電動（dòng）機（jī）的節能概念

電動機在將電能轉換為機械能的時候，本身也消（xiāo）耗一部分能量（liàng）。這（zhè）些損耗一般可分（fèn）為繞組損耗、鐵芯損耗、風摩（mó）損耗和（hé）負載雜（zá）散損耗。電動機的效率是有效輸出功率與輸入功率之比。有效輸出功率是輸入功率與電動機本身功耗之差。有效（xiào）地減少自身功耗可以達到提高電動（dòng）機效率的目的。 
　　電動機節（jiē）能主要包括更新淘汰低（dī）效電（diàn）動機及高耗電設備；節能電動機概念和（hé）技（jì）術，合理匹配電動機（jī）係統，提高電（diàn）動機效率；以先進的（de）電力電子技術傳動方式改（gǎi）造傳統的機械方式，實現被拖動裝（zhuāng）置控製和設備製造；推廣軟啟動裝置、無功補償裝置、計算機自動控製係（xì）統技術（shù）、優化（huà）電動機係統的運行和控製（zhì）。 
　　提高電動機的（de）效率已成為（wéi）節能降耗、降低生產成（chéng）本的（de）重要（yào）手段，文章從分析（xī）電動機的選擇、啟（qǐ）動裝置、調速方式等方麵入手，介紹了電動機在選擇及使用過程中采用的各種節（jiē）能（néng）降耗方法。而其中的電動機耗能占總負（fù）荷90%以（yǐ）上，所以做好（hǎo）電動機運行的節能工作至關重（chóng）要。不但可以減少電費開（kāi）支，還可以挖掘配電係統的供電能力，有利（lì）於（yú）降低（dī）整個配電係統的電力損耗。 
　　2.0電動機的合理選型（xíng） 
　　2.1選用高效節能型電動機。 
　　高效電動機（YX、YX等係列（liè））通常指高效率三相（xiàng）異步電動機。效率水平（píng）能達到或超過電動機能效國家標準（zhǔn）（GB18613-2002）所規定的（de）節能評價值的電動機（jī）。能效限定值（zhí）是電（diàn）動（dòng）機最低效率允許值，是強製性指標（biāo）；節能評價值是高效電動機（jī）的認定值，是推薦性指標。 
　　下列情況下應該考慮選用高效電動機： 
　　1）在新上項目需要新的電動機時； 
　　2）舊電動（dòng）機損壞或電動機需要進行重繞時； 
　　3）在（zài）電動機長期運行於低負載或過負載狀態下需要更新電動機時。 
　　高效電動機與普通電動機相比，優化了總體設計，選用了高質量的銅繞組和矽鋼片，降低了各種損耗，損耗下降了20%-30%，效率提高2%-7%；投資回收期一般為（wéi）1-2年，有的短至幾個月。 
　　2.2合理選用電動機類型（xíng）。 
　　選擇電動機類型除了（le）滿足拖動功能外，還應考慮經濟運行（háng）性能。對於（yú）年運行時間大於（yú）3000h，負載率大於50%的場合（hé），應選擇YX係列高效（xiào）率的三相異步電動（dòng）機（jī）。與Y係列（liè）相比（bǐ），其效率平均（jun1）高3%，損耗降低20%一30%，雖然價格高於Y係列電動機，但從長期運行考慮（lǜ），經濟性還（hái）是明顯的。 
　　同（tóng）步電動機能提高企（qǐ）業電網的功率因數，降低供電線路損耗，但控製係統繁雜，價格較高。隨著異步電動機製造水平的提高，新設備已很少（shǎo）采（cǎi）用（yòng）。 
　　2.3合理選用電動機的額定容（róng）量（liàng）。 
　　國家三（sān）相異步電動機3個運行區域作了如下規定（dìng）：負載率在70%-100%之間為經濟運行區；負（fù）載率在40%-70%之間為（wéi）一般運行區；負載率在40%以下為非經濟運行區。若（ruò）電動機容量選得（dé）過大，雖然能保證設備的正常運行，但不僅增加了投資，而且它的效率和功率（lǜ）因數也都很低，造成電力的浪費。因（yīn）此考慮到既能滿足設備運行需要，又能使其盡可能地（dì）提高效率，一般負（fù）載率保（bǎo）持在60%一100%較為理想。對於負（fù）載率小於40%的三角形接法電動機可改（gǎi）為星型接法，以提高其（qí）效（xiào）率。 
　　3.0電動機的節能改造（zào） 
　　電動機節能的原理是通（tōng）過對電動機的電、磁、機械和通風的（de）優化，優質材料（liào）及先進製造工藝的使（shǐ）用，並結合先進全麵的試驗及測試手段，切實有效地降低電動機的各方麵損耗。 
　　3.1電動機（jī）Δ/Y改接降（jiàng）壓，提高電機的功率因數及效率。 
　　異步電動機的總損耗中銅耗（hào）占總損耗（hào）的加20%～70%，鐵耗占25%～30%，此（cǐ）兩項是決定電動機效率的主要因素。鍋耗隨（suí）負載大（dà）小而變化，而鐵耗（hào）與電源電壓平方成正（zhèng）比。輕載時將電機繞組由Δ接改成Y接，則定子相電壓降（jiàng）低為原來的l/ 倍，鐵耗下降（jiàng）2/3，由（yóu）於在輕負載時鐵耗起主要（yào）作用（yòng），因（yīn）此效率隨鐵耗的大大減小而提高。電動機輕載（zǎi）時（shí）：用Y接法損耗較小，但負載增（zēng）加到某一數值以後，由於轉子滑差（chà）加大（dà）較多，使轉子及定子電流迅（xùn）速增加，造（zào）成（chéng）電動機損耗與Δ接法時相等，此時應將定子改為Δ接線，否則（zé），負載繼續增加將使損耗超過（guò）Δ接線，造成“倒節電（diàn）”現象。 
　　異步電動機在輕負載率時（shí）降低電壓運行是有（yǒu）利的，可（kě）以改善其功（gōng）率因數和效率。當電動機負載率低於臨界負載率βC（一般為35%一50%）時，由Δ接線切換為Y接線可以節電，尤（yóu）其是處於極輕載時（shí）（如β<10%），Δ/Y改接運行（háng）能夠更多提升效率，節能效果更明顯。異步電機運行Δ/Y改接節能的方法簡單易行，不（bú）額外消耗功率，對電（diàn）流波形無影（yǐng）響。但轉換時會產生衝擊電流，不宜用於（yú）輕、重頻繁變動的負載。 
　　3.2采用連續調速運行方式，提高電動機性能。 
　　為了取得最大經濟效益，在（zài）選擇電動機（jī）調（diào）速方法時，應根據運行設備的性能、容量大小、流量（liàng）變化幅度、調速裝置的效率、技術（shù）複雜程度、價格（gé）、維（wéi）修難度程度、對電（diàn）網（wǎng）的影響等諸多因素進行經濟比較後，確定適用的調速方法。 
　　3.2.1調速方法（fǎ） 
　　1）高效調速方法是指在調速過程中，沒有轉差損耗或對轉差損耗能夠進行回收，如變極（jí）電動機調速、變頻調速、串級（jí）調（diào）速等。該方法在調速過程中轉差變化小，但是為了實現調速，在係統中增加了相應的（de）裝（zhuāng）置，如變頻調（diào）速的變頻器及其控製（zhì）回路，串級調速的整流裝置（zhì）、逆變裝置、變壓器等，它們都要消（xiāo）耗電能。但這些裝置大都是（shì）電力電子元件，本身功耗很低，效率較高，在90%～95%之間。由於電動機的效率隨負載降低而下（xià）降，而風機、水泵負載是轉速（sù）3次方（fāng）關係，因（yīn）此電動機（jī）效率下（xià）降很多（duō）。整個調速裝置效率隨著轉速的下降而降低（dī），如變頻裝置在高速運行（háng）時的效率為90%左右，串級調速（sù）在高速運行（háng）時的效率為92%左右。 　　2）低效調（diào）速（sù）方法（有轉差損耗（hào）調速方法） 
　　低效調速方法是指（zhǐ）在調速（sù）過程中有轉差損耗，如電磁調（diào）速電動（dòng）機調速、調壓調速、液（yè）力耦合器調速等。采用（yòng）此種方法時，離心式風機、水泵的流量Q與轉速n成正比；全（quán）壓、揚程（chéng）H與轉速n的平方成正比（bǐ）；功率P與轉速n的3次（cì）方成正比。在電動機的部分損耗忽略不計的情（qíng）況下，有轉差損耗調壓方法的效率（lǜ）為 
　　η=（1-S）×100% 式中S—電動機的轉差率。 
　　3.2.2變頻調速 
　　在不同的工業（yè）領域中，變頻調速裝置具（jù）有精（jīng）確、高效的特點（diǎn），可滿足用戶的不（bú）同要求。變頻調速結構（gòu）簡單，穩定可靠，調速精（jīng）度（dù）高，啟動轉（zhuǎn）矩大，調速範圍廣，節能顯著。變頻器內（nèi）部固有的軟啟動特性使（shǐ）得全（quán）部機組實現軟啟動，降低啟動電流和對電網及機械（xiè）的衝擊，延長主設備（bèi）的使用壽命。 
　　通常情況下（xià），可（kě）以利用變頻器+PLC的控製（zhì）模式實（shí）現了電動機（jī）的節（jiē）能運行，同時電動機從靜止到旋（xuán）轉工作由變（biàn）頻（pín）器（qì）來（lái）啟動，實現了軟啟動（dòng），避免（miǎn）了啟動衝擊電流和（hé）啟動（dòng）給空壓機帶來的機械衝擊，降低了原係統噪音，減（jiǎn）少了設備維修最等，該控製模式具有實用價值（zhí）。 
　　由（yóu）於（yú）變頻（pín）器每kW的成本隨著其功率增大而減小，因此變頻調速裝置的經濟性也隨著電機功率的增大而提高（gāo）。一般來講，變頻調速裝（zhuāng）置回（huí）收期低於兩年，有（yǒu）時低於一年。 
　　3.2.3液力耦合器 
　　對於一些調速精度（dù）要求不高，調速範（fàn）圍要求不寬，並且不頻繁調速的繞線式電動機，如（rú）風機、水泵（bèng）等設備的大中型繞線式異步電動機采用液力耦合器來（lái）調速效（xiào）果（guǒ）顯（xiǎn）著。與變頻調（diào）速、可控矽串級讕速相比，該方式更經濟、可（kě）靠、實用，維護簡單，雖調（diào）速時效率稍低，但功（gōng）率因數高，且全速時效（xiào）率高於變頻調速，價格僅為變頻調速的幾（jǐ）分之一。 
　　液力耦合器以液體為介質傳遞功率，液力偶（ǒu）合器相當於離心泵和渦輪機的組合，當動力機通過輸入軸帶動（dòng）泵（bèng）輪轉動時，充注在工作腔中的工作液（yè）體（tǐ）在離心力作用（yòng）下，沿泵輪葉片流（liú）道向外緣流動，使液（yè）體的動量矩（jǔ）增（zēng）大。當工作液（yè）體由泵輪衝向對麵的渦輪時，工作液體便沿渦輪（lún）葉片流道做向（xiàng）心流動，同時釋放能量並將其轉化為機械能，驅動渦輪旋轉並（bìng）帶動工作機做功。靠著液體的傳動使動力機（jī）和工（gōng）作（zuò）機柔性地聯（lián）接在一起。 
　　改變液力（lì）偶合器工作腔的充滿度，便可以（yǐ）調節輸出力矩和輸出轉速，充滿（mǎn）度升高則輸出轉速升高，反之則降低，並可實現無級（jí）調速（sù）。其特點（diǎn）為屬於無級調速（sù），在液力偶合器輸入轉速不變的情況下，可以輸出無級連續變化的、且變化範圍很寬（kuān）的轉速，當轉速變化較大（dà）時，與節流調節相比較，有顯著（zhe）的節能效果。空載起動時，電動機可以在空載或輕載下啟動（dòng），減少（shǎo）對電網（wǎng）衝擊，因而可選用容量較小的電動（dòng）機及電控設備，減（jiǎn）少設（shè）備的投（tóu）資，降低起動電（diàn）流。 
　　3.3采用新型節能風扇，降低電動機的機械損耗（風摩損耗）。 
　　機械損耗是軸承摩（mó）擦損耗和（hé）冷卻風扇連同轉子一起旋轉時的（de）風摩損耗之和，約占總損耗的5%～8%。在開啟式低速電動機中（zhōng），這些（xiē）損耗是微小的，但是在大型高速電動機或全封閉風扇（shàn）冷卻（què）型電動機中，這些機（jī）械損耗較大（dà）。2極電動機約占1/3，相當於電動機（jī）容量的3%；4極電動機約占電動機容量的1.5%，同時通風噪聲也大（dà）。 
　　因此（cǐ）要大幅度提高風扇效率，應采用（yòng）單方向（xiàng）旋轉的風扇，如軸流式或後傾（qīng）葉式的離心風扇，使葉片間的流道與主氣流的形狀比較適配。另外，配以合適形狀的（de）風（fēng）罩，就可以使這兩（liǎng）項的主要損耗（hào）顯著降低。國際電工協會IEC推薦（jiàn），高（gāo）速異步電動機盡量優（yōu）先采用單方向的電機冷卻（què）風扇。更換電動機的外風扇，將電動機的外風扇改為節能型，對於不同型號的電動機，有對應的節能型風扇產品可供選用。主要用（yòng）於單方向運轉的2極和4極（jí）電動機，改後可（kě）提高效率1.35%一2.55%。 
　　對於封閉外扇（shàn）冷卻的（de）電機應推廣使用軸流風扇。這是因為（wéi）封（fēng）閉式電機外風路的風阻較（jiào）小，機座散（sàn）熱筋風（fēng）溝內氣流主要沿軸向，宜采用壓頭（tóu）低，風量大的（de）軸流（liú）式風扇（shàn），其（qí）效率高、噪聲低，尤其是機翼型的葉片。另外，按比轉（zhuǎn）速特性（xìng）參數的大小來選擇（zé）。當NS=90～300時，宜選用軸流式風（fēng）扇；NS=15～100時，宜選用後傾葉片離心式風（fēng）扇；根據實測核算（suàn），JO2係列22KW以上的異步電動機，其NS≤90，宜選用軸流式風扇，正好適用於高轉速、低壓頭、大流（liú）量的電機。試驗（yàn）表明，2極電機的（de）風扇外徑縮小14%～16%，風摩損耗下降20%～30%，電機效率可提高0.2%左右。 
　　3.4采用磁性（xìng）槽泥或槽楔改造低效電動機。 
　　電動機旋轉時會周而複（fù）始地發生振蕩，產生脈振鐵耗。另外齒（chǐ）部表麵的磁通（tōng）在齒（chǐ）麵掃動會產生表麵鐵（tiě）耗，它的（de）本質是高頻渦流損耗和磁滯損耗，使鐵心發熱溫度升高，這種空載附加損（sǔn）耗（hào）約（yuē）占電機額定容量的（de）0.5%～2.3%。 
　　應用磁性槽泥（低壓中小功率電動機）和磁性槽楔改造（高壓大功率電動機）對異步電動機進行節（jiē）能改造，主要是消（xiāo）滅由電動機定子、轉子槽（cáo）齒（chǐ）效應產生的高頻渦流損耗和磁滯損耗，從而起（qǐ）到節能的目的。 
　　用磁（cí）性槽泥填平電動機定子鐵心槽口，以磁性槽泥代替原有的絕緣槽鍥，使它減少定（dìng）子、轉子間磁阻的反複變化，亦即平伏磁通密度的脈振，減少齒簇磁通的掃描，以減少其空載附加損耗。磁性槽泥又使（shǐ）定子、轉子間有效（xiào）氣隙減小，即使氣隙磁阻減小，磁導率增（zēng）大，從而減小電動機勵磁電流，即減小了無功功率和空載銅損耗。 
　　實踐證（zhèng）明，采用磁性（xìng）槽泥或磁性槽鍥對舊式（shì）電動機（jī）進行改造，其節能效果顯（xiǎn）著。雖然啟動轉矩會下降10%-20%，但（dàn）很適應空載或輕載啟動的電動機改造。由於氣隙磁勢波（bō）形的改善，從而減少了空（kōng）載電流，改善了（le）功率（lǜ）因數，降低了鐵耗及溫升，並減少（shǎo）了電磁噪聲、振動，延長了電動機的使用壽命。 
　　3.5對電動機繞組改接，減少電動機的雜散損（sǔn）耗與銅損。 
　　通過（guò）改進電（diàn）動機的繞組形（xíng）式，可減少電動（dòng）機的雜（zá）散損耗與銅（tóng）損，提高電動（dòng）機的效率。合適的（de）繞組形式及槽配合，能夠消弱電動機的高次諧波，提高基波分布係（xì）數，提高（gāo）繞組利用率，改善電動機的電磁性能，從而達到減少（shǎo）部分附加損耗、有功（gōng）損耗的目的。實踐中采用以（yǐ）下方法對電動機繞組進行改造，可以（yǐ）收（shōu）到很好的節電（diàn）效果。 　　1）改同心（xīn）繞組為等距鏈形繞組或叉（chā）式鏈形繞組。 
　　將同心繞組為（wéi）等（děng）距或叉式鏈（liàn）形（xíng）繞組後，由於其平均跨距比同心式繞組小，所以導（dǎo）線少，導線的有功損耗也（yě）就小，而導線把端部（bù）長度縮短後，漏磁場影響亦減小，因（yīn）此其雜散損耗（hào）亦相應（yīng）減少。 
　　2）改單（dān）層繞組為雙層繞組 
　　因雙層繞組產生的磁（cí）勢波形比單層繞組產生的磁勢波形更（gèng）接近於正弦波（bō），其產生的雜散（sàn）損耗也就比單層繞組少，且（qiě）改後的電動機的電磁性能，起動性（xìng）能都比單（dān）層繞組電動機有所提高，故可將（jiāng）單層（céng）繞組的電動機改為雙層繞組的電動機，以達到降低損耗之目的。 
　　3）縮小定子（zǐ）繞組的端部長度 
　　定子繞（rào）組端部損（sǔn）耗約占電動機繞組總損耗的25%～50%。因此減少繞組端部（bù）長（zhǎng）度，即可節約銅材，又可降（jiàng）低定子銅損。據測試，定子繞組端部長（zhǎng）度減少20%，電動機效率可（kě）提高1.5%，為此設（shè）計繞線模時，應盡（jìn）可（kě）能（néng）使繞線模（mó）端（duān）部尺寸短一些。 
　　3.6對定子繞組重繞，降低老電機損耗。 
　　1）老（lǎo）電機（jī）定子（zǐ）繞組的重繞 
　　對於老電機產品，定子（zǐ）繞組重（chóng）繞時，如按導線總截麵積不變的原則去選擇代用導線時，由於槽內絕緣變薄，會使槽（cáo）滿（mǎn）率大大（dà）降低，雖（suī）然嵌線容易，但會帶來不良後果。因此，老電機電子重繞時，應加粗導線線徑。由於電阻減小，會使銅耗降低，經計（jì）算加粗導線後，電機效率（lǜ）可提供1.5%～4%。 
　　2）以銅線代替鋁導線的重繞 
　　過去極小數電動機曾采用鋁（lǚ）導線，現在都改應改（gǎi）成銅導線重繞（rào），一般可遵循保持定子銅損不變原則，即（jí） 
　　式中：dcu，dAl-表示裸銅導線和裸鋁導線直徑，mm； 
　　ρcu，ρAl-表示銅導線和鋁導線的電阻率，Ωm。 
　　3）提（tí）高電機絕緣等（děng）級 
　　老電機為A級絕緣，目前中小電機基本上為E級絕緣，隨著電機製造水平的提（tí）高，有必要把E級絕緣改為B級絕緣。這樣電（diàn）機壽命（mìng）延長了，電機安全可靠運（yùn）行有了保（bǎo）障。另外，提高電機繞組（zǔ）絕緣等級（jí）可以顯著降（jiàng）低通風損耗，如由E級絕緣提高到B級，允許（xǔ）提（tí）高溫升5℃，可（kě）減少外冷卻風量20%左右，通風損耗將減半[Pf∝V3≈（0.8）3≈50%]。而由E級提高到F級，允許提高溫升25℃，風量幾乎可以減半，通風（fēng）損耗降低更（gèng）為顯著，僅是原來風耗的12.5%[Pf∝V3≈（0.5）3≈12.5%]。 
　　4.0結束語 
　　在我國電動機的實際應用中，由於設計（jì）餘量、電機選型等方麵的原因，電動機經（jīng）常處於低負荷運行狀態，係統能（néng）效非常（cháng）低，從節能降耗和工藝的（de）要求上，均需要提（tí）高（gāo）電機效（xiào）能。降低（dī）電動機損耗，提高其（qí）效率是一個係統工（gōng）程，要從設計、材料、合理使（shǐ）用等方麵（miàn）努力。實際上（shàng），某些措施往往受到相互製約，例如：為了降低銅耗，設計時力求電阻最（zuì）小，但它反過來會影響電機的技術性（xìng）能；為了降低鐵耗，一方麵可增長（zhǎng）鐵心，降低磁通密度，但受到起動性能的限製，另外一方麵可采用（yòng）優（yōu）質和薄型（xíng）矽鋼片作（zuò）鐵（tiě）心，但又會引（yǐn）起材料成本（běn）和製造（zào）成本的增加。因此，在確定（dìng）電動機節能改造方案時，要兼顧各方麵的（de）因素。