電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能

1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能電動(dòng)機(jī)的有功損耗和無(wú)功損耗電動(dòng)機(jī)的有功損耗分為不變損耗（鐵耗）、可變損耗（銅耗）、機(jī)械和雜 散損耗幾部分。鐵耗的大小同磁場(chǎng)強(qiáng)度和鐵芯特性有關(guān)，與所加電壓U的平方成正比，與 頻率f的1.3次方成正比。銅耗的大小與電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流的平方成正比（即與負(fù)載率的平方成正 比），與電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的電阻和成正比。機(jī)械損耗與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其中摩擦損耗與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子等 由于旋轉(zhuǎn)引起的風(fēng)阻損耗與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。在高速電機(jī)中，風(fēng)阻損耗可占 到機(jī)械損耗的7080%。雜散損耗主要是高次諧波引起的損耗。若供電電源電壓波形不好，諧波損 耗會(huì)急劇增加。繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)和直流電機(jī)還有電刷的電阻損

2、耗和電刷機(jī)械損耗。電動(dòng)機(jī)負(fù)載率越小效率越低，負(fù)載過(guò)重銅耗加大，效率也下降。異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功損耗包括兩部分：一部分是建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所需要的空載 無(wú)功功率，約占電機(jī)額定無(wú)功功率的60% 70%，其大小主要與容量有關(guān)；另 一部分是帶負(fù)荷時(shí)的漏磁損耗，它與電動(dòng)機(jī)負(fù)載率的平方成正比。電動(dòng)機(jī)負(fù)載率 越小，功率因數(shù)越低。異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系如表4-3所示。表4-3異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系負(fù)載率空載25%50%75%100%功率因數(shù)0.20.50.770.850.89效率078%85%88%87.55合理使用電動(dòng)機(jī)目前，我國(guó)的中小型電動(dòng)機(jī)。在普遍開(kāi)展對(duì)電機(jī)通風(fēng)、溫升、噪聲、電

3、磁 場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)以下節(jié)能產(chǎn)品：風(fēng)機(jī)、水泵專(zhuān)用多速異步電動(dòng)機(jī)系列，滿(mǎn)足不同工況要求，形成系列產(chǎn) 品；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系列，是高技術(shù)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其運(yùn)行效率可達(dá)82% 91%，并可滿(mǎn)足各種特性要求的任意形狀的轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)速特性；中小型永磁同步電動(dòng)機(jī)系列，使電機(jī)力能指標(biāo)提高5%7%，效率提高1. 5% 2.5%；高效率三相異步電動(dòng)機(jī)，效率比Y系列平均提高1%2%，進(jìn)一步完善系 列，降低成本。高效率YX系列電動(dòng)機(jī)比Y系列電動(dòng)機(jī)效率提高3 %左右，損耗可降低20 %- 3 0 %，功率因數(shù)有所提高，起動(dòng)力矩提高3 0%，噪聲小,振動(dòng)小，溫升低， 壽命長(zhǎng)，但電動(dòng)機(jī)成本比標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)高3 0%，

4、一般情況下，增加的投資費(fèi)用能 在1 3年內(nèi)收回。J02、J03系列小型異步電動(dòng)機(jī)及JD02、JD03系列變極、多速三相異步電 動(dòng)機(jī)已是國(guó)家明令限制和淘汰的產(chǎn)品。對(duì)還在使用的這類(lèi)電動(dòng)機(jī)要制定規(guī)劃，分 期分批進(jìn)行更新改造并限期完成。另外，通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)類(lèi)效率低于70%的、離心泵、軸流泵類(lèi)效率低于60% 的，均應(yīng)列入節(jié)能計(jì)劃，分期分批進(jìn)行更換或改造。在電動(dòng)機(jī)的使用上，大馬拉小車(chē)、電動(dòng)機(jī)特性與負(fù)載特性不匹配等是造成 能源浪費(fèi)的重要原因，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)選取和改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用條件，避免電動(dòng) 機(jī)長(zhǎng)時(shí)間輕載運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，如果通風(fēng)散熱效果不好，過(guò)熱將使絕緣破壞， 導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)減壽甚至燒毀。為此，通

5、風(fēng)不良的電機(jī)被迫降容使用，不但浪費(fèi)動(dòng)力 資源，而且電動(dòng)機(jī)處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，效率及功率因數(shù)低下，增加了有功和無(wú)功 功率損耗。可見(jiàn)，做好運(yùn)行維護(hù)、保持電機(jī)的清潔和通風(fēng)散熱良好，能夠減少不 必要的能源浪費(fèi)。表4-4根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)選取和改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的使用條件的措施序號(hào)負(fù)荷特點(diǎn)可采用措施1長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)荷，負(fù)載率較高核實(shí)負(fù)荷后，選用高效節(jié)能型電機(jī)2長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)荷，負(fù)載率低核實(shí)負(fù)荷后，更換容量與負(fù)荷匹配的高效節(jié)能電機(jī)或輕載降壓運(yùn)行3呈季節(jié)性變化的長(zhǎng)期運(yùn)行負(fù)荷，如 紡織空調(diào)風(fēng)機(jī)采用多級(jí)變速電動(dòng)機(jī)或?qū)⒃妱?dòng)機(jī)改 成Y轉(zhuǎn)換接線(xiàn)，輕載時(shí)降壓運(yùn)行4按平方關(guān)系遞減轉(zhuǎn)矩的隨轉(zhuǎn)速變化的負(fù)荷，如風(fēng)機(jī)、水泵等選

6、用高轉(zhuǎn)差率電機(jī)，采用調(diào)速方式運(yùn) 行5經(jīng)常運(yùn)行的周期負(fù)荷，如機(jī)床等選用短期工作制電動(dòng)機(jī)，采用串聯(lián)自飽和電抗器或換用輕載節(jié)能電機(jī)6起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行轉(zhuǎn)矩較低的負(fù)荷核實(shí)負(fù)荷后，采用負(fù)荷跟隨控制器泵與風(fēng)機(jī)的內(nèi)部損失、管網(wǎng)阻力損失和泄露損失是造成耗電量增大的重要 原因。因此，做好運(yùn)行維護(hù)、及時(shí)檢修、保持管路暢通無(wú)阻和無(wú)泄露，能夠減少 不必要的能源浪費(fèi)。應(yīng)定期進(jìn)行電能平衡測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)耗電量的變化，找出原 因，盡快處理。電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)一般較低，需要無(wú)功補(bǔ)償。提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)也是 電動(dòng)機(jī)節(jié)電的重要方面。具體補(bǔ)償方法可參照本章第三節(jié)相關(guān)內(nèi)容。電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)電有時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷時(shí)大時(shí)小，不能更換小容量電機(jī)，可采

7、用降低供電電壓 的方法節(jié)電。降低電動(dòng)機(jī)外加電壓，使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性變低，相當(dāng)于在轉(zhuǎn)速基本不變的 情況下改小了電機(jī)的容量，使電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由輕載轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏聴l件下的額定 負(fù)荷量。降低電動(dòng)機(jī)電壓有一變換法、自耦變壓器降壓法、可控硅調(diào)壓降壓 法、串聯(lián)電抗器降壓法等。其中最簡(jiǎn)單、費(fèi)用最低的是 Y變換法。電動(dòng)機(jī)定子繞組由形接線(xiàn)改為Y形接線(xiàn)后，繞組的相電壓降為額定電壓 的 ，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩則下降原來(lái)的1/3,起動(dòng)電流下降為形接線(xiàn)時(shí)的1/3,勵(lì) 磁電流降為原來(lái)的 ，無(wú)功電流減小，功率因數(shù)也提高了，相當(dāng)于將電動(dòng)機(jī) 變成了容量只有原來(lái)的1/3的小容量電機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載量小于額定容量的30% 時(shí)，節(jié)電效果尤其顯著。若負(fù)

8、載量超過(guò)了電動(dòng)機(jī)容量的1/3,改Y形接線(xiàn)后工作 電流不降甚至增大，就只能采用形接線(xiàn)。一變換法特別適用于負(fù)載量或很 大、或很小的場(chǎng)合，大負(fù)載量時(shí)用形接線(xiàn)，小負(fù)載量時(shí)用Y形接線(xiàn)。如負(fù)載量每次改變后都會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，小容量電動(dòng)機(jī)就可以?xún)H用一只三 刀雙投開(kāi)關(guān)，手動(dòng)完成一Y變換操作，容量較大時(shí)可用三刀雙投開(kāi)關(guān)控制交流 接觸器來(lái)完成轉(zhuǎn)換操作。如負(fù)載量變化頻率較快，可選用能自動(dòng)完成轉(zhuǎn)換操作的 轉(zhuǎn)換器，如各類(lèi)Y轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)輕載節(jié)能器等。電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的電能損耗是較大的，其起動(dòng)時(shí)的耗電量約為空載運(yùn)行 1520秒的耗電量。如電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中空載待機(jī)的時(shí)間較長(zhǎng)，可使用空載自 停裝置。電焊機(jī)亦應(yīng)使用空載自停裝置。

9、電動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)電電動(dòng)機(jī)還可以采用調(diào)速的方法節(jié)電。降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，也使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 特性變低，也相當(dāng)于改小了電機(jī)的容量，使電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)由輕載轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏?條件下的額定負(fù)荷量，使效率和功率因數(shù)提高，從而達(dá)到節(jié)電目的。特別是帶風(fēng) 機(jī)、水泵類(lèi)的電機(jī)，其損耗隨轉(zhuǎn)速的提高而急劇加大，調(diào)速節(jié)電效果非常顯著。 我國(guó)十五規(guī)劃中要求發(fā)展各種交流調(diào)速系統(tǒng)，包括串極調(diào)速、PWM交流變頻調(diào)速， 開(kāi)發(fā)大容量交流電機(jī)調(diào)速裝置，同時(shí)發(fā)展液力偶合器、油膜離合器、滑差離合器 等機(jī)械調(diào)速裝置。發(fā)展稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等調(diào)速系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)并 推廣調(diào)速范圍較窄的簡(jiǎn)易價(jià)廉的風(fēng)機(jī)、水泵專(zhuān)用的調(diào)速裝置。改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)

10、p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。 從調(diào)速的本質(zhì)來(lái)看，不同的調(diào)速方式無(wú)非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變 同步轉(zhuǎn)兩種。在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛使用不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法有繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器、液力偶合器、 油膜離合器等調(diào)速。改變同步轉(zhuǎn)速的有改變定子極對(duì)數(shù)的多速電動(dòng)機(jī)，改變定子 電壓、頻率的變頻調(diào)速等。變極調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線(xiàn)方式來(lái)改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù) 達(dá)到調(diào)速目的，具有穩(wěn)定性良好、效率高、控制方便、價(jià)格較低等特點(diǎn)，屬于有 級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率 的平滑調(diào)速特性。適用于不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的

11、生產(chǎn)機(jī)械，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、 起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，目前國(guó)內(nèi)大都使用交一直一交 變頻器。變頻調(diào)速效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗，調(diào)速范圍大，特性硬，精 度高，特性平滑，應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)，但技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高， 維護(hù)檢修困難。特別適用于負(fù)載變化大、高速時(shí)損耗大的電機(jī)設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水 泵等。串級(jí)調(diào)速用于指繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)，大部分轉(zhuǎn)差功率被返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加 以利用，多采用品閘管串級(jí)調(diào)速，效率較高，裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資 省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速7 0%90

12、%的生產(chǎn)機(jī)械上，但品閘管串級(jí)調(diào) 速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大，適合在風(fēng)機(jī)、水泵及軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、擠 壓機(jī)上使用。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式 有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及品閘管調(diào)壓等幾種，以品閘管調(diào)壓方式為最 佳。調(diào)壓調(diào)速線(xiàn)路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但效率較低，增加額外功率損耗，一 般適用于100KW以下的生產(chǎn)機(jī)械。電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)由籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器和直流勵(lì)磁電源（控制器） 三部分組成。直流勵(lì)磁電源功率較小，通常由單相半波或全波品閘管整流器組成。 裝置結(jié)構(gòu)及控制線(xiàn)路簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便、調(diào)速平滑、無(wú)級(jí)調(diào)速、對(duì)電網(wǎng) 無(wú)諧波影響，但效率低，適用于中、小功率，要求調(diào)速平滑、短時(shí)低速運(yùn)行的生 產(chǎn)機(jī)械。液力耦合器是一種液力傳動(dòng)裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統(tǒng)稱(chēng)工作 輪，放在密封殼體中。殼中充入一定量的工作液體，當(dāng)泵輪在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn) 時(shí)，處于其中的液體受葉片推動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下