有哪些电机系统的节能措施？

电动机被广泛地应用于各个领域，电动机的用电量在世界各国的总用电量中都占有相当大的比重。在中国，电动机的用电量已经占到社会总用电量的60％以上。

为满足不同机械设备传动和动力的需要，我国小型电动机产品品种已发展到一百四十余个系列，六百多个品种，五千余个规格；广泛用于化工、石化及煤炭工业的小型防爆电动机已生产一百三十个系列、两千余个规格，其中02系列、Y系列、Y2系列和YX、YX2系列是中国电动机应用市场的主要组成部分。

根据中国电器工业协会电机分会的统计数据，2001年中国大、中、小型交流电动机市场总容量约为4.4万兆瓦，其中大型电动机占7.3％，中小型电动机占92.7％，小型电动机占总量的71.5％，中型电动机占总量的21.2％。在这些品种中，小型电动机是中国电动机市场的主导产品。

我国已具备生产高效电动机的技术条件(YX、YX2、Y2E等高效系列)，但由于市场条件不够成熟，产量和市场容量都较小。1998年高效电动机市场主要是出口美国符合NEMA标准的电动机，产量比例还不到2％。1999年高效电动机市场为2％；2000年为4.7％；2001年也只有6.5％。其中70％以上为出口，用于中国市场的产品很少。

电动机能效水平的提高对于节约能源、环境保护以及资金节约都具有重要意义。我国2001年实际发电量为1.5万亿千瓦时，其中约有50％的电能由电动机转换成机械能，因此，电动机的输入电能为7325亿千瓦时，如果电动机效率提高2％，就可节约146亿千瓦时的电能，相当于两个100万千瓦电站的年发电量，从而可以大大减少一次能源的消耗和二氧化碳的排放，并可相应节省电站建设的投资和电动机用户的电费支出，因此电动机能效水平的提高有着重要的社会意义和经济意义。

高效电机的节能

由于世界各国的电动机用电量都占到了其全国发电量的大部分，所以提高电动机的效率对节约电能意义重大。

那么，怎样才算是高效电动机呢？它的指标又是多少呢？在我国，人们通常所指的高效电动机是高效率三相异步电动机，也就是效率水平达到或超过国家标准所规定的节能评价值的电动机。其总损耗比Y系列电动机降低20％～30％，效率提高2％～3％。

在美国，按照美国“全国电气设备制造商协会标准”规定，高效电动机要比标准电动机效率提高2％～6％，损耗下降20％～30％。此外，美国还出现了超高效电动机，其效率高于上述标准的电动机0.8％～4％。

企业应用的异步电动机，依工作状况可分为频繁启动、间断工作和连续工作三类。为了提高电动机的运行效率，要尽可能使生产机械在各种状态下所需要的能量与电动机输入能量相等，有效利用电能。在设计制造部门，要设法降低电动机内部的功率损耗，提高电动机效率。功率和功率因数高是高效节能电动机的主要特点。

一般常规电动机的效率曲线是不平坦的，随负载的减小，效率降低幅度较大，使用中的电动机，都在低于额定效率下运行。因此，高效节能电动机应满足以下几点：

(1)按额定功率计算，功率损耗应减少30％。

(2)效率曲线应尽可能平坦。

(3)轴的中心高和额定尺寸，应符合国家标准规定。

高效节能电动机，用料较多，成本较高，因此只有在负载率和利用率较高使用条件下运行，才能在较短时期内回收投资。

高效电动机的运用

高效电动机最佳的节能效果是将其应用于连续工作定额、负载稳定且无特殊要求的设备上，特别是用于负载率较高(如70％以上)和连续运行时间较长(如年运行时间在3000小时以上)的设备上。

机械设备配套是电动机的主要用户类型。高效电动机在机械配套中主要分布在泵、风机和气体压缩机上，其次是石化设备、石油设备、矿山机械和冶金机械等。

另外，九大工业行业用电共占全社会总用电量的35％，其中，化工、建材、电力和冶金是耗电大户，同时也是节能潜力最大的市场，而且电动机的用电量占全企业用电量的68.9％。从各行业的电动机使用情况来看，主要是Y／Y2系列电动机，还有相当部分的JO系列电动机，YX高效电动机则主要应用于石油和城市给排水行业。

从行业的需求来看，石油、石化、化工、纺织、电力、给排水等行业对高效电动机应有一定的市场需求。耗能越大，节能潜力就越高，高效电动机应用也就更广泛。由于石化、化工和纺织行业耗能大，电动机长期连续运转，所以，它们是使用高效电动机最多的行业；石油工业、电力工业和城市给排水次之。

电机的调速节能

在20世纪70年代以前，工业应用的电力拖动设备大多数采用交流电动机的恒速拖动，所以很久以来，在工业生产中大量应用的风机、泵类等需要进行流量调节控制的电力拖动系统中，人们不得不保留交流电动机的恒速拖动，采用挡板和阀门来调节风速、流量、压力等。这种原始方法不仅增加系统的复杂性而且还造成能源大量浪费。

随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，作为交流调速中心的变频调速技术得到了显著的发展，而且已经广泛地应用于工业生产的各项领域。

以风机水泵为例，根据流体力学原理，流量与转速成正比，风压或扬程与转速的平方成正比，所以轴功率则与转速的立方成正比。理论上，如果流量为额定流量的75％，使感应电动机转速控制在额定转速的3/4运行，其轴功率为额定功率的42％，与采用挡板或阀门调节相比，可减少58％的功率；如果流量下降到额定流量的50％，使感应电动机转速在额定转速的1／2运行，其轴功率为额定功率的1／8，与挡板或阀门调节相比，可减少7／8的功率。由于调速转差功率损耗和控制装置的附加功率损耗都比调速减少的功率损耗小得多，实际节电效果是相当明显的。因此，调速技术应用在负载率偏低和流量变动较大的风机和泵类等流体设备的电力拖动上可获得显著的节电效益，这也是风机和泵类为什么是调速技术节电应用的重点对象的主要原因了。

变频调速系统的优点

变频器容易实现对现有的交流电机进行调速控制。在工业生产中，如电厂、矿山和冶金、石油、化工、机械、电子、建材、纺织、轻工等许多行业大量存在需要电机变速及软起动的场合。根据全国第三次工业普查公布的统计数字，我国风机水泵压缩机类通用机械总装机容量为1.6亿千瓦，其中风机约为4900万千瓦，水泵约为1000万千瓦，年耗电3200亿度，占全国耗电总量的1／3，占工业用电量的40％，在国民经济中举足轻重，节能潜力很大。特别是1998年1月1日我国实施的《节约能源法》第四章第三十九条(二)款明文规定：“逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速的电力电子技术……提高电能利用率”。而且实践证明：通过变频调速来取代利用阀门、挡板控制，节电效果明显，特别是对于大中容量交流电动机拖动的风机、泵类系统，若采用变频调速，节电效果更加明显，而且回收投资期短，一般为1～2年。

调速范围大而且连续

变频调速系统通过连续改变变频器的输出频率来实现转速的连续变化，使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，运行效率也明显提高。一般来说，通用变频器的调速范围可达1∶10以上，而高性能的矢量控制变频器的调速范围可达1∶1000。

容易实现正、反转切换和构成自动控制系统

在电网电压下运行的交流电动机进行正、反转切换时，只需改变相序即可实现。如果在电动机尚处高速时就进行相序切换，电动机内将会产生较大的冲击电流，甚至有烧毁电机的危险。而在变频调速系统中可以通过改变变频器输出频率先使电动机降至低速，再进行相序切换。这样切换电流可以比较小，电动机的功耗和发热也都减小了许多。另外变频器有接口同其他设备一起构成自动控制系统。

起动电流小，可用于频繁起动和制动场合

异步电动机直接起动的起动电流通常为额定电流的5～6倍，电机损耗较大，所需电源容量也很大，因此不宜频繁起、停。采用变频器对异步电动机进行驱动时，可以将变频器的输出频率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而变频器输入端要求电源配置的配电容量也可以相应减小。另外它还可以采用变频器来实现电气制动。制动时变频器的输出频率先逐步减小，负载所存储的机械能将转换为电能回馈到变频器，通过一定的制动回路将这部分能量或者以热能形式消耗掉，或者回馈给电网。因此变频器驱动交流电机调速系统可以工作在频繁起动和制动场合。

结构简单、运行安全可靠

变频调速系统中异步电机结构简单、坚固耐用，而且通常不需再用齿轮箱等其他变速装置，保养、维修都比较简单，可根据工作环境的不同，选择不同的异步电机，而变频器通常不需改变。因此，变频调速系统能应用于易燃、易爆、腐蚀等恶劣环境中。

鉴于以上所列出的变频调速的部分优点，在交流电机的调速技术中，变频调速是应用面最大、效率最高的。交流变频调速是当代电力电子、微电子、自动控制、传感器、电机等多种先进技术集成起来的一项高新技术。

近20年的理论发展和应用实践表明，它的调速性能好、节能明显，是电气传动的发展方向；它的应用面宽，为企业节能降耗、提高产品质量和生产效率、最终为提高经济效益提供了技术的和物质的手段。因此各工业发达国家都把发展交流电动机变频调速作为技术进步、提高效率和节省能耗的一大措施。已经应用这种技术的单位都取得了很好的节电效益。

变频调速系统的投资成本和利润

投资于节能项目，到底有没有效益，回收期是长是短，这是所有投资者都非常关心的问题。这个问题的答案是肯定的。但是，鉴于近20年来推广应用变频器的经验与教训，有些问题还需要讨论。这些问题的解决和投资量相关，实际上直接涉及投资的成本、利润和回收期。节能、节电是长期的，投资回收后的效益也是绝对的，关键是合理的回收期应该如何确定。投资者应该有信心，也应该知道项目风险之所在。

(1)系统越简单，设备投资额就越少，并不是技术越先进越好。

对于中、小型交流电动机拖动的普通风机、水泵等系统，不需要精确地调节转速，如果变频器与电动机之间距离很近，低压变频器就能够正常工作。

如果输出量不需要调整但起动频繁，可以购置软起动器，以减少起动制动过程的能耗，这样投资也比较少。要根据系统的实际工况选择最合理的调速方案和最经济的系统设备。

(2)变频调速系统是有较多谐波的非线性、非正弦工况，它会在电动机上引起电应力，致使电动机的工作寿命下降。在某些重要应用中，采用变频调速专用电动机是必要的，特别是在1～10千伏的电压中。较大功率的情况下，或者在变频器同电动机之间的馈电电缆很长的时候，应选用专用电动机，或者选用输出为正弦波的专用变频器。这种成本的增高是必要的。

(3)变频器运行中的谐波还对电网造成污染，尤其是较大功率的电动机调速系统，轻的破坏电网的电力品质，严重的会引起供电变压器或电力电容器烧毁，甚至爆炸。而且谐波引起的畸变无功加重，系统的功率因数下降，将按电网规定承受大额罚款。对于低电压中、小功率变频器，采用有源功率因数修正环节也是有必要的。人们不能在庆贺节约有功功率的时候，大量消耗无功功率；更不能在成功节能的时候，破坏了电力系统的安全。一定要考虑周全采取正确的治理措施。

(4)许多家用电器的电动机调速，电动机功率只有几十瓦或几百瓦，最大的单机1～2千瓦。在这样的情况下，采用常规的三相交流异步电动机实施变频调速，其成本偏高，不见得是最好的节能调速方法。在这里调速成本比较低的永磁无刷电动机或改进的开关磁阻电动机能派上比较大的用处。

(5)采用交流电动机变频调速系统后，不仅能取得节能效益，往往还会形成产量上升、质量提高、劳动生产率增加、环境改善等综合效果。所以在统计系统利润的时候，也要看其综合效益。作为用户，常常是因为有更大的非节能效益的存在，才有更大的决心和动力来实施变频调速的技术改造。用户应该在这个时候尊重客观规律，同时还要治理谐波等电力公害。

总而言之，采用交流电动机变频调速节能系统，能否在较短期间回收投资，要看综合投资与综合效益(利润)的总体考虑。变频器的价格大致在每千瓦800～1500元。

为使这样一项高效节能技术长久地运行，一些配套技术和产品应计入成本。该省钱的地方应该省下来，不该省钱的地方则应该果断地花出去。正确的“技术——经济”综合决策，正是推广应用交流电动机变频调速节能技术的困难所在。让我们在互相借鉴的实践中，不断总结经验教训，增强对这项技术的深入认识，使其迅速地推行到节能的前沿。

电动机变频调速技术

为达到提高生产效率和节约能量的目的，必须正确选择系统配置，特别是选择这种系统中的电动机和变频器，它涉及可靠性、性能和价格三方面的因素。

变频调速系统主要包括异步电动机、变频器、控制环节、负载及传动机构。

在选择电动机时不仅要考虑驱动机械负载和使其加速所需的电机容量，还应根据生产环境选择相应的电机防护等级。另外，由于这时电机不是由电网供电，而是由变频器供电(即在变频调速运行时，大部分时间里该电动机不是工作在该电机设计制造的额定工况)，会带来谐波、电磁干扰，也许会出现局部过电压、过电流等问题。同时让变频器尽量减少谐波、电磁干扰等带来的影响也是应该考虑的。

电动机的正确运用

合理选择和使用电动机，确定最佳运行方式降低电动机的能量损耗是提高电动机运行效率的最基本的方法。在选用电动机时，应首先选择电动机形式和功率及各种技术参数，使它具备与其所拖动的生产机械相适应的负载特性，能在各种状态下稳定地工作。

电动机功率的选择

电动机的额定输出功率在理论上讲通常是按最大负载选定，而实际上，部分电动机的输出功率是周期性变化的。电动机的功率损耗大部分为铜损耗，铜损耗与负载电流的平方成正比，当功率因数为一定时，则与输出功率的平方成正比。所以，要想知道包括铜损及负载需要的电动机输出功率，只需计算出负载的均方根植。

对负载率低于50％的电动机，应按经济运行原则选择电动机功率。如未经分析计算就将负载率低于50％的电动机换小，有可能使电动机的效率反而降低使电能损耗增加。

确定电动机需要的输出功率时，应注意以下两个问题：

(1)对计算功率所需要的有关参数值(如摩擦因数、负载、速度、风量、风压等)，所留容量不要过大。

(2)所选用的电动机应满足负载所需要的启动转矩、最大转矩和最大负载。

对于运行的电动机，应测定负载率。一般异步电动机的额定效率和功率因数，是按负载率在75％～100％范围内考虑的。异步电动机的效率和功率因数随负载变化的关系见下表所列数据。

异步电动机的效率、功率因数及负载的关系

负载空负载25%50%75%100%功率因数0.20.50.770.850.89效率00.780.850.880.87511.电动机电压等级的选择

对于低压、高压的中型电动机系列，还存在一个电压等级的合理选择问题，只要选择适当，则在保证电动机性能的前提下，能达到节能省损的效果。

我国三相异步电动机常用的电压等级有：220伏、380伏、3000伏和6000伏等。500伏以下称为低压，500伏以上称为高压。下表列出了功率为5千瓦时同极数、不同电压等级规格的双鼠笼三相异步电动机的性能指标。

不同电压等级异步电动机的性能指标

型号功率

/kW电压

/V电流

/A效率

/%功率因

数/cosΦKdKnKmJS125-8

JS126-895

95220/380

3000319/184

24.891

890.85

0.824.57

4.231.2

1.291.81

1.8JS116-6

JS117-695

95220/380

3000305/176

2491

89.50.88

0.865.07

5.551.23

1.782.1

2.33

从上表可知，对于低压、高压的电动机，凡是供电线路短、电网容量允许，且启动转矩和过负载能力要求不高的场合，以选用低压异步电动机为宜。因为这种电动机力能指标高，利于节电；价格便宜，减少一次性投资，维护方便，采用一般低压电器即可。

当然对于那些供电线路长、电网容量有限、启动转矩较高或要求过负载能力较大的场合，应该以选用高压电动机为宜。

电动机负载特性的选择

异步电动机用途很广，它所拖动的负载种类很多。根据负载特性，合理选用电动机，对于提高设备运行时的安全可靠性和节能具有实际的意义。

电动机的运行特性受它所拖动机械负载特性的影响。有些机械，如大部分风机、鼓风机、离心机、压缩机等，要求较小的启动转矩，但启动后所要求的拖动转矩随转速的上升而增加，因此通常选择一般机械特性的电动机。

另外一些机械，如往复式空气压缩机、带负载的传送机等要求有较大的启动转矩，故常选用高转差率的机械特性的电动机。这种电动机也适用于冲击负载或要求频繁启动的负载，如冲床、油井泵和起重机械。所以要想满足节能、安全运行的标准就只有电动机的机械特性和它所托动的负载特性合理匹配。

电动机主要有以下七项节电措施：
1）新购电动机应首先考虑选用高效节能电动机，然后再按需考虑其他性能指标，以便节约电能。
2）提高电动机本身的效率，如将电动机自冷风扇改为它冷风扇，可在负荷很小或户外电动机在冬天时，停用冷风扇，有利于降低能耗。
3）将定子绕组改接成星三角混合串接绕组，按负载轻重转换星形接法或三角形接法，有利于改善绕组产生的磁动势波形及降低绕组工作电流，达到高效节能的目的。
4）采用其他连续调速运行方式。如使用调压调速器、变极电动机、电磁耦合调速器、变频调速装置等。
5）更换“大马拉小车”电动机，“大马拉小车”除了浪费电能外，极易造成设备损坏。另外，合理调整电动机配套使用，可使电动机运行在高效率工作区，达到节能的目的。
6）合理安装并联低压电容进行无功补偿，有效地提高功率因数，减少无功损耗，节约电能。
7）从接头处通往电能表及通往电动机的导线截面应满足载流量，且导线应尽量缩短，减小导线电阻，降低损耗。
以上措施可以分别采用，也可多项同时采用。总之，对电动机采取一些必要的技术节能措施，既对电网安全稳定运行有利，也可使用户减少电费支出。

通过节能系统可以通过和设备和管理、工艺等优化电机运行过程中的能源使用情况，达到节能的目的。

电机的节能属于设备节能的一部分，节能系统对于设备、工艺和管理三个层面进行节能，万洲专门针对电机的节能设备和智能优化节能系统