淺議電機系統節能

陳叢悅 孫立梅

摘 要：電機是重要的驅動裝置，是最大的耗電終端設備。我國電機系統運行效率較低，節能潛力巨大。電機節能是系統工程，涉及電機的全壽命周期，概括起來有電機高效節能設計、電機智能一體化、“雙高”電機應用、多功率高效電機和專用電機選擇、系統節能等方面。實施電機系統節能措施，應根據工況實際進行合理選擇，實現最佳投資收益比。

關鍵詞：電機；系統；節能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.166

1 高效電機制造應用

眾所周知，電機進行電能機械能轉換時，自身也有能量損耗，分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗三部分。可變損耗（銅損）是隨負荷變化的，包括定子電阻損耗、轉子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗（鐵損）與負荷無關，包括鐵芯損耗和機械損耗，由磁滯損耗和渦流損耗組成，與電壓的平方成正比，其中磁滯損耗還與頻率成反比；其他雜散損耗包括軸承的摩擦損耗和風扇、轉子等由于旋轉引起的風阻損耗。一般情況下，鐵損最高約占50%，銅損次之占20%，其他損耗約占30%。

電機節能是系統工程，涉及電機的全壽命周期，包括電機的設計、制造、選型、運行、調節、檢修和報廢。電機系統節能措施，概括起來有電機高效節能設計、電機智能一體化、“雙高”電機應用、多功率高效電機和專用電機選擇、系統節能等方面。其中：采用優化設計技術、新材料技術、控制技術、集成技術、試驗檢測技術等現代電機設計技術，對降低電機損耗，提高電機效率起到關鍵作用。

高效節能設計。包括：采用特殊的繞組形式（正弦繞組、不等匝繞組等），低損耗軸承，冷卻風路與風扇設計；選擇低損耗的冷軋硅鋼片、稀土永磁材料、磁性槽契，減薄絕緣電磁線等材料；設計轉子銅壓鑄工藝，定子線圈自動成形與無溶劑浸漆工藝，沖氣隙與轉子外圓不切削工藝，轉子酸洗工和鐵芯退火工藝等。

電機智能一體機。集電機、變頻器于一體，具有體積小、重量輕、變頻方便、性能穩定，智能控制等優點，電機可根據負荷需求進行自我調速，節能降耗。廣泛應用于風機、水泵、數控機床等，節能效果顯著。

“雙高”（高效率、高功率因數）電機技術。一是減小異步電機的無功激磁電流，提高功率因數（cos∮>0.92）。二是濾除激磁電流的高次諧波，使電流趨于正弦波形，保證旋轉磁場更趨圓形，顯著減小電機諧波轉矩，降低噪聲。并且隨著激磁電流波形改善，解決困擾電機的“軸電流”技術難題，提高電機軸承的可靠性。

多功率電機。利用電動機自動檢測技術，實現電機高、中、低多檔功率輸出自動變換。特別適用于油田抽油機、泵類傳動、造紙行業等變動負載運行場合。

專用電機。研究驅動負載特性，設計性能先進、運行可靠、價格合理的專用電機產品，以應對千變萬化驅動負載，節能效果更加顯著。如油田用抽油機專用稀土永磁電機，節電率高達20%。

2 電機系統節能技術

電機系統是通過電動機將電能轉化為機械能，對拖動裝置（如風機、水泵、壓縮機、傳送帶等）做功，實現功能需求。由電動機、被拖動裝置、傳動系統、控制（調速）系統以及管網負荷等組成。電機系統節能要求在滿足負載功能的情況下，合理選擇匹配電機和系統，以最佳性價比實現綜合節能效果。經常情況下，單一環節的提高效率，節能效果并不理想。

高效電機節約電能△E可用下式表示：

△E=（1/n0-1/nr）×Pn×H×Kz

式中：n0、nr—一般電機與高效電機的效率；

Kz—負荷率；

Pn—電動機額定功率；

H—年運行小時。

以11kW、4極電機為例，普通電機效率為88%，高效率電機效率為91%，年運行時間為4000h，負荷率為0.75，采用高效率電機年節約電能為1234kWh。

△E=（1/0.88-1/0.91）×11×4000×0.75=1234（kWh）

（1）高效率電動機的替換。適用于負載率在50%以上、年運行時間長（一般超過3000小時）的恒定負載。以選用2級能效以上電機產品為佳。

（2）無功補償技術。適用于電機功率因數低、負載功率變化大，變化速度快、有諧波源且諧波污染高的電機系統集群，如鋼廠、化工廠、機械加工廠等，綜合節電率在4%左右。

（3）調壓節能技術。電機輕載情況下，通過降低輸入電機端電壓，使電機輸出功率與負載精確匹配，有效降低電機損耗，實現效率提高。適用于負荷率低、功率因數低、負載變化較大的中小型異步電動機系統。如機床、輸送帶等，綜合節電率一般為2～5%。

（4）變頻調速技術。用于高、低壓電機系統改造，通過改變交流異步電動機供電電源頻率，實現電機調速。適用于負荷變化較大、調節轉速頻繁工況，對于轉矩轉速二次方變化的風機、水泵負載，節能效果顯著，綜合節電率可達到10～50%，甚至更高。

（5）變極調速技術。通過改變定子繞組接線方式，改變電機極數，實現改變電機轉速目的，如YD、YDT系列等變極多速電機。適用于需定量調節流量且調節不頻繁的工況，如某些風機、水泵類負載，由于環境條件（如季節、溫度等）變化，要求相應調節流量，且調速精度要求不高。綜合節電率可達到10～30%。

（6）電機減容或增容增效技術。按實際運行工況、容量需求，重新設計制造，減小或增加電動機容量，實現與負載匹配輸出，實現系統節能。適用于連續運行、負荷基本恒定、不調速、不頻繁啟動工況下，綜合節電率15%左右。

案例：一臺額定功率為3500kW的高壓電機，因產量增加需要增加電機功率，現對該電機進行增容改造，通過重新設計，采用減薄絕緣結構和真空浸漆工藝，可將電機額定功率提高到4000kW。若購置一臺4000kW新電機，投資約80萬元，而本方案只需投資20多萬元。

（7）電機高效再制造與節能。將低效電機通過重新設計，更換零部件等方法，再制造成高效率電機或適用于特定負載和工況的節能電機（如變極電機、變頻電機、永磁電機等）。

3 電機系統節能注意事項

（1）高效電機簡單替換。高效電機用于替代拖動轉矩與轉速平方成比例關系的設備時，轉速的增加將導致電機輸出功率（轉矩）的增加，會削弱提高效率節能效果。

例如：11kW、50Hz電機在相同應用工況下，不同效率變化時轉速、轉矩要求隨能效等級的變化情況見表1。

IE2電機與IE1電機相比，轉速有所增加，雖然總效率提高了2.2%，但輸入功率僅下降了0.485%。

對于該類負載置換高效電機時，當工況對電機的輸出轉速變化沒有要求時，如輸送生活用水、室內空調等，采用高效電機其轉速升高，流量增大，相應運行時間會適當縮短，節能效果較好。當工況對電機的輸出轉速變化有要求時，如工藝風機、工藝泵等，高效電機轉速升高，可能會造成運行工況發生變化，此時宜慎重置換，可選用效率提高、但轉速未提高的專用高效率電機，如YSE2系列電機。

（2）“大馬拉小車”情況。以功率需求39kW為例，將75kW電動機改為55kW以后，由表2中參數可知，其實際節省電量僅為0.21kW（41.76-41.55），并不是想象中的20kW（75-55）。因此，合理選擇電機必須進行運行分析。

（3）變頻調速控制電機。普通電機改為變頻調速時，由于變頻器供電時過高的載波頻率引起的起始放電電壓會直接加載在電機的繞組接線端部，最常見的故障就是匝間絕緣破壞引起電機燒毀。還會在電機軸承處引起軸電壓和軸電流，從而燒毀軸承。因此，變頻調速控制時，宜選用專用變頻調速電機。

（4）變頻調速應用工況。一般情況下，對于調節頻繁且流量調節較大工況宜釆用變頻速技術；調節較頻繁但流量調節較小工況宜采用變頻或調壓調速；調節不頻綮但流量調節較大工況宜采用多速電機；調節不頻繁且流量調節較小工況宜采用調壓或閥門調節等。

另外，應用變頻調速技術應進行技術經濟分析。變頻調速系統實現節能的同時，也存在自身損耗，其中：變頻器損耗3～5%，變頻供電時電機增加損耗1～2%，因此，采用變頻調速后，系統總損耗將增加4～7%。同時，還需考慮變頻器購置成本和系統維護成本等。