電機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)和方法探討

邵赫靈

（天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450）

0 引言

調(diào)查研究顯示，我國電機(jī)在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的這一過程中消耗的電能占我國總發(fā)電量的60%以上，已達(dá)到發(fā)達(dá)國家的電能消耗量，如果將它們折算成原煤量，可以高達(dá)2 億噸。根據(jù)我國相關(guān)人員的計(jì)算，電機(jī)的功率每提升1%平均節(jié)省200萬噸原煤量。依照全國的發(fā)展形勢來看，只有將電機(jī)的消耗功率提高，我國的工業(yè)發(fā)展才有意義。

1 電機(jī)的起源

從19 世紀(jì)20 年代法拉第證明可以將電力轉(zhuǎn)化為物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)起，到現(xiàn)在已經(jīng)過去了100 多年，在這期間有無數(shù)的電機(jī)誕生，它的構(gòu)造也已經(jīng)發(fā)生了很多變化，但是始終沒有一個(gè)很完善的電機(jī)被認(rèn)可。

第一個(gè)電機(jī)的制造者是德國人雅可比，它由2 個(gè)U 形磁鐵、一個(gè)6 臂輪和多個(gè)棒形磁鐵組成。利用法拉第的電磁感應(yīng)定律，帶動(dòng)軸輪轉(zhuǎn)動(dòng)。后來經(jīng)過多次改良，又制造出一個(gè)比較大型的裝置，使小船首次在河流上航行。再后來，美國的達(dá)文波特在這一技術(shù)原理上加上自己的想法制造出了第一臺(tái)驅(qū)動(dòng)印刷機(jī)，它是以電池作為電源，不僅制作成本高，而且還不實(shí)用。

經(jīng)過幾十年后，比利時(shí)的一位工程師格拉姆終于在刻苦研究下于19 世紀(jì)70 年代時(shí)設(shè)計(jì)出了世界上第一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，它和電機(jī)的設(shè)計(jì)原理很相似。他驗(yàn)證了向直流發(fā)電機(jī)中輸入電流時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)旋轉(zhuǎn)這一事實(shí)，之后這種電機(jī)被大規(guī)模生產(chǎn)出來。德國的西門子在這一電機(jī)的基礎(chǔ)上又制造出了更好的發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后又制造出了電車，但電車的馬力只有3 碼。又經(jīng)并勵(lì)電機(jī)美國發(fā)明家愛迪生之手將馬力加大至12～15 碼。

19 世紀(jì)80 年代美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了世界上第一臺(tái)交流電機(jī)，它的原理是利用法拉第的電磁感應(yīng)定律，又稱感應(yīng)電機(jī)。此電機(jī)使用了交流電來工作，因此被廣泛應(yīng)用在社會(huì)各個(gè)地方，包括家庭工業(yè)和供電方面。

20 世紀(jì)初，瑞典的工程師丹尼爾斯在借鑒前人的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)新的構(gòu)想——同步電機(jī)，利用感應(yīng)電機(jī)的原理，將轉(zhuǎn)子通入直流電壓，保持轉(zhuǎn)速不變，使定子周圍產(chǎn)生磁場，由此發(fā)明出來的電機(jī)適合鐘表的使用。

直流電機(jī)是通過直流電來激發(fā)磁場，它的工作方式由繞組方式的不同來區(qū)別。串激電機(jī)利用自身轉(zhuǎn)矩較大的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于牽引和起重方面。由于并激電機(jī)具有負(fù)載電阻大小可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，因此它被用在定速或調(diào)速方面。而復(fù)激電機(jī)恰好具備以上兩種電機(jī)的發(fā)電性質(zhì)。

現(xiàn)在市場上使用最多的就是交流換向器電機(jī)，即具有換向器的交流電機(jī)，通過研究發(fā)現(xiàn)它有一個(gè)很大的特點(diǎn)，就是它不僅可用于交流也可用于直流，所以人們也把它叫做交直流兩用電機(jī)或通用電機(jī)，在家居的使用中這個(gè)電機(jī)很實(shí)用。按照它所具有的功能或發(fā)揮的作用可分為驅(qū)動(dòng)和控制兩類電機(jī)，按電能的種類可以分為交流和直流電機(jī)。

如今電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了巔峰，對它的使用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了想象。

2 電機(jī)的工作原理及應(yīng)用

電機(jī)的作用就是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，在轉(zhuǎn)化過程中可能還伴隨著其它能量的產(chǎn)生，比如熱能。它的工作原理是由電生磁。通俗的講，由電生磁的產(chǎn)生過程就是將通電后的線圈放入磁場中后，線圈中會(huì)有感應(yīng)電流的產(chǎn)生，此時(shí)的線圈就相當(dāng)于一個(gè)通電導(dǎo)體，當(dāng)給線圈中通入電流且與磁場線垂直時(shí)，線圈就會(huì)因?yàn)槭艿诫姶帕Φ淖饔枚l(fā)生運(yùn)動(dòng)，如果將它固定在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上，它就可以繞軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（1）伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入目標(biāo)來改變自身的自動(dòng)控制系統(tǒng)，它的角度是由受到的脈沖決定的，當(dāng)伺服系統(tǒng)在收到脈沖時(shí)會(huì)根據(jù)收到的脈沖數(shù)來改變本身的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。其次伺服系統(tǒng)本身也具備發(fā)射脈沖的能力，所以在接收外界脈沖時(shí)，伺服系統(tǒng)也會(huì)做出回應(yīng)，與外界脈沖相呼應(yīng)。通過計(jì)算伺服脈沖發(fā)射和接受脈沖的多少來達(dá)到控制電機(jī)方向的目的，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。

（2）交流伺服電機(jī)：目前市場用的一般都是同步電機(jī)，因?yàn)樗墓β瘦^大，其次由于它的轉(zhuǎn)速隨著它的功率增大而降低，所以，它還可以應(yīng)用在要求低速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的負(fù)載中。

（3）換相器——有刷電機(jī)，它的表面有一層絕緣金屬，在與轉(zhuǎn)子接觸時(shí)，線圈中的電流方向?qū)?huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)換相。

目前在各類電機(jī)的應(yīng)用中，使用最多的要屬交流異步電機(jī)了，它具有使用簡單、價(jià)格低廉、功率因數(shù)低等特點(diǎn)。大范圍的調(diào)速領(lǐng)域，使用最多的是同步電機(jī)，因?yàn)樗墓β室驍?shù)較高，且轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響嚴(yán)重，所以只能應(yīng)用于一些相對穩(wěn)定的區(qū)域。

自1970 年以后，電子科技得到快速發(fā)展，電機(jī)在社會(huì)中的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大。但是電機(jī)有一個(gè)很大的使用問題，就是它的負(fù)載會(huì)嚴(yán)重影響它的使用，因此在對它使用過程中，應(yīng)將它的負(fù)載和它的電機(jī)特性相匹配，避免意外情況的發(fā)生。在近十年來，中國大力推行電機(jī)在市場中的應(yīng)用，幾乎各行各業(yè)的設(shè)備都應(yīng)用了電機(jī)，特別是在化工、建材行業(yè)。

目前，國家對機(jī)械工業(yè)中電機(jī)的使用力度加大，相關(guān)組織也領(lǐng)導(dǎo)了研究小組研究電機(jī)的使用。截止目前，我國已有超過60種電機(jī)被淘汰了，并有20 多種新型電機(jī)被推行出。

3 電機(jī)的消耗功率

電機(jī)的消耗功率是指輸入功率或者說是實(shí)際耗電量，輸入功率是指將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者是熱能的過程所做的功，而消耗功率一般是指電機(jī)消耗電能的快慢。

電機(jī)的功率分為視在功率、有功功率和無功功率。有功功率即是電機(jī)的消耗功率，包括一般產(chǎn)品使用說明上寫的輸出功率和機(jī)械損耗功率。

由于電機(jī)的電路是由導(dǎo)線組成的，所以它不存在純電阻電路，因此在計(jì)算它消耗的電能時(shí)，可以通過計(jì)算電流做的功來計(jì)算消耗的電能，即W=UIt。在做功過程中，電流做的功大部分轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能，一小部分轉(zhuǎn)化為了熱能，在計(jì)算電機(jī)消耗的電功率時(shí)可以用P=W/t 或者P=UI 來表示。

4 電機(jī)的節(jié)能降耗

由于電機(jī)的工作效率低，導(dǎo)致在使用過程中損耗了大量電能。這些損耗主要包括鐵耗、定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗等，損耗程度的大小與電機(jī)的類型和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。我國電機(jī)做功的過程中損耗的電能，功率每提升1%平均節(jié)省200 萬噸原煤量，每噸原煤創(chuàng)造的價(jià)值都很可觀，更何況上百萬噸的原煤呢。這些損耗的電能如果能被運(yùn)用起來，對社會(huì)的發(fā)展將會(huì)起到很大促進(jìn)作用。但是我國在對電機(jī)的節(jié)能降耗技術(shù)方面從未停下過探索的腳步，從它的生產(chǎn)到現(xiàn)在，仍然不能有一類很節(jié)能且高效的電機(jī)出現(xiàn)。

4.1 傳統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)

在以往的電機(jī)使用過程中，電機(jī)的耗電量很高，但效果并不好，它的耗電量甚至超過了很多國家工業(yè)設(shè)備的用電量，因此在節(jié)能降耗問題上更迫切需要被解決此問題。

傳統(tǒng)的異步電機(jī)的啟動(dòng)方式有3 種，包括自耦降壓式啟動(dòng)、星三角降壓式啟動(dòng)和全壓啟動(dòng)。這3 種啟動(dòng)方式中，全壓啟動(dòng)方式消耗的電流最大，同時(shí)消耗的能量也最大，這對設(shè)備本身會(huì)產(chǎn)生一定的影響，會(huì)減少它的使用壽命；自耦降壓式電機(jī)和星三角降壓式電機(jī)雖然啟動(dòng)電流比全壓啟動(dòng)消耗的電流低，但是它的沖擊電流卻很大，很容易使設(shè)備出現(xiàn)故障。

4.2 現(xiàn)代的節(jié)能技術(shù)

（1）軟啟動(dòng)技術(shù)。此技術(shù)是指依照之前設(shè)計(jì)好的程序，讓電機(jī)在降壓的環(huán)境中啟動(dòng)，其特點(diǎn)就是將電流降低，來達(dá)到延長電機(jī)使用壽命的作用。大多數(shù)軟啟動(dòng)器的調(diào)壓電路是由軟啟動(dòng)器的晶閘管兩兩相反并聯(lián)而成的。在加入了啟動(dòng)信號(hào)后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生延時(shí)，一般情況下會(huì)將這類技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)的自檢中，讓對晶閘管發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角大小來控制啟動(dòng)器的輸出，從而來達(dá)到節(jié)能降耗的作用。

（2）節(jié)電器技術(shù)。雖然電機(jī)的應(yīng)用在工業(yè)中已經(jīng)很廣泛了，但它卻是耗電最大的電氣設(shè)備。通過研究顯示，電機(jī)在實(shí)際的工作過程中，并不是滿載運(yùn)行的，而是滿速或者滿壓運(yùn)行。但是有些電機(jī)它的負(fù)載波動(dòng)較快，這就導(dǎo)致很多這類電機(jī)在運(yùn)行過程中有很多時(shí)候都是空載運(yùn)行。

對電機(jī)的運(yùn)行特性研究中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)負(fù)載較小的時(shí)候所做功的功率才是最低的，這時(shí)電能的浪費(fèi)最大。要想使電機(jī)的輸出功率降低，就要使它兩端的電壓降低。通過這一原理，可以使節(jié)能器應(yīng)用在電機(jī)中，從而來達(dá)到節(jié)能降耗的作用。

4.3 電機(jī)節(jié)能降耗方法

4.3.1 改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

在很多電機(jī)的運(yùn)行過程中，電機(jī)消耗最大的原因是平均效率和最高效率相差較大。因此為了解決這一問題，需要先解決轉(zhuǎn)速的問題，可以通過控制變頻系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)速，只有這樣才能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

電機(jī)節(jié)能降耗的核心是變頻調(diào)速器，它是一個(gè)能將電機(jī)頻率和電壓改變的器械，通過電機(jī)的頻率和電壓的改變來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而來達(dá)到節(jié)能降耗的目的。在降壓過程中，空載電流會(huì)減小，電機(jī)的總消耗也會(huì)跟著減小。

近十年，我國生產(chǎn)出了很多變頻產(chǎn)品，這說明我國對變頻產(chǎn)品的使用量越來越大，最初變頻產(chǎn)品剛推行出來時(shí)，因?yàn)樗募夹g(shù)和價(jià)格方面而不被社會(huì)人士認(rèn)可。但現(xiàn)在，我國的變頻技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，并被廣泛應(yīng)用在社會(huì)中，它不僅取代了最原始利用滑差來調(diào)速的方法，提高了電機(jī)的工作效率，也大大節(jié)省了能量的消耗。

4.3.2 定期保養(yǎng)電機(jī)器件

由于電機(jī)使用的領(lǐng)域很廣泛，不同領(lǐng)域所使用的電機(jī)類型也不同，所以潤滑需求也不同。在電機(jī)工作過程中，潤滑效果決定了電機(jī)做功的快慢，因此在對電機(jī)潤滑劑的選擇上有區(qū)別。例如，有些電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度較快，在工作過程中散發(fā)出很多熱量，而潤滑劑在高溫條件下會(huì)蒸發(fā)，從而使?jié)櫥瑒舛冉档?，因此這類電機(jī)應(yīng)選擇濃度較高的潤滑劑；有些電機(jī)會(huì)使用在酸堿性較大的環(huán)境中，因此在選擇潤滑劑時(shí)，在能保證電機(jī)其他工作部分正常工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，還要要求它具有抗腐蝕性。

5 結(jié)語

綜上所述，我國現(xiàn)在對電機(jī)的需求已經(jīng)越來越大，電機(jī)本身也面臨著許多改進(jìn)的難題。從距離第一臺(tái)電機(jī)的制造到現(xiàn)在已經(jīng)過去了近兩個(gè)世紀(jì)。在這期間，我國從未停止過對電機(jī)改進(jìn)的腳步，各個(gè)機(jī)構(gòu)都在研究如何使電機(jī)在工作過程中降低消耗?，F(xiàn)在我國處于快速發(fā)展階段，節(jié)能降耗是我們國家乃至整個(gè)社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)，而電機(jī)又是使用最廣泛的一款設(shè)備，因此，在它的節(jié)能降耗方面，國家以及全國人民都很關(guān)注。