浅议电机系统节能

    陈丛悦 孙立梅

    摘 要：电机是重要的驱动装置，是最大的耗电终端设备。我国电机系统运行效率较低，节能潜力巨大。电机节能是系统工程，涉及电机的全寿命周期，概括起来有电机高效节能设计、电机智能一体化、“双高”电机应用、多功率高效电机和专用电机选择、系统节能等方面。实施电机系统节能措施，应根据工况实际进行合理选择，实现最佳投资收益比。

    关键词：电机；系统；节能

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.166

    1 高效电机制造应用

    众所周知，电机进行电能机械能转换时，自身也有能量损耗，分为固定损耗、可变损耗和杂散损耗三部分。可变损耗（铜损）是随负荷变化的，包括定子电阻损耗、转子电阻损耗和电刷电阻损耗；固定损耗（铁损）与负荷无关，包括铁芯损耗和机械损耗，由磁滞损耗和涡流损耗组成，与电压的平方成正比，其中磁滞损耗还与频率成反比；其他杂散损耗包括轴承的摩擦损耗和风扇、转子等由于旋转引起的风阻损耗。一般情况下，铁损最高约占50%，铜损次之占20%，其他损耗约占30%。

    电机节能是系统工程，涉及电机的全寿命周期，包括电机的设计、制造、選型、运行、调节、检修和报废。电机系统节能措施，概括起来有电机高效节能设计、电机智能一体化、“双高”电机应用、多功率高效电机和专用电机选择、系统节能等方面。其中：采用优化设计技术、新材料技术、控制技术、集成技术、试验检测技术等现代电机设计技术，对降低电机损耗，提高电机效率起到关键作用。

    高效节能设计。包括：采用特殊的绕组形式（正弦绕组、不等匝绕组等），低损耗轴承，冷却风路与风扇设计；选择低损耗的冷轧硅钢片、稀土永磁材料、磁性槽契，减薄绝缘电磁线等材料；设计转子铜压铸工艺，定子线圈自动成形与无溶剂浸漆工艺，冲气隙与转子外圆不切削工艺，转子酸洗工和铁芯退火工艺等。

    电机智能一体机。集电机、变频器于一体，具有体积小、重量轻、变频方便、性能稳定，智能控制等优点，电机可根据负荷需求进行自我调速，节能降耗。广泛应用于风机、水泵、数控机床等，节能效果显著。

    “双高”（高效率、高功率因数）电机技术。一是减小异步电机的无功激磁电流，提高功率因数（cos∮>0.92）。二是滤除激磁电流的高次谐波，使电流趋于正弦波形，保证旋转磁场更趋圆形，显著减小电机谐波转矩，降低噪声。并且随着激磁电流波形改善，解决困扰电机的“轴电流”技术难题，提高电机轴承的可靠性。

    多功率电机。利用电动机自动检测技术，实现电机高、中、低多档功率输出自动变换。特别适用于油田抽油机、泵类传动、造纸行业等变动负载运行场合。

    专用电机。研究驱动负载特性，设计性能先进、运行可靠、价格合理的专用电机产品，以应对千变万化驱动负载，节能效果更加显著。如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20%。

    2 电机系统节能技术

    电机系统是通过电动机将电能转化为机械能，对拖动装置（如风机、水泵、压缩机、传送带等）做功，实现功能需求。由电动机、被拖动装置、传动系统、控制（调速）系统以及管网负荷等组成。电机系统节能要求在满足负载功能的情况下，合理选择匹配电机和系统，以最佳性价比实现综合节能效果。经常情况下，单一环节的提高效率，节能效果并不理想。

    高效电机节约电能△E可用下式表示：

    △E=（1/n0-1/nr）×Pn×H×Kz

    式中：n0、nr—一般电机与高效电机的效率；

    Kz—负荷率；

    Pn—电动机额定功率；

    H—年运行小时。

    以11kW、4极电机为例，普通电机效率为88%，高效率电机效率为91%，年运行时间为4000h，负荷率为0.75，采用高效率电机年节约电能为1234kWh。

    △E=（1/0.88-1/0.91）×11×4000×0.75=1234（kWh）

    （1）高效率电动机的替换。适用于负载率在50%以上、年运行时间长（一般超过3000小时）的恒定负载。以选用2级能效以上电机产品为佳。

    （2）无功补偿技术。适用于电机功率因数低、负载功率变化大，变化速度快、有谐波源且谐波污染高的电机系统集群，如钢厂、化工厂、机械加工厂等，综合节电率在4%左右。

    （3）调压节能技术。电机轻载情况下，通过降低输入电机端电压，使电机输出功率与负载精确匹配，有效降低电机损耗，实现效率提高。适用于负荷率低、功率因数低、负载变化较大的中小型异步电动机系统。如机床、输送带等，综合节电率一般为2～5%。

    （4）变频调速技术。用于高、低压电机系统改造，通过改变交流异步电动机供电电源频率，实现电机调速。适用于负荷变化较大、调节转速频繁工况，对于转矩转速二次方变化的风机、水泵负载，节能效果显著，综合节电率可达到10～50%，甚至更高。

    （5）变极调速技术。通过改变定子绕组接线方式，改变电机极数，实现改变电机转速目的，如YD、YDT系列等变极多速电机。适用于需定量调节流量且调节不频繁的工况，如某些风机、水泵类负载，由于环境条件（如季节、温度等）变化，要求相应调节流量，且调速精度要求不高。综合节电率可达到10～30%。

    （6）电机减容或增容增效技术。按实际运行工况、容量需求，重新设计制造，减小或增加电动机容量，实现与负载匹配输出，实现系统节能。适用于连续运行、负荷基本恒定、不调速、不频繁启动工况下，综合节电率15%左右。

    案例：一台额定功率为3500kW的高压电机，因产量增加需要增加电机功率，现对该电机进行增容改造，通过重新设计，采用减薄绝缘结构和真空浸漆工艺，可将电机额定功率提高到4000kW。若购置一台4000kW新电机，投资约80万元，而本方案只需投资20多万元。

    （7）电机高效再制造与节能。将低效电机通过重新设计，更换零部件等方法，再制造成高效率电机或适用于特定负载和工况的节能电机（如变极电机、变频电机、永磁电机等）。

    3 电机系统节能注意事项

    （1）高效电机简单替换。高效电机用于替代拖动转矩与转速平方成比例关系的设备时，转速的增加将导致电机输出功率（转矩）的增加，会削弱提高效率节能效果。

    例如：11kW、50Hz电机在相同应用工况下，不同效率变化时转速、转矩要求随能效等级的变化情况见表1。

    IE2电机与IE1电机相比，转速有所增加，虽然总效率提高了2.2%，但输入功率仅下降了0.485%。

    对于该类负载置换高效电机时，当工况对电机的输出转速变化没有要求时，如输送生活用水、室内空调等，采用高效电机其转速升高，流量增大，相应运行时间会适当缩短，节能效果较好。当工况对电机的输出转速變化有要求时，如工艺风机、工艺泵等，高效电机转速升高，可能会造成运行工况发生变化，此时宜慎重置换，可选用效率提高、但转速未提高的专用高效率电机，如YSE2系列电机。

    （2）“大马拉小车”情况。以功率需求39kW为例，将75kW电动机改为55kW以后，由表2中参数可知，其实际节省电量仅为0.21kW（41.76-41.55），并不是想象中的20kW（75-55）。因此，合理选择电机必须进行运行分析。

    （3）变频调速控制电机。普通电机改为变频调速时，由于变频器供电时过高的载波频率引起的起始放电电压会直接加载在电机的绕组接线端部，最常见的故障就是匝间绝缘破坏引起电机烧毁。还会在电机轴承处引起轴电压和轴电流，从而烧毁轴承。因此，变频调速控制时，宜选用专用变频调速电机。

    （4）变频调速应用工况。一般情况下，对于调节频繁且流量调节较大工况宜釆用变频速技术；调节较频繁但流量调节较小工况宜采用变频或调压调速；调节不频綮但流量调节较大工况宜采用多速电机；调节不频繁且流量调节较小工况宜采用调压或阀门调节等。

    另外，应用变频调速技术应进行技术经济分析。变频调速系统实现节能的同时，也存在自身损耗，其中：变频器损耗3～5%，变频供电时电机增加损耗1～2%，因此，采用变频调速后，系统总损耗将增加4～7%。同时，还需考虑变频器购置成本和系统维护成本等。