电机驱动系统的节能

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1、电机驱动系统的节能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7080%。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

2、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 6070，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。异步电动机的效率和功率因数与负载率的关系如表4-3所示。负载率空载25%50%75%100%功率因数0.20.50.770.850.89效率078%85%88%87.552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

3、品：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；开关磁阻电机系列，是高技术的机电一体化产品，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；中小型永磁同步电动机系列，使电机力能指标提咼5%7%,效率提咼1. 5%2.5%；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。咼效率YX系列电动机比Y系列电动机效率提咼3 %左右，损耗可降低20 %- 3 0 %，功率因数有所提高，起动力矩提高3 0%，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3 0%，一般情况下，增加的投资费用能 在1 3年内收回。

4、J02、JO3系列小型异步电动机及JD02、JDO3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

5、，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。表 4-4 根据负荷特点选取和改进电动机的使用条件的措施序 号负荷特点可采用措施1长期稳定运行的恒转矩负荷，负载率较高核实负荷后，选用高效节能型电机2长期稳定运行的恒转矩负荷，负载率低核实负荷后，更换容量与负荷匹配的 高效节能电机或轻载降压运行3呈季节性变化的长期运行负荷，如 纺织空调风机采用多级变速电动机或将原电动机改 成AY转换接线，轻载时降压运行4按平方关系递减转矩的随转速变化 的负荷，如风机、水泵等选用高转差率电机，采用调速方式运

6、行5经常运行的周期负荷，如机床等选用短期工作制电动机，采用串联自饱和电抗器或换用轻载节能电机6起动转矩大、运行转矩较低的负荷核实负荷后，采用负荷跟随控制器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。具体补偿方法可参照本章第三节相关内容。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

7、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AY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,励 磁电流降为原来的 ，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,

8、改Y形接线后工作 电流不降甚至增大，就只能采用形接线。AY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AY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AY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1520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

9、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，从而达到节电目的。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，同时发展液力偶合器、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s均可达到改变转

10、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、

11、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，特性平滑，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7 0%90%的生产机械上，但晶闸管串级调

12、 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。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式 有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种，以晶闸管调压方式为最 佳。调压调速线路简单，易实现自动控制，但效率较低，增加额外功率损耗，一 般适用于10 0KW以下的生产机械。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、

13、短时低速运行的生 产机械。液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作 轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转 时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮 时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的 动力传输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就 可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速。液力耦合器调速方法功率适应范围 大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要，结构简单，工作可靠，使用 及维修方便，且造价低、尺寸小、控制调节方便，容易实现，适用于风机、水泵 的调速。