网及机械的冲击，延长主设备的使用寿命。 
　　通常情况下，可以利用变频器+PLC的控制模式实现了电动机的节能运行，同时电动机从静止到旋转工作由变频器来启动，实现了软启动，避免了启动冲击电流和启动给空压机带来的机械冲击，降低了原系统噪音，减少了设备维修最等，该控制模式具有实用价值。 
　　由于变频器每kW的成本随着其功率增大而减小，因此变频调速装置的经济性也随着电机功率的增大而提高。一般来讲，变频调速装置回收期低于两年，有时低于一年。 
　　3.2.3液力耦合器 
　　对于一些调速精度要求不高，调速范围要求不宽，并且不频繁调速的绕线式电动机，如风机、水泵等设备的大中型绕线式异步电动机采用液力耦合器来调速效果显著。与变频调速、可控硅串级谰速相比，该方式更经济、可靠、实用，维护简单，虽调速时效率稍低，但功率因数高，且全速时效率高于变频调速，价格仅为变频调速的几分之一。 
　　液力耦合器以液体为介质传递功率，液力偶合器相当于离心泵和涡轮机的组合，当动力机通过输入轴带动泵轮转动时，充注在工作腔中的工作液体在离心力作用下，沿泵轮叶片流道向外缘流动，使液体的动量矩增大。当工作液体由泵轮冲向对面的涡轮时，工作液体便沿涡轮叶片流道做向心流动，同时释放能量并将其转化为机械能，驱动涡轮旋转并带动工作机做功。靠着液体的传动使动力机和工作机柔性地联接在一起。 
　　改变液力偶合器工作腔的充满度，便可以调节输出力矩和输出转速，充满度升高则输出转速升高，反之则降低，并可实现无级调速。其特点为属于无级调速，在液力偶合器输入转速不变的情况下，可以输出无级连续变化的、且变化范围很宽的转速，当转速变化较大时，与节流调节相比较，有显著的节能效果。空载起动时，电动机可以在空载或轻载下启动，减少对电网冲击，因而可选用容量较小的电动机及电控设备，减少设备的投资，降低起动电流。 
　　3.3采用新型节能风扇，降低电动机的机械损耗（风摩损耗）。 
　　机械损耗是轴承摩擦损耗和冷却风扇连同转子一起旋转时的风摩损耗之和，约占总损耗的5%～8%。在开启式低速电动机中，这些损耗是微小的，但是在大型高速电动机或全封闭风扇冷却型电动机中，这些机械损耗较大。2极电动机约占1/3，相当于电动机容量的3%；4极电动机约占电动机容量的1.5%，同时通风噪声也大。 
　　因此要大幅度提高风扇效率，应采用单方向旋转的风扇，如轴流式或后倾叶式的离心风扇，使叶片间的流道与主气流的形状比较适配。另外，配以合适形状的风罩，就可以使这两项的主要损耗显著降低。国际电工协会IEC推荐，高速异步电动机尽量优先采用单方向的电机冷却风扇。更换电动机的外风扇，将电动机的外风扇改为节能型，对于不同型号的电动机，有对应的节能型风扇产品可供选用。主要用于单方向运转的2极和4极电动机，改后可提高效率1.35%一2.55%。 
　　对于封闭外扇冷却的电机应推广使用轴流风扇。这是因为封闭式电机外风路的风阻较小，机座散热筋风沟内气流主要沿轴向，宜采用压头低，风量大的轴流式风扇，其效率高、噪声低，尤其是机翼型的叶片。另外，按比转速特性参数的大小来选择。当NS=90～300时，宜选用轴流式风扇；NS=15～100时，宜选用后倾叶片离心式风扇；根据实测核算，JO2系列22KW以上的异步电动机，其NS≤90，宜选用轴流式风扇，正好适用于高转速、低压头、大流量的电机。试验表明，2极电机的风扇外径缩小14%～16%，风摩损耗下降20%～30%，电机效率可提高0.2%左右。 
　　3.4采用磁性槽泥或槽楔改造低效电动机。 
　　电动机旋转时会周而复始地发生振荡，产生脉振铁耗。另外齿部表面的磁通在齿面扫动会产生表面铁耗，它的本质是高频涡流损耗和磁滞损耗，使铁心发热温度升高，这种空载附加损耗约占电机额定容量的0.5%～2.3%。 
　　应用磁性槽泥（低压中小功率电动机）和磁性槽楔改造（高压大功率电动机）对异步电动机进行节能改造，主要是消灭由电动机定子、转子槽齿效应产生的高频涡流损耗和磁滞损耗，从而起到节能的目的。 
　　用磁性槽泥填平电动机定子铁心槽口，以磁性槽泥代替原有的绝缘槽锲，使它减少定子、转子间磁阻的反复变化，亦即平伏磁通密度的脉振，减少齿簇磁通的扫描，以减少其空载附加损耗。磁性槽泥又使定子、转子间有效气隙减小，即使气隙磁阻减小，磁导率增大，从而减小电动机励磁电流，即减小了无功功率和空载铜损耗。 
　　实践证明，采用磁性槽泥或磁性槽锲对旧式电动机进行改造，其节能效果显著。虽然启动转矩会下降10%-20%，但很适应空载或轻载启动的电动机改造。由于气隙磁势波形的改善，从而减少了空载电流，改善了功率因数，降低了铁耗及温升，并减少了电磁噪声、振动，延长了电动机的使用寿命。 
　　3.5对电动机绕组改接，减少电动机的杂散损耗与铜损。 
　　通过改进电动机的绕组形式，可减少电动机的杂散损耗与铜损，提高电动机的效率。合适的绕组形式及槽配合，能够消弱电动机的高次谐波，提高基波分布系数，提高绕组利用率，改善电动机的电磁性能，从而达到减少部分附加损耗、有功损耗的目的。实践中采用以下方法对电动机绕组进行改造，可以收到很好的节电效果。 　　1）改同心绕组为等距链形绕组或叉式链形绕组。 
　　将同心绕组为等距或叉式链形绕组后，由于其平均跨距比同心式绕组小，所以导线少，导线的有功损耗也就小，而导线把端部长度缩短后，漏磁场影响亦减小，因此其杂散损耗亦相应减少。 
　　2）改单层绕组为双层绕组 
　　因双层绕组产生的磁势波形比单层绕组产生的磁势波形更接近于正弦波，其产生的杂散损耗也就比单层绕组少，且改后的电动机的电磁性能，起动性能都比单层绕组电动机有所提高，故可将单层绕组的电动机改为双层绕组的电动机，以达到降低损耗之目的。 
　　3）缩小定子绕组的端部长度 
　　定子绕组端部损耗约占电动机绕组总损耗的25%～50%。因此减少绕组端部长度，即可节约铜材，又可降低定子铜损。据测试，定子绕组端部长度减少20%，电动机效率可提高1.5%，为此设计绕线模时，应尽可能使绕线模端部尺寸短一些。 
　　3.6对定子绕组重绕，降低老电机损耗。 
　　1）老电机定子绕组的重绕 
　　对于老电机产品，定子绕组重绕时，如按导线总截面积不变的原则去选择代用导线时，由于槽内绝缘变薄，会使槽满率大大降低，虽然嵌线容易，但会带来不良后果。因此，老电机电子重绕时，应加粗导线线径。由于电阻减小，会使铜耗降低，经计算加粗导线后，电机效率可提供1.5%～4%。 
　　2）以铜线代替铝导线的重绕 
　　过去极小数电动机曾采用铝导线，现在都改应改成铜导线重绕，一般可遵循保持定子铜损不变原则，即 
　　式中：dcu，dAl-表示裸铜导线和裸铝导线直径，mm； 
　　ρcu，ρAl-表示铜导线和铝导线的电阻率，Ωm。 
　　3）提高电机绝缘等级 
　　老电机为A级绝缘，目前中小电机基本上为E级绝缘，随着电机制造水平的提高，有必要把E级绝缘改为B级绝缘。这样电机寿命延长了，电机安全可靠运行有了保障。另外，提高电机绕组绝缘等级可以显著降低通风损耗，如由E级绝缘提高到B级，允许提高温升5℃，可减少外冷却风量20%左右，通风损耗将减半[Pf∝V3≈（0.8）3≈50%]。而由E级提高到F级，允许提高温升25℃，风量几乎可以减半，通风损耗降低更为显著，仅是原来风耗的12.5%[Pf∝V3≈（0.5）3≈12.5%]。 
　　4.0结束语 
　　在我国电动机的实际应用中，由于设计余量、电机选型等方面的原因，电动机经常处于低负荷运行状态，系统能效非常低，从节能降耗和工艺的要求上，均需要提高电机效能。降低电动机损耗，提高其效率是一个系统工程，要从设计、材料、合理使用等方面努力。实际上，某些措施往往受到相互制约，例如：为了降低铜耗，设计时力求电阻最小，但它反过来会影响电机的技术性能；为了降低铁耗，一方面可增长铁心，降低磁通密度，但受到起动性能的限制，另外一方面可采用优质和薄型硅钢片作铁心，但又会引起材料成本和制造成本的增加。因此，在确定电动机节能改造方案时，要兼顾各方面的因素。