电机系统节能改造技术浅析
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P2 ——电动机的输出功率，kW；
PN ——电动机的额定功率，kW.
节电率计算公式为：
K——常数 当 m
k 1 k 时，效率达到最大，针对不同
2 (1 1
ห้องสมุดไป่ตู้r
K 2 ( 1 1 K0 ) K0
2 U
2 )( 1 1) K (1 KU )( 1 1)
电机系统节能改造技术浅析
彭旭东，饶 尧，邱泽晶，
(南瑞（武汉）电气设备与工程能效测评中心， 武汉 430074) 摘 要： 本文采用理论计算的方法， 对典型电机采用不同节能改造技术后所达到的节能效果进行了分析计算， 并进行对比分析， 得到了不同运行状态下，电机节能改造的最优方法及可产生的预期节能效果。 关键词：电机系统；工况；节能率；节能技术 TE0； V242.3 文献标识码： A 文章编号： 中图分类号： 2095-2104 （2012） 01-0020-02
针对上例中同样的运行工况，考虑变频器的运行 效率 95%，则变频技术可实现如下的节能效果： P100=15/0.88/0.95=17.94kW P70=15×0.73/0.88/0.95=6.154kW P50=15×0.53/0.88/0.95=2.243kW 则 全 天 用 电 量 为 ： E1=10×P70+6×P100+8×P50=187.124 kWh 针对上面的运行工况，对比于变阀改造技术，使 用变频或伺服技术可进一步实现节能率 44.1% 2.3 相控调压技术 由于电机在轻载或空载运行时，电机电流主要是 励磁电流，这时功率因数比额定负载时低[6]。相控电 机节电器就是通过测量负载的功率因数，在电机轻载 时通过降低电压、减少励磁电流，从而达到节能的目 的。从相控电机节电器的原理来说，节电主要是降低 电机在低负载时的空载损耗，因此，空载损耗所占比 例的大小就直接影响节电率的高低。 由于采取轻载调压节电主要是减少电机在轻载时 的功率损耗，从而提高电机效率[7]。由此可见，效率 越低，空载损耗越大的电机，采取调压节电的空间就 越大。 要取得最好的节能效果，必须有一个合理的调压 系数。不同负载率 P 下的调压系数由下式可以确定：
8）采用交流变频调速装置。 9）电动机系统的优化设计和实施。 上面提到了在生产生活中比较常见的九种电机系 统节能改造技术，本文针对其中应用较为广泛，节能 效果有一定争议的四种节能技术——变阀技术、变频 技术、相控调压技术和负荷优化运行技术进行对比分 析，给电机系统节能改造技术的合理应用提供一定的 依据。
的计算方法也有待进一步的优化，尚未形成统一有效 的工程实践计算方法。因此，对该课题进行更深入的 研究是非常必要的。
人工成 本投入 较大
参考文献
[1] 李杰. 带工频变压器的 PWM 恒流电源研究[D]. 华中科技 大学, 2009. [2]黄腾,王文辉,黄劲松. 风机泵类电动机节能技术分析[J]. 有 色冶金节能,2009(6):29-32. [3] 张 宗 桐 . 高 压 变 频 器 现 状 及 发 展 方 向 [J]. 电 世 界,2007(6):1-6. [4] 陈俊俊,孙继军. 电机最佳运行时效率和负荷率的时间研究 [J]. 冶金能源, 1998,17(3):48-50. [5] 汪书苹 , 盛明珺 ,胡丹. 风机泵类高压变频改造的节能分析 及计算方法[J]. 电力自动化设备, 2011,31(3):117-120. [6] 米建华 . “ 十一五 ” 电力能效影响因素分析 [J]. 中国电力企 业管理, 2006,23(4)：31-33. [7] 张 安 华 . 中 国 电 力 工 业 能 效 问 理 分 析 [J]. 中 国 能 源 , 2006,28(7):16-18. [8] 江南. 浅析合理选用负荷率提高电机效率的途径[J]. 江苏 冶金, 2008,36(增刊):81-82. [9] 尹应德 , 孙进旭 ,曹炎等 . 空调系统水泵变频改造节能效益 分析[J]. 建筑热能通风空调, 2005,24(5):44-48. [10] 张安华. 中国电力工业节能降耗影响因素分析[J]. 电力需 求侧管理, 2006, 8(6):1-4.
2 典型节能技术及效果分析
2.1 变阀技术 对风机水泵的改造特性研究主要包括：管路的特 性曲线及风机泵类的性能曲线[3]。 风机与泵的管路特性曲线由具体的管路系统自然 形成，具有固定性，管路曲线方程可表示为
1 电机系统节能技术介绍
当前节能市场上电动机系统节能[2]的主要技术措 施有以下几种： 1） 对于需要进行流量和风量调节的场合， 采用管 路系统的阀门控制技术。 2） 对长期连续运行场合， 采用高效率电动机或超 高效率电动机。 3） 对需有级改变风量和流量的风机水泵， 采用风 机水泵专用的变极多速电动机。 4） 对需特高起动转矩的长期运行场合， 采用高起 动转矩的永磁电动机。 5） 对于经常在空载或轻载工况运行的电机， 采用 相控调压节电器。 6）采用电动机就地无功补偿。 7）采用正确的电动机修理技术。
H H 0 KQ 2
其中，H 为管路压力，Q 为流量，K 为常数， H 0 为静压力值。 在保证风机水泵效率不变的情况下，风机泵类的 性能曲线可表示为
H cQ 2
其中 Q 为流量，H 为管路压力，c 为常数 根据管路曲线方程和性能曲线方程可得下图：
图 1 管路特性曲线
当转速由 n0 变化为 n1 时， 管路特性由 n0 曲线变 化为 n1 曲线，当阀门开度减小时，风机特性曲线由 R1 变化为 R2。 当管路阀门开度减小时，若风机转速保持不变， 则风机的运行点由 A1 移动到 A2，管路流量减小，但 管路压力增大。 当阀门开度不变， 风机转速由 n0 下降 到 n1 时，则风机运行点由 A1 移动到 A2，管路流量 减小，同时管路压力也减小了。 根据以上分析可看出，采用阀门控制技术与变频 技术， 均可以获得一定的节能效果， 但运用变频技术， 在保护管路安全、延长使用寿命方面也起到了良好的 作用[4]。在设备处于低负荷运行状态时，在减少管路 流量的情况下，变频技术的运用减小了风机转速，降 低了管路压力，保护了管网。而运用阀门控制技术， 不能减小风机的转速，增加了管路压力，不利于管路 的长期运行。 根据风机（水泵）的运行特性，利用变阀技术可 实现如下的节能效果： 当电机的转速一定时，风量 Q 为 0 时，压力 H 为 1.4p.u（标么值，以额定值为基准） ；设曲线特 性为 H=1.4-0.4Q2， 额定风量时的风机轴功力： 15kW， 电动机的效率＝88%， 假设 P100 为 100%风量的功耗， P70 为 70%风量的功耗，P50 为 50%风量的功耗， 风 机每天 24 小时运行，其中 10 小时 70%工况，6 小时 100%工况，8 小时 50%工况。 P100=15/0.88 = 17.05kW P70=15×0.7×（1.4-0.4×0.72）/0.88 = 14.37kW P50=15×0.5×（1.4-0.4×0.52）/0.88 =11.08kW 则全天用电量为： E1=10×P70+6×P100+8×P50=334.64kWh 2.2 变频改造和伺服技术 可用于高压、低压电机系统改造，适用于需要频 繁调节流量的场所[5]，如风机、水泵、注塑机、压缩 机等， 其中高压电机节能效果 30%~40%， 低压电机节 能效果 15%~20% 流量、压力、功率与转速的关系：
K um 4
式中：
2 PN P0
K PN
PN ——电动机额定负载时的有功损耗，kW； P0 ——电动机的空载损耗，kW；
K——计算系数， K ( P0 PM ) PN ；
PM ——电动机的械损耗，kW；
——电动机的负载系数，
( P2 PN ) 100% ；
E P (
图 2 相控调压节能率曲线
2 0 .9 1) 6 15 ( 1) 6 2.045kWh 1 0.88
E 2.045 0.61% E 334.64
由上图可以看出，在风机负荷率达到 10%时，合 理的运用相控调压技术可使节能率达到 20%，但通常 情况下，电机的负荷率都超过了 50%，因此实际可实 现的节能效果很小，图中所示不超过 3%。 针对上面的运行工况，运用相控调压技术，对比 于变阀技术，不仅不能实现电机节能，甚至有可能增 加能源消耗[8]。 2.4 运行工况匹配技术 电机负载率 与效率 的关系[9]
图 3 电机效率曲线
由上图可以看出，在风机负荷率达到 50%~60% 时，电机的效率达到最高值，超过了额定的 88%，当 电机接近满载时，电机效率趋近额定效率 88%。尤其 是对于电机处于低负荷运行或启动状态时，通过运行 工况匹配，可有效提升电机的运行效率，实现节能效 果[10]。 针对上面的运行工况，运用工况匹配技术，对比 于变阀技术，在 100%负荷时，可实现电机效率的提 升 2%，节能率如下：
Analysis of the energy-saving technology in motor system
PENG XU DONG，Rao Yao，QIU Ze-jing
(Nari（WuHan）Electrical Equipment & Engineering Efficiency Evaluation Center, Wuhan 430074,China) Abstract: A theoretical calculation method was used in this paper to achieve the energy saving effect by applicating different energysaving technology calculated on a typical motor. The optimal method of electrical energy and the expected energy-saving effect was found by comparing analysis under different operating conditions. Keywords: motor system; working condition; rate of energy-saving; energy-saving technology
节能率=
2.5 结论 通过对以上不同节能技术节能原理与节能效果的 分析， 可得出不同节能技术所适用的范围与节能效果， 如下表所示：
c c k (1 c ) / (1 c )(1 k )
式中：
——电机负载率
c ——电机额定效率
表 1 电机系统节能改造技术总结 序 号 技术 方案 试用条件 可用于高、低压电机系 1 变阀 技术 统改造，适用于需要定 量调节，如风机、水泵 等 变频 调速 2 和伺 服技 术 可用于高压、低压电机 系统改造，适用于需要 频繁调节流量的场所， 压缩机等 可用于高压、低压电机 相控 3 调压 技术 系统改造，适用于负荷 率、功率因数较低，负 载变化较大且速度恒定 的场所，如机床、输送 带等 解决电机额定功率与手 动设备运行功率不匹配 问题，适用于高压、低 压电机系统“大马拉小 车”的改造，如风机、 水 电机 与拖 动设 4 备、 运行 工况 匹配 技术 泵、车床等 解决重载或大惯量设备 要求启动转矩大、效率 低的问题，适用于高启 动转矩且常处于空载、 轻载的场合，如冲床、 搅拌机、 磨机、 抽油机、 注塑机等 解决拖动设备效率低或 输出与需求不匹配造成 系统效率低的问题，适 用于压力过大、扬程过 高或流量过大的场所， 如风机、水泵等 节电率为 10%~30%， 投资回收 期一般在 1-2 年 节电率 5%~15%， 投资回收 期一般在 1-3 年 在电机 启动时 有保护 电机的 作用 节电率 3%~4%， 投 资回收期 一般在 2-4 年 节电率 2%， 投资回 收期一般 在 3 年左右 节电率 10%~50%， 投资回收 年左右 具有保 护管路 的作用 节电率 10%左右 节电效果 备注
的电机，k 值各不相同 仍以上面的电机系统为例，k=0.25，c 88% ， 可得出负载率与电机效率的关系曲线如下：
——电动机的负载系数
KU ——相控调压系数
——电动机的运行效率
K ——计算系数
K 0 ——空载损耗占额定功率的比例
仍以上面的风机系统为例，铭牌参数如下： P=15kW，η=88%，计算系数 K=0.25，空载损耗占额 定功率的比例 K 0 =0.038， 按上面的节能率计算公式可 得节能率与相控调压系数的关系图如下：
0 引言
随着国民经济的进一步发展，能源的节约与利用 受到了高度的重视。电机系统所消耗的能源超过了全 国总用电量的 60%，同时当前市场上也涌现出了大量 针对电机系统的节能改造技术，实际所能获得的节能 效果也有较大差异[1]。 针对当前电机系统节能改造鱼龙混杂情况，本文 选取了四个典型的电机系统节能改造技术进行了深入 的分析研究。
PN ——电动机的额定功率，kW.
节电率计算公式为：
K——常数 当 m
k 1 k 时，效率达到最大，针对不同
2 (1 1
ห้องสมุดไป่ตู้r
K 2 ( 1 1 K0 ) K0
2 U
2 )( 1 1) K (1 KU )( 1 1)
电机系统节能改造技术浅析
彭旭东，饶 尧，邱泽晶，
(南瑞（武汉）电气设备与工程能效测评中心， 武汉 430074) 摘 要： 本文采用理论计算的方法， 对典型电机采用不同节能改造技术后所达到的节能效果进行了分析计算， 并进行对比分析， 得到了不同运行状态下，电机节能改造的最优方法及可产生的预期节能效果。 关键词：电机系统；工况；节能率；节能技术 TE0； V242.3 文献标识码： A 文章编号： 中图分类号： 2095-2104 （2012） 01-0020-02
针对上例中同样的运行工况，考虑变频器的运行 效率 95%，则变频技术可实现如下的节能效果： P100=15/0.88/0.95=17.94kW P70=15×0.73/0.88/0.95=6.154kW P50=15×0.53/0.88/0.95=2.243kW 则 全 天 用 电 量 为 ： E1=10×P70+6×P100+8×P50=187.124 kWh 针对上面的运行工况，对比于变阀改造技术，使 用变频或伺服技术可进一步实现节能率 44.1% 2.3 相控调压技术 由于电机在轻载或空载运行时，电机电流主要是 励磁电流，这时功率因数比额定负载时低[6]。相控电 机节电器就是通过测量负载的功率因数，在电机轻载 时通过降低电压、减少励磁电流，从而达到节能的目 的。从相控电机节电器的原理来说，节电主要是降低 电机在低负载时的空载损耗，因此，空载损耗所占比 例的大小就直接影响节电率的高低。 由于采取轻载调压节电主要是减少电机在轻载时 的功率损耗，从而提高电机效率[7]。由此可见，效率 越低，空载损耗越大的电机，采取调压节电的空间就 越大。 要取得最好的节能效果，必须有一个合理的调压 系数。不同负载率 P 下的调压系数由下式可以确定：
8）采用交流变频调速装置。 9）电动机系统的优化设计和实施。 上面提到了在生产生活中比较常见的九种电机系 统节能改造技术，本文针对其中应用较为广泛，节能 效果有一定争议的四种节能技术——变阀技术、变频 技术、相控调压技术和负荷优化运行技术进行对比分 析，给电机系统节能改造技术的合理应用提供一定的 依据。
的计算方法也有待进一步的优化，尚未形成统一有效 的工程实践计算方法。因此，对该课题进行更深入的 研究是非常必要的。
人工成 本投入 较大
参考文献
[1] 李杰. 带工频变压器的 PWM 恒流电源研究[D]. 华中科技 大学, 2009. [2]黄腾,王文辉,黄劲松. 风机泵类电动机节能技术分析[J]. 有 色冶金节能,2009(6):29-32. [3] 张 宗 桐 . 高 压 变 频 器 现 状 及 发 展 方 向 [J]. 电 世 界,2007(6):1-6. [4] 陈俊俊,孙继军. 电机最佳运行时效率和负荷率的时间研究 [J]. 冶金能源, 1998,17(3):48-50. [5] 汪书苹 , 盛明珺 ,胡丹. 风机泵类高压变频改造的节能分析 及计算方法[J]. 电力自动化设备, 2011,31(3):117-120. [6] 米建华 . “ 十一五 ” 电力能效影响因素分析 [J]. 中国电力企 业管理, 2006,23(4)：31-33. [7] 张 安 华 . 中 国 电 力 工 业 能 效 问 理 分 析 [J]. 中 国 能 源 , 2006,28(7):16-18. [8] 江南. 浅析合理选用负荷率提高电机效率的途径[J]. 江苏 冶金, 2008,36(增刊):81-82. [9] 尹应德 , 孙进旭 ,曹炎等 . 空调系统水泵变频改造节能效益 分析[J]. 建筑热能通风空调, 2005,24(5):44-48. [10] 张安华. 中国电力工业节能降耗影响因素分析[J]. 电力需 求侧管理, 2006, 8(6):1-4.
2 典型节能技术及效果分析
2.1 变阀技术 对风机水泵的改造特性研究主要包括：管路的特 性曲线及风机泵类的性能曲线[3]。 风机与泵的管路特性曲线由具体的管路系统自然 形成，具有固定性，管路曲线方程可表示为
1 电机系统节能技术介绍
当前节能市场上电动机系统节能[2]的主要技术措 施有以下几种： 1） 对于需要进行流量和风量调节的场合， 采用管 路系统的阀门控制技术。 2） 对长期连续运行场合， 采用高效率电动机或超 高效率电动机。 3） 对需有级改变风量和流量的风机水泵， 采用风 机水泵专用的变极多速电动机。 4） 对需特高起动转矩的长期运行场合， 采用高起 动转矩的永磁电动机。 5） 对于经常在空载或轻载工况运行的电机， 采用 相控调压节电器。 6）采用电动机就地无功补偿。 7）采用正确的电动机修理技术。
H H 0 KQ 2
其中，H 为管路压力，Q 为流量，K 为常数， H 0 为静压力值。 在保证风机水泵效率不变的情况下，风机泵类的 性能曲线可表示为
H cQ 2
其中 Q 为流量，H 为管路压力，c 为常数 根据管路曲线方程和性能曲线方程可得下图：
图 1 管路特性曲线
当转速由 n0 变化为 n1 时， 管路特性由 n0 曲线变 化为 n1 曲线，当阀门开度减小时，风机特性曲线由 R1 变化为 R2。 当管路阀门开度减小时，若风机转速保持不变， 则风机的运行点由 A1 移动到 A2，管路流量减小，但 管路压力增大。 当阀门开度不变， 风机转速由 n0 下降 到 n1 时，则风机运行点由 A1 移动到 A2，管路流量 减小，同时管路压力也减小了。 根据以上分析可看出，采用阀门控制技术与变频 技术， 均可以获得一定的节能效果， 但运用变频技术， 在保护管路安全、延长使用寿命方面也起到了良好的 作用[4]。在设备处于低负荷运行状态时，在减少管路 流量的情况下，变频技术的运用减小了风机转速，降 低了管路压力，保护了管网。而运用阀门控制技术， 不能减小风机的转速，增加了管路压力，不利于管路 的长期运行。 根据风机（水泵）的运行特性，利用变阀技术可 实现如下的节能效果： 当电机的转速一定时，风量 Q 为 0 时，压力 H 为 1.4p.u（标么值，以额定值为基准） ；设曲线特 性为 H=1.4-0.4Q2， 额定风量时的风机轴功力： 15kW， 电动机的效率＝88%， 假设 P100 为 100%风量的功耗， P70 为 70%风量的功耗，P50 为 50%风量的功耗， 风 机每天 24 小时运行，其中 10 小时 70%工况，6 小时 100%工况，8 小时 50%工况。 P100=15/0.88 = 17.05kW P70=15×0.7×（1.4-0.4×0.72）/0.88 = 14.37kW P50=15×0.5×（1.4-0.4×0.52）/0.88 =11.08kW 则全天用电量为： E1=10×P70+6×P100+8×P50=334.64kWh 2.2 变频改造和伺服技术 可用于高压、低压电机系统改造，适用于需要频 繁调节流量的场所[5]，如风机、水泵、注塑机、压缩 机等， 其中高压电机节能效果 30%~40%， 低压电机节 能效果 15%~20% 流量、压力、功率与转速的关系：
K um 4
式中：
2 PN P0
K PN
PN ——电动机额定负载时的有功损耗，kW； P0 ——电动机的空载损耗，kW；
K——计算系数， K ( P0 PM ) PN ；
PM ——电动机的械损耗，kW；
——电动机的负载系数，
( P2 PN ) 100% ；
E P (
图 2 相控调压节能率曲线
2 0 .9 1) 6 15 ( 1) 6 2.045kWh 1 0.88
E 2.045 0.61% E 334.64
由上图可以看出，在风机负荷率达到 10%时，合 理的运用相控调压技术可使节能率达到 20%，但通常 情况下，电机的负荷率都超过了 50%，因此实际可实 现的节能效果很小，图中所示不超过 3%。 针对上面的运行工况，运用相控调压技术，对比 于变阀技术，不仅不能实现电机节能，甚至有可能增 加能源消耗[8]。 2.4 运行工况匹配技术 电机负载率 与效率 的关系[9]
图 3 电机效率曲线
由上图可以看出，在风机负荷率达到 50%~60% 时，电机的效率达到最高值，超过了额定的 88%，当 电机接近满载时，电机效率趋近额定效率 88%。尤其 是对于电机处于低负荷运行或启动状态时，通过运行 工况匹配，可有效提升电机的运行效率，实现节能效 果[10]。 针对上面的运行工况，运用工况匹配技术，对比 于变阀技术，在 100%负荷时，可实现电机效率的提 升 2%，节能率如下：
Analysis of the energy-saving technology in motor system
PENG XU DONG，Rao Yao，QIU Ze-jing
(Nari（WuHan）Electrical Equipment & Engineering Efficiency Evaluation Center, Wuhan 430074,China) Abstract: A theoretical calculation method was used in this paper to achieve the energy saving effect by applicating different energysaving technology calculated on a typical motor. The optimal method of electrical energy and the expected energy-saving effect was found by comparing analysis under different operating conditions. Keywords: motor system; working condition; rate of energy-saving; energy-saving technology
节能率=
2.5 结论 通过对以上不同节能技术节能原理与节能效果的 分析， 可得出不同节能技术所适用的范围与节能效果， 如下表所示：
c c k (1 c ) / (1 c )(1 k )
式中：
——电机负载率
c ——电机额定效率
表 1 电机系统节能改造技术总结 序 号 技术 方案 试用条件 可用于高、低压电机系 1 变阀 技术 统改造，适用于需要定 量调节，如风机、水泵 等 变频 调速 2 和伺 服技 术 可用于高压、低压电机 系统改造，适用于需要 频繁调节流量的场所， 压缩机等 可用于高压、低压电机 相控 3 调压 技术 系统改造，适用于负荷 率、功率因数较低，负 载变化较大且速度恒定 的场所，如机床、输送 带等 解决电机额定功率与手 动设备运行功率不匹配 问题，适用于高压、低 压电机系统“大马拉小 车”的改造，如风机、 水 电机 与拖 动设 4 备、 运行 工况 匹配 技术 泵、车床等 解决重载或大惯量设备 要求启动转矩大、效率 低的问题，适用于高启 动转矩且常处于空载、 轻载的场合，如冲床、 搅拌机、 磨机、 抽油机、 注塑机等 解决拖动设备效率低或 输出与需求不匹配造成 系统效率低的问题，适 用于压力过大、扬程过 高或流量过大的场所， 如风机、水泵等 节电率为 10%~30%， 投资回收 期一般在 1-2 年 节电率 5%~15%， 投资回收 期一般在 1-3 年 在电机 启动时 有保护 电机的 作用 节电率 3%~4%， 投 资回收期 一般在 2-4 年 节电率 2%， 投资回 收期一般 在 3 年左右 节电率 10%~50%， 投资回收 年左右 具有保 护管路 的作用 节电率 10%左右 节电效果 备注
的电机，k 值各不相同 仍以上面的电机系统为例，k=0.25，c 88% ， 可得出负载率与电机效率的关系曲线如下：
——电动机的负载系数
KU ——相控调压系数
——电动机的运行效率
K ——计算系数
K 0 ——空载损耗占额定功率的比例
仍以上面的风机系统为例，铭牌参数如下： P=15kW，η=88%，计算系数 K=0.25，空载损耗占额 定功率的比例 K 0 =0.038， 按上面的节能率计算公式可 得节能率与相控调压系数的关系图如下：
0 引言
随着国民经济的进一步发展，能源的节约与利用 受到了高度的重视。电机系统所消耗的能源超过了全 国总用电量的 60%，同时当前市场上也涌现出了大量 针对电机系统的节能改造技术，实际所能获得的节能 效果也有较大差异[1]。 针对当前电机系统节能改造鱼龙混杂情况，本文 选取了四个典型的电机系统节能改造技术进行了深入 的分析研究。