电动机的节电技术分析

关于电动机节电的技术分析

电机班——姚驰宇

电动机作为将电能转化为机械能的一种转换装置，在各个领域得到了广泛应用，电动机消耗的电能约占全国总用电60%～70%。电动机节电应以节约用电和提高电动机的综合效益为原则，合理选择并控制电动机的运行，使其处于经济运行状态，另外，对电动机进行节能改造，降低电动机的能量损耗，从而提高电动机的运行效率。

第一部分 电动机的能量损耗

电动机能量损耗主要包括恒定损耗、负载损耗及杂散损耗。

1.恒定损耗

恒定损耗是指电动机运行时的固有损耗，它与负载电流大小无关，包括铁芯损耗和机械损耗。

（1）铁心损耗Fe P （含空载杂质损耗），主要指主磁场在电动机铁心中交变所引起的涡流损耗和磁滞损耗，其大小取决于组成电动机的铁心材料、频率及磁通密度，与输入电压U 的平方成正比。铁耗一般占异步电动机总损耗的20%～25%。

（2）机械损耗fW P ,通常包括轴承摩擦损耗及通风系统损耗，对于绕线式转子还存在电刷摩擦损耗。轴承摩擦损耗正比于转速的平方，通风损耗正比于转速的三次方。机械损耗一般占总损耗的10%～50%。

2.负载损耗

负载损耗主要是指电动机运行时，转子、定子绕组通过电流而引起的损耗，包括定子铜耗1Cu P 和转子铜耗2Cu P ，其大小取决于负载电流及绕组电阻值，铜耗约占总损耗的20%～70%。

3.杂散损耗（附加损耗）

杂散损耗s P 主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其他金属部件内所引起的损耗，杂散损耗约占总损耗的10%～15%。 第二部分 电动机的经济运行

1.电动机经济运行

电动机经济运行是指电动机在满足生产机械运行要求时，以节能和提高综合经济效益为原则，选择电动机类型，运行方式及功率匹配，使电动机在效率高、损耗低、经济效益最佳状态下运行。

2.效率特性

电动机的效率与输出功率2P 之间的关系称为效率特性，它是异步电动机的一个重要性能指标。

效率等于输出功率2P 与输入功率1P 之比，即

P

P P P P ∑+==2212η ， fW Fe s Cu Cu P P P P P P ++++=∑21 （2-1） 其中，铁损耗Fe P 和机械损耗fW P 基本不变称为固定损耗；定子损耗1Cu P 、转子损耗2Cu P 和杂散损耗s P 随负载变化称为可变损耗。当固定损耗和可变损耗相等时，电动机的效率最高，此时电动机的负载率为经济负载率。

由以上分析可知，异步电动机的功率因数和效率都是在额定负载附近达到最大值，因此选用电动机时，应使电动机容量与负载容量相匹配，若电动机容量选择过大，电动机长期处于轻载运行，投资、运行费用高，不经济。电动机容量选择过小，将使电动机过载而造成发热，影响其寿命，甚至损坏。

第三部分 节电方法

1.降压法节电

1.基本原理

由前面的理论可知，当电动机的固定损耗和可变损耗相等时，其效率为最高，此时的电动机的负载率为经济负载率。电动机在低负载率运行时，可利用降低电源电压的方法降低电动机的损耗。

电源电压降低后，将对电动机的各种损耗产生影响。

设电动机的额定电压为N U ，降低电源后的电压为'U ， 则降压后铁心损耗为：2'

')(N Fe Fe

U U P P ≈ （2-2） 可见，降低电源电压后铁耗降低与电压的平方成正比。

降压后机械损耗为： 2')11(N

fW fW s s P P --≈ （2-3） 由于降压后转差率的变换小，可认为机械损耗变化不大，可以忽略不计。 电源降压后转子的有功电流近似为：'

'U U I I N W W = （2-4） 电源降压后的无功电流为：N Q Q

U U I I '

'= （2-5）

则电动机降压后的总电流为：2

'2''Q W I I I += （2-6） 降压后电动机的铜耗为：R I P Cu 2''==R U U I U U I N Q N W )(22

'22'22+ （2-7） 电压降低后，电动机的铜耗随电压降低的程度而变化，电压降低到合适的值时，铜耗也相应降低,由此可见在一定的条件下适当降低电源的供电电压可以减小电动机的总的有功损耗。

2.降压实现的方法

可以通过调节变压器的分节头、加装自藕变压器、电抗器、电容器可控硅调压器、电压自动调节装置等。

3.△--Y 转换节电法

△一Y 转换法即是通过检测电动机的负载率，当负载率低于一门限值时，将电动机的接线由三角形转换为星形接法，相当于将电动机的电源电压由380V 降低到220V ．此时铁耗下降2／3。由于电动机的转矩与电压的平方成正比，且转速基本不变，故电动机的最大输出功率降低到原来的l ／3。当负载率升高时，则转换为三角形接法，此时电动机由额定电压供电，输出功率恢复到额定值。这种转换方法为分级降压，只有两档，并且结构简单、可靠，无谐波电流对电网的污染和电机绕组杂散损耗的增加，特别适用高、低负载率交替工作的情况。

2.变频调速器节电法

1.变频调速器的原理

原理：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为某一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交一直一交方式。先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。

我们知道交流电动机的同步转速表达式为：

p

s f n )1(601-= （2-8） 变频调速器是通过改变供给电动机的电源频率来改变电动机的转速，其

中,1f 为供电电源的频率，p 为电动机的极对数，s 为转差率，因此，改变1f 可以改变电动机的转速。

2.变频调速器的应用

变频器节能主要的体现就是风机和泵。

风机、泵的控制：一般的风机、泵控制为交流电机工作在工频，按额定转速