电机及其系统节能技术发展综述续

吨扎再柱刊应用２００８，３５（１１）综述ｓＥ哺ＣＡ！！＝！！＝！皇皇！！！！！暑鼍！皇！！皇！！！！！！！！！！苎！！！！！！！！！詈！！！！！！皇！！！！暑！！！！鼍！＝！！！！－－－－－－＿－－＿－－Ｔ苎电机及其系统节能技术发展综述（续）陈伟华，李秀英，姚鹏（上海电器科学研究所（集团）有限公司，上海２０００６３）摘要：介绍了目前电机系统节能中电机本体节能的产品及标准发展。

分析了几种节能电机及其驱动方式，同时分析了节能电机用于电机系统节能时应考虑的因素。

简单介绍了电机系统节能技术的发展动态。

关键词：电机；系统；节能中图分类号：Ｔ·１：ＴＭ３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２００８）１１－０００１－０５ＯｖｅｒｖｉｅｗｏｆＭｏｔｏｒＳｙｓｔｅｍＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣＨＥＮＷｅｉ－ｈｕａ，ＬＩＸｉｕ－ｒｉｎｇ，ＹＡＯＰｅｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＡｐｐａｒａｔｕｓＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｓｔａｎｄａｒｄｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌｅｎｅｒｇｙ·ｓａｖｉｎｇｍｏｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｄｒｉｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｗｈｉｃｈｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｆｏｒｍｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓｍｏｔｏｒｓｙｓｔｅｍｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｉｓｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｍｒ；ｓｙｓｔｅｍ；ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ３．２空载或轻载降压节能实际工作中大部分的电动机并不是满载运行，或不是始终满载运行，而是工作于满电压及负载较轻或负载波动频繁的状态，在满载运行的同时，也会有较大比例的轻载或空载运行时间。

在电动机满电压及轻载、空载时，定子电流有功分量大大减小，而励磁的无功电流基本不变（所以功率因数下降很多），在空载损耗中占很大比例的定子铁耗也基本不变，导致效率很低。

如果适当降低电压，可使励磁无功电流成比例下降，功率因数提高。

由于定子铁耗与电压的平方成正比，电压的下降，可使定子铁耗大量减少，使电机的运行效率有较大提高。

３．３变频调速节能３．３．１变频调速技术的发展电机驱动系统分为恒速和调速驱动系统两种。

调速驱动又可分为直流调速和交流调速。

近年来，交流调速中最活跃，发展最快的就是变频调速技术。

采用变频调速能实现无级调速，并保持良好的动态特性，同时交流电动机采用变频起动更能显著改善其起动性能，大幅降低起动电流，增加起动转矩。

由于交流电动机（主要是笼型感应电动机）相对于直流电机价格便宜，运行故障少，维修简单，使用场合不受限制，单机容量远大于直流电机，并且其调速性能可与直流调速系统技术相媲美，已在大部分领域取代了直流调速系统。

应用变频技术最早的目的主要是为了调速控制。

随着电力电子技术和控制技术的高速发展，变频调速已经能获得高精度的转速转矩控制，达到直流调速系统的调节精度。

笼型感应电动机比直流电机系统结构简单、重量轻、价格低、无换向器，运行可靠；控制电路比直流调速系统简单、易于维修；特别是对于特大容量和极高转速的负载，由于直流电动机换向器的换向能力限制了其容量和转速，而交流电动机则不受限制。

因此特大容量且对传动装置控制要求很高的传动，如大型钢板轧机、矿井卷扬机、聚乙烯压机等；再如转速极高的传动装置，如在化工和食品行业的离心机、高速搅拌机和高速磨头等，其动态性能要求较高，这些场合都以采用交流变频调速为宜。

３．３．２变频调速节能在风机、泵类负载上的应用除满足传动控制的调速要求外，变频调速技术还可用于节能。

目前用得最多的是对风机、泵类负载设备的调速节能。

一方面是因为风机、泵类系统约？肖耗了工业电动机用电的４０％；另一方面是由于风机、泵类负载的转矩与转速的平方成一１～万方数据综述；ＥＭ“迫扎与控制应田２００８，３５（１１）正比，在选型裕量过大和需减少风量（流量）时，变频调速的节能效果尤为显著；另外，在使用风机泵类设备的大部分场合，对变频调速的控制精度，动态性能要求不高，变频器的成本相对较低，控制较简单，便于推广。

最终用户在选用风机和泵类设备时，由于整个配套系统的裕量传递，往往会较大地超出实际需要，这是因为：风机、泵类生产厂要求配套电动机的额定输出功率按一定的裕度大于风机、泵类负载额定运行点的功率，而电机功率型谱是分档的，如选不到合适的型号时会选择上一档的产品（如电动机功率５５ｋＷ的上一挡就是７５ｋＷ），因此，裕度大２０％～３０％是很常见的；另外，最终用户往往把系统的最大风量（流量）和风压（水压、液压）的裕度（通常为１０％一１５％）作为选型的依据，而风机和泵类的功率型谱也是有限的，当选不到合适的型号时，也是选择大一个档的产品，同样造成较大的裕度。

设计裕度经过两阶段可能四因素的放大，将较大的超出额定风量（流量）的需求，极端情况可达到５０％以上。

除了设计裕度超出额定风量（流量）需求外，实际工艺对风量（流量）的需求也是变化的。

如发电厂的机组参与调峰，白天和黑夜负载变化频繁，其凝结水泵的流量也要求频繁变化；化工厂的冷却循环泵冬天和夏天需求流量差别很大等。

如果交流传动系统不调速，只靠调节风门、风道挡板的开度（或阀门的开度）来调节风机（泵）的风量（流量），而此时，电机的输入功率基本不变，会造成电能浪费。

对于水泵，采用调节阀调节时，由于阀门开度的减小，水泵出口的压力上升，阀门两边的压差增大，造成能量浪费的同时还易损坏阀门。

实际上，上述情况在各个行业非常普遍。

３．３．３风机、泵类负载变频调速节能的原理风机和泵类设备的机械特性为：Ｑ∞』ｖ：Ｈ∞Ｎ２；Ｔ∞Ｎ２；ＰＮ３；式中：Ｑ——风量（流量）；Ⅳ＿风机（泵）的轴速度；卜轴转矩；卜风压（水压）；一２一卜轴功率。

由于电机的转速Ｎ与电源频率成正比，改变频率即可改变Ⅳ，又由于Ⅳ与风量（流量）Ｑ成比例变化，因此可达到调节Ｑ的目的，而轴功率也１可大大减少。

如Ｎ’＝寺Ⅳ，则Ｑ’＝÷Ｑ，Ｐ’＝吉Ｐ，●二轴上功率仅为额定时的１２．５％，可节能（节电）８０％以上，这是理想状态，考虑到其他因素，如电动机在减速后，其效率将下降，但与其输出功率大幅下降相比，所消耗的电能仍有较大幅度下降。

也可用图３来说明风机、泵类设备变频调速的原理。

日也０Ｑ２ＱＩＱ图３风机、水泵风压（水压）弘风量（流量）Ｑ特性曲线图图３中：ｎ１为风机水泵在额定转速时的特性；ｎ２为风机水泵在ｎ：转速时的特性；Ｒ１为风机水泵管路阻力最小时的阻力特性；Ｒ２为风机水泵管路阻力增大到某一个数组时的阻力特性。

风机水泵在管路特性曲线Ｒｌ工作时，工况点为Ａ，其流量、压力分别为Ｑ。

、Ｈ。

，此时风机水泵所需的功率正比于日。

与Ｑ，的乘积，即正比于ＡＨ。

ＯＱ，的面积。

由于工艺要求，需减小风量（流量）到Ｑ：，实际上通过增加管网管阻，使风机水泵的工作点移到Ｒ２上的Ｂ点，风压（水压）增大到％，这时风机水泵所需的功率正比于％与Ｑ：的乘积，即正比于ＢＨ２０Ｑ：的面积，显然风机水泵所需的功率增大了。

这种调节方式虽然控制简单，但功率消耗大，不利于节能，是一种以高运行成本换取简单控制的方式。

若采用变频调速，风机水泵转速由ｎ。

下降到ｎ：，这时工作点由Ａ点移到Ｃ点，流量仍是Ｑ，，压力由Ⅳ，降到玛，这时变频调速后风机（水泵）所需的功率正比于岛与Ｑ：的乘积，即正比于万方数据迫扎再控制应用２００８，３５（１１）综述。

ＥＭＣＡＣ／／，ｏｑ：的面积，由图可见功率明显减少了。

３．３．４采用变频调速节能应考虑的因素值得注意的是，如非为了调速控制，是否采用变频调速方式来节能，要综合评估系统的总体节电效果，要根据系统的ＬＣＣ来决定。

应考虑的因素有：（１）采用变频调速系统本身增加的损耗量；因为变频器自身的损耗有３％～６％，在变频器供电情况下感应电机将增加损耗１％一２％，系统总损耗将增加４％一８％，系统节电量少于、等于或稍大于增加的损耗量都是不可取的；（２）究竟节电量达到多少应采用变频调速系统还要考虑采用变频器增加的购置成本及增加的维护成本；（３）节电量的计算要对负载系统做详尽的调查、分析和计算，总之，设备设计裕度越大，负载波动越大，电机空载时间越长，节电量越大。

４稀土永磁电动机稀土永磁材料的磁性能优异，它经过充磁后不再需要外加能量就能建立很强的永久磁场，用来代替传统电机的电励磁场。

稀土永磁电机效率高、结构简单，体积小、重量轻，既可达到传统励磁电机所无法比拟的高性能（如超高效、超高速、超高响应速度），又可制成能满足特定运行要求的特种电机，如电梯曳引电机、汽车专用电机等。

稀土永磁电机与电力电子技术、微机控制技术相结合，更将电机传动系统的性能提高到了一个崭新的水平。

在工业领域，作为驱动用的稀土永磁电机主要有异步起动高效永磁同步电动机、变频供电的永磁同步电动机等。

４．１异步起动高效永磁同步电动机永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁，可以提高功率因数，减少了定子电流和定子电阻损耗，且稳定运行时，没有转子铜耗，效率比同规格感应电动机高２％一８％。

永磁同步电动机重要的优异性能是：在２５％一１２０％额定效率范围内可保持较高的效率和功率因数，在轻载时节能效果更显著。

４．１．１抽油机用高效高起动转矩永磁同步电动机抽油机具有变化的负载特性，其上升时带负载，下降时基本为空载，且要求有较高的起动转矩。

以往使用三相笼型感应电动机作为抽油机电机时，由于起动转矩大，往往会出现“大马拉小车”的现象，如正常运行时最多需要３７ｋＷ的电机，但为了满足起动转矩的要求需选择５５ｋＷ甚至７５ｋＷ的电机。

由于感应电动机在额定负载点效率最高，在低负载率下效率和功率因数降低较多，因此即使是高效感应电动机，在实际运行时其效率也是很低的。

而高效高起动转矩永磁同步电动机可以替代大一个至两个功率等级的感应电动机，并可在整个运行过程中都保持高效率和高功率因数，节电率可达２０％。

４．１．２纺织化纤机械用高牵入转矩平滑起动高效永磁同步电动机纺织机械中如细纱机等，其负载特性是在一个周期内负载大小是单方向变化的，且负载转动惯量大，要求有较高的牵入转矩，但不能有太大的起动转矩，在设计上要满足牵人转矩和起动转矩的要求。

在宽负载变化范围内，永磁同步电动机所具有的高效率、高功率因数特性，对长期运行的纺织机械节能效果非常显著。

４．２变频器供电的永磁同步电动机变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置传感器闭环控制系统构成自同步永磁电动机，具有电励磁直流电动机类似的优异调速性能，又实现了无刷化，主要用于高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车等领域。