能效電機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)分析與應(yīng)用

昌進(jìn)國

（南海發(fā)電一廠有限公司，佛山 南海 528211）

0 引言

椐統(tǒng)計(jì)2002年我國電機(jī)耗電占全國耗電量的60%以上，其中小型三相異步電機(jī)耗電約占35%，是耗電大戶，中小型電動機(jī)平均效率87%，國際先進(jìn)水平為92%.中國中小型電動機(jī)節(jié)電潛力約為12億Wh。如果將所有電動機(jī)效率提高5%，則全年可節(jié)約電量達(dá)765億kWh時，這個數(shù)字接近三峽2008年全年發(fā)電量。所以開發(fā)中國高效電動機(jī)是提高能源利用率的重要措施之一，符合我國發(fā)展的需要，是非常必要的。從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境出發(fā)，高效率電動機(jī)是目前的國際發(fā)展趨勢。國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2012年發(fā)布了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 18613—2012《中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及節(jié)能等級》，標(biāo)準(zhǔn)將效率分為1（最高）、2級、3級（最低）三個等級。政府已將能效電機(jī)納入節(jié)能產(chǎn)品惠民工程實(shí)施范圍，并要求強(qiáng)制執(zhí)行更換2級及以上標(biāo)準(zhǔn)能效電機(jī)，采取財(cái)政補(bǔ)貼方式進(jìn)行推廣。

能效節(jié)能電動機(jī)的設(shè)計(jì)是指運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、新材料技術(shù)、控制技術(shù)、集成技術(shù)、試驗(yàn)檢測技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，減小電動機(jī)的功率損耗，提高電動機(jī)的效率，設(shè)計(jì)出能效的電動機(jī)。能效電機(jī)從設(shè)計(jì)、材料和工藝上采取措施，對每個能量損失環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，例如采用合理的定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)、鐵芯、風(fēng)扇和正弦繞組等措施降低損耗，平均效率可提高4%。

1 電機(jī)功率傳遞及效率

1.1 電機(jī)功率傳遞

電機(jī)功率傳遞見圖1。

圖1 功率傳遞圖

輸入功率P1—輸入電能；

輸出功率P2—轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能；

定子鐵損△P Fe1—磁滯損失與渦流損失；

定子銅損△P cu1—定子的直流電阻造成的損耗；

轉(zhuǎn)子銅損△P cu2—轉(zhuǎn)子的直流電阻造成的損耗；

機(jī)械損耗△P fw—摩擦損耗及通風(fēng)系統(tǒng)損耗；

附加損耗△P s—雜散損耗。

1.2 電機(jī)效率

電機(jī)效率是電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效果，效率η與損耗相對值（P）的關(guān)系如下式所示。

ΣP=（P Fe+P fw+P cu1+P cu2+P s）／P l

式中ΣP—電機(jī)總損耗。

當(dāng)一臺2.2 kW 4極電機(jī)3級效率為84.3時，由上式可見其損耗相對值為0.157。若達(dá)到2級能效86.7，則損耗需下降15.3%、效率提高了2.4個百分點(diǎn)。由表1可見：功率越小電機(jī)能效值低，3級提升到2級節(jié)能空間較大。功率越大電機(jī)能效值高，3級提升到2級節(jié)能空間較小。

表1 GB 18613—2012能效摘錄對照%

2 電動機(jī)損耗

電動機(jī)在將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的同時，本身也損耗一部分能量，典型交流電動機(jī)損耗一般可分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗3部分。可變損耗是隨負(fù)荷變化的，包括定子電阻損耗（銅損）、轉(zhuǎn)子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗與負(fù)荷無關(guān)，包括鐵芯損耗和機(jī)械損耗。鐵損又由磁滯損耗和渦流損耗所組成，與電壓的平方成正比，其中磁滯損耗還與頻率成反比；其他雜散損耗是機(jī)械損耗和其他損耗，包括軸承的摩擦損耗和風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子等由于旋轉(zhuǎn)引起的風(fēng)阻損耗。

2.1 定子繞組電阻損耗

降低電動機(jī)定子繞組的電阻是減少定子損失的主要手段，實(shí)踐中采用較多的方法是：（1）增加定子槽截面積，在同樣定子外徑的情況下，增加定子槽截面積會減少磁路面積，增加齒部磁密；（2）增加定子槽滿槽率，這對低壓小電動機(jī)效果較好，應(yīng)用最佳繞線和絕緣尺寸、大導(dǎo)線截面積可增加定子的滿槽率；（3）盡量縮短定子繞組端部長度，定子繞組端部損耗占繞組總損耗的1/4～1/2，減少繞組端部長度，可提高電動機(jī)效率。實(shí)驗(yàn)表明，端部長度減少20%，損耗下降10%。

2.2 轉(zhuǎn)子繞組電阻損耗

電動機(jī)轉(zhuǎn)子的損失主要與轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)，相應(yīng)的節(jié)能方法主要有：（1）減小轉(zhuǎn)子電流，這可從提高電壓和電機(jī)功率因素兩方面考慮；（2）增加轉(zhuǎn)子槽截面積；（3）減小轉(zhuǎn)子繞組的電阻，如采用粗的導(dǎo)線和電阻低的材料，這對小電動機(jī)較有意義，因?yàn)樾‰妱訖C(jī)一般為鑄鋁轉(zhuǎn)子，若采用鑄銅轉(zhuǎn)子，電動機(jī)總損失可減少10%～15%，但目前鑄銅轉(zhuǎn)子所需制造溫度高且技術(shù)尚未普及，其成本高于鑄鋁轉(zhuǎn)子15%～20%。

2.3 鐵耗損耗

鐵心損耗（含空載雜散損耗），亦簡稱鐵耗，是恒定損耗的一種，由主磁場在電動機(jī)鐵心中交變所引起的渦流損耗和磁滯損耗組成。鐵心損耗大小取決于鐵心材料、頻率及磁通密度，近似的表示為：

磁通密度B與輸入電壓U成正比，對某一臺電動機(jī)而言，其鐵耗近似于與電壓的平方成正比。鐵耗一般占電動機(jī)總損耗的20%~25%。

降低鐵耗損失主要有以下措施：（1）減小磁密度，增加鐵芯的長度以降低磁通密度，但電動機(jī)用鐵量隨之增加；（2）減少鐵芯片的厚度來減少感應(yīng)電流的損失，如用冷軋硅鋼片代替熱軋硅鋼片可減小硅鋼片的厚度，但薄鐵芯片會增加鐵芯片數(shù)目和電機(jī)制造陳本；（3）采用導(dǎo)磁性能良好的冷軋硅鋼片降低磁滯損耗；（4）采用高性能鐵芯片絕緣涂層；（5）熱處理及制造技術(shù)，鐵芯片加工后的剩余應(yīng)力會嚴(yán)重影響電動機(jī)的損耗，硅鋼片加工時，裁剪方向、沖剪應(yīng)力對鐵芯損耗的影響較大。順著硅鋼片的碾軋方向裁剪、并對硅鋼沖片進(jìn)行熱處理，可降低10%～20%的損耗等方法來實(shí)現(xiàn)。

2.4 雜散損耗

雜散損耗（附加損耗）P s主要由定子漏磁通和定子、轉(zhuǎn)子的各種高次諧波在導(dǎo)線、鐵心及其他金屬部件內(nèi)所引起的損耗。這些損耗約占總損耗的10%~15%。

目前對電動機(jī)雜散損失的認(rèn)識仍然處于研究階段，現(xiàn)今一些降低雜散損失的主要方法有：（1）采用熱處理及精加工降低轉(zhuǎn)子表面短路；（2）轉(zhuǎn)子槽內(nèi)表面絕緣處理；（3）通過改進(jìn)定子繞組設(shè)計(jì)減少諧波；（4）改進(jìn)轉(zhuǎn)子槽配合設(shè)計(jì)和配合減少諧波，增加定、轉(zhuǎn)子齒槽、把轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)成斜槽、采用串接的正弦繞組、散布繞組和短距繞組可大大降低高次諧波;采用磁性槽泥或磁性槽楔替代傳統(tǒng)的絕緣槽楔、用磁性槽泥填平電動機(jī)定子鐵芯槽口，是減少附加雜散損耗的有效方法。

2.5 摩擦、流動損耗

風(fēng)摩耗也稱機(jī)械損耗Pfw，是另一種恒定損耗，通常包括軸承摩擦損耗及通風(fēng)系統(tǒng)損耗，對繞線式轉(zhuǎn)子還存在電刷摩擦損耗。電動機(jī)容量越大，由于通風(fēng)損耗變大，在總損耗中所占比重也增大。摩擦損失和流動損失以往未得到人們應(yīng)有的重視，它占電機(jī)總損失的25%左右。

摩擦損失主要有軸承和密封引起，可由以下措施改進(jìn)：（1）盡量減小軸的尺寸，但需滿足輸出扭矩和轉(zhuǎn)子動力學(xué)的要求；（2）使用高效軸承減少摩擦和振動鎖緊的軸承減少端間隙（3）使用高效潤滑系統(tǒng)及潤滑劑；（4）采用先進(jìn)無彈簧的新密封技術(shù)，通過有效減少與軸的接觸壓力，可使以6 000 rpm轉(zhuǎn)動的45 mm直徑軸降低損耗近50 W；（5）流動損失是由冷卻風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽引起的，用于產(chǎn)生空氣流動來冷卻電動機(jī)，流動損失一般占電動機(jī)總損失的20%左右。更低的電機(jī)運(yùn)行溫度使得更小的風(fēng)扇可以使用，更小的風(fēng)扇產(chǎn)生更小的損耗，風(fēng)扇和風(fēng)扇罩設(shè)計(jì)為適宜的冷卻和更安靜的運(yùn)行。好的流體力學(xué)和傳熱學(xué)設(shè)計(jì)會極大提高電動機(jī)的冷卻效率并降低流動損失。

3 節(jié)能潛力

3.1 小功率電機(jī)損耗

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及上述電機(jī)能效表可知，37 kW以上電動機(jī)要承擔(dān)一半以上總的電動機(jī)用電量。因此這部份電機(jī)的效率歷來受到一定的重視，其效率處于較高的水平。但是應(yīng)該看到小功率電機(jī)效率偏低，而其數(shù)量龐大，因此通過降低損耗提高小功率電機(jī)的效率更具節(jié)能潛力。

3.2 變頻器節(jié)能

對于風(fēng)機(jī)水泵泵類負(fù)載，由于軸轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比變化，頻率降低后，轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)矩也下降，使定子及轉(zhuǎn)子電流下降，因而電機(jī)效率有所提高，再加上軸功率有大幅度下降，電機(jī)輸入功率同樣大幅度下降。所以風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載采用變頻調(diào)速，在低速時可獲得好的節(jié)能效果。通過電動機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行可以節(jié)約大量的能源，特別是高低壓大功率變頻器的大量推廣使用。

3.3 電能質(zhì)量影響

3.3.1 電壓變動損耗

電機(jī)銘牌上電壓值是電機(jī)設(shè)計(jì)時的依據(jù)，實(shí)際運(yùn)行時電網(wǎng)上電壓是波動的，我國規(guī)定低壓系統(tǒng)中電壓允許變化±10%，往往不超過這一范圍，電壓變動對電機(jī)各部分損耗有什么影響，電壓調(diào)節(jié)在什么范圍內(nèi)變動能夠節(jié)電，這是值得分析的問題。

國內(nèi)外許多資料表明，電壓低于額定值不超過10%，往往是節(jié)電的。例如在保證供電電壓合格范圍內(nèi)，降低電壓2-3%，能起到節(jié)電的效果。工廠降壓運(yùn)行（-5%左右）同樣能夠節(jié)電，而升壓（+5%左右）則增加電能消耗。當(dāng)然降壓范圍不能太大，否則引起電動機(jī)過負(fù)荷能力降低及某些重載負(fù)荷過電流等問題，但電壓在-5%范圍內(nèi)，一般不會出現(xiàn)這些問題。

3.3.2 三相電壓不平衡損耗

由于三相負(fù)載不對稱，常常引起供電電壓不平衡。這不平衡電壓在異步電機(jī)中產(chǎn)生三相不平衡電流。用對稱分量法可以分成正序、負(fù)序及零序電流。當(dāng)定子繞組Y接時，則零序電流為零。其中正序電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)，負(fù)序電流產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩，使輸出轉(zhuǎn)矩有所減少，當(dāng)電壓不平衡值小于10%時，負(fù)轉(zhuǎn)矩不大，一般可以不計(jì)。但對于負(fù)序磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生損耗以及定子電流由于不平衡而使損耗增加必須給予關(guān)注。一般電壓不平衡時，其三相相位差不能保持120度，而相位變動后，產(chǎn)生的負(fù)序損耗及定子銅耗增加隨電壓不平衡度的增大而達(dá)到不允許的結(jié)果。因而保持供電電壓平衡，可以節(jié)約電能

改善電力環(huán)境提高供電功率因數(shù)、適當(dāng)降低電壓、消除電力諧波和三相不平衡也可以節(jié)電。

3.4 起動方式損耗

有些負(fù)載要求斷續(xù)運(yùn)行，停止部分時間比運(yùn)行時間長得多，采用起-運(yùn)-停循環(huán)運(yùn)行方式，有可能比負(fù)載運(yùn)行-空轉(zhuǎn)-負(fù)載運(yùn)行節(jié)約大量能耗（即電機(jī)空載損耗乘停運(yùn)時間）。但起-運(yùn)-停方式，需多次起動電機(jī)，起動電流大使定子繞組頻繁受到?jīng)_擊力，鼠籠轉(zhuǎn)子也會因發(fā)熱不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力，多次疲勞會使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂，供電功率因數(shù)低且耗電大。起動時電機(jī)發(fā)熱增多，多次起動也會使電機(jī)過熱。因此，大中型電動機(jī)設(shè)計(jì)采用降壓、變頻起動方式，可以減少起動電流，減少能耗及電流沖擊影響。因此，合理選擇電動機(jī)的起動方式，也可實(shí)現(xiàn)電動機(jī)節(jié)能。

4 結(jié)束語

通過對三相異步電機(jī)的節(jié)能損耗及解決方法的綜合技術(shù)分析，對能效電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)、運(yùn)行節(jié)能技術(shù)應(yīng)用方面及國家強(qiáng)制使用高效節(jié)能電機(jī)新能源政策的要求有一定了解，有助于各行各業(yè)推廣能效電機(jī)的使用，達(dá)到國家節(jié)能降耗的目的。

[1]GB 18613-2012中小型三相異步電動機(jī)能效限定值及節(jié)能等級[S].