电动机节电技术浅析

摘 要：节能是当前世界各国都很重视的一个课题，电能节约是节能的一个重要方面。而电动机是使用最广泛的电气设备之一，所消耗的电能约占全部工业生产用电的60%，其节电问题显得十分重要。做好电动机电能节约对提高企业的经济效益及促进国民经济的发展，具有十分重要的意义。本文从感应电动机电能节约、直流电动机电能节约、电动机的调速节电及提高电动机的功率因数几个方面浅析了电动机的节电问题。

关键词：电动机 节电技术 浅析

中图分类号：TD637 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（b）-0111-02

能源是发展国民经济的重要基础，也是制约国民经济发展的一个重要因素。因此，在加强能源开发的同时，必须大力降低能源消耗，提高能源的利用程度。电能是一种高价的二次能源，它只利用了一次能源的30%左右。工业用电约占全国电能消耗的70%以上，而电动机所消耗的电能约占全部工业生产用电的60%，其节电问题显得十分重要。电动机的节电主要应从选用高效电动机、合理选择和使用电动机、合理选择调速方式以及提高功率因数几个方面综合考虑、采取措施。

1 感应电动机电能节约

对于感应电动机，电动机的损耗包括铜损、铁损、机械损耗及杂散损耗。铁损和机械损耗是固定损耗，不随负载变化；铜损和杂散损耗随电流平方变化，但杂散损耗所占比重很小。在运行中，当不变损耗等于可变损耗时效率最高。一般认为，标准电动机的最高效率设计在80%～100%额定容量间，高效电动机大致在额定容量时效率最高。感应电动机可可采取以下方法节电。

（1）选用合适的电动机，电动机的负载率不能低，通常在额定容量附近时效率和功率因数最高，使它具备与其拖动的生产机械相适应的负荷特性，能在各种状态下稳定运行。在选择电动机时应作比较。

（2）避免电动机空载或轻载运行。

（3）负载率在50%以下时通常可采用切换开关，将接线的电动机以接线方式运行。负载率降低时也可采用轻载节电器。节电器为一交流调压器，可检测负载状态，自动降低电动机输入电压，降压运行。由于感应电动机在一定负载下当端电压降低时，转速减低，且效率和功率因数升高，故可节电。但应注意，电机的输出转矩随电压平方而变化，电压降低后的转矩应满足负载转矩的需要，降压后的电机功率应大于负载功率。轻载降压运行一般适用于小容量电机。

（4）容量较大的电动机，在其额定容量大于负载需要且条件合适时，可采用感应电动机同步化的办法，使其以同步电动机的方式运行，向电网输出无功功率，改善电网功率因数。

（5）对于转矩随转速平方而变化的负载，如风机、水泵等采用调速节电的办法最为有效。

（6）对于电动机的辅助设备如交流接触器、低压配电盘等，选用节能型设备，减少配电装置本身电耗。

2 直流电动机电能节约

直流电动机有良好的变速性能，只要改变磁通就可进行调速。所以直流电动机的节能主要在于电动机与运行特性相匹配，或对直流电源进行更换。从效率的观点看，直流电动机的额定输出越大，效率越高。当电机的可变损耗和不变损耗相等时，效率最高。通常直流电动机设计在负载率为70%～ 100%时效率最高。在一定的转矩下，不论是电压控制还是磁场控制，一般都在额定转速时效率最高，转速降低时效率下降。直流电源的效率以晶闸管供电为高（可达95%以上），电动发电机组的效率较低（75%～90%）。

选择电动机容量时使其运行的负载率在最高效率范围内，一般接近于额定值。在单机制作极限内，因额定输出大的电机效率高，通常选用单台大型的电机有利。电机额定电压的选定，在允许情况下以电压高为有利，可以减小电缆的电能损耗和电压降。可采取以下方法节电。

（1）直流电源选用晶闸管供电方式。

（2）电动机的负载接近额定容量。

（3）调速时，尽量避免采用在电枢串联电阻的方式，因电阻上会引起较大电耗。应采用高效调速方式，如改变晶闸管供电电源的电压和用斩波器调节直流电压，这两种方式的损耗都很小。在他激电动机上，用晶闸管改变励磁电压、改变磁通而调速，损耗也小。

3 同步电动机电能节约

同步电动机的节电主要在于调节其功率因数。与感应电动机相比较，它的转速恒定不变，与负载大小无关；而它的功率因数是可调的，能在的情况下运行；在运行中还可以调节励磁电流。若增加它的励磁电流，同步电动机就在过励状态下运行，功率因数角超前；若减少它的励磁电流，同步电动机就在欠励状态下运行，功率因数角滞后。使同步电动机在过励状态下运行，即在超前功率因数角情况下运行，从而改善电网的功率因数，节约电能。

4 电动机的调速节电

各种调速系统除可以调速外，有的还可以达到节能目的，这与采用的调速方式及负载特性有关。对于恒转矩负载，有转差损耗的调速系统不能达到节能目的，因为调低转速时减小的负载功率为增加的转差损耗所抵消；高效调速系统对各种特性的负载都能得到节能效果。对于转矩随转速平方而变化的负载，调速节能的效果较好。

4.1 交流感应电动机的节电调速方式

（1）利用电磁转差离合器的节电调速。

电磁转差离合器原理结构如（图1）所示，由电枢和磁极两部分组成，磁极部分由磁极与励磁绕组组成。电枢部分与电动机的转轴联接，以恒定转速旋转，是主动部分；磁极部分与机械负荷的转轴相联，是从动部分，转速为。当励磁绕组通入直流励磁电流后，电磁转差离合器的磁路里产生磁通，旋转的电枢切割气隙磁通，电枢中感生电流，这个电流与磁通作用产生电磁转矩。因主动部分已有电动机带动，从动部分随主动轴的方向旋转。电磁转差离合器通过改变励磁电流可随意调整磁极的转速，从而改变机械负荷的转速。

利用电磁转差离合器调速，在接近额定转速范围内（90%额定转速以上）运转时，效率比电流型变频调速和直流电动机调速的效率都高，功率因数也高，节电效果明显。这种调速方式特别适用于负荷转矩随转速下降而减小的风机和泵类负荷及恒转矩造纸机、皮带机等负荷。但离合器存在摩擦转矩和剩磁，因此在负荷转矩低于10%额定转矩时，可能使控制功能变坏，甚至失控，所以这种调速方式不适于转矩与转速成反比的吊车类负荷。

（2）利用液力耦合器调速，液力耦合器的原理结构如图2所示，它主要有两个带有径向叶片的碗状工作轮组成。主动轴带动的称泵轮，带动从动轴的称为涡轮。两轮对置，两者之间保持一定间隙，两个碗状结构形成一个腔室―― 循环圆。当泵轮旋转时并向腔室内充以工作液体，液体在泵轮内获得动能，进入涡轮后，其动能变成机械能，从而带动从动轴，实现功率传递。调节循环环内的液量，就可实现从动轴的无极调速，节约电能。这种方式适用于大功率的风机和泵类负荷。

三相绕线转子感应电动机使用晶闸管串极调速，晶闸管串极调速的原理电路如图3所示，绕线转子感应电动机转子电压经二极管整流为直流电压，在由晶闸管逆变器将（逆变器电压）逆变为交流电压，功率经变压器反馈到交流电网。此时可视为加到电动机转子绕组的电动势，控制逆变角就可改变的数值，亦即改变了引入转子电路的电动势，从而实现了绕线转子感应电动机的串极调速。这种调速方式可实现无极平滑调速，消除转子串电阻调速时的电阻发热，减小损耗，节约电能。

如采用常规的晶闸管串极调速，由于电流滞后电压导通，不但电机本身需要吸收无功功率，而且逆变器也要吸收无功功率，从而使功率因数进一步降低，功率因数在0.4～0.6之间。而超前导通的晶闸管串极调速，是应用一种可关断的晶闸管，在门极加正向脉冲电流能使其导通，加反向脉冲电流能使其关断的器件。依靠此特性使电流超前电压，从而可使功率因数提高到0.9以上，达到节电目的。

（3）利用变频调速，感应电动机的转速，改变电源的频率可以调节交流电动机的同步转速。当转差率变化不大时，基本上与成正比。因此平滑改变频率，即可平滑调节电动机的转速，从而满足机械负荷的要求，节约电能。

变频调速对于鼠笼型和绕线转子感应电动机都适用。这种调速方式具有优异的性能，调速范围大，平滑性较好，变频时电源电压按不同规律变化，可实现恒转矩或恒功率调速，以适应不同负荷的要求，现以得到广泛应用。

4.2 直流电动机的节电调速方式

（1）晶闸管-电动机组调速方式

用晶闸管把交流电变成直流电，形成可变的电压接在电枢上。调整晶闸管触发脉冲的相位，可把输出的直流电压和电流控制在任意正负值上，从而转速和转矩都可以自由调节。这种调速方式，在主电路上没有电阻，因此主电路没有损耗，即使在低速范围内损耗也不增加。另一方面，通过逆变器使电流极性反向，进行制动。制动能量全部反馈到交流侧而回收（再生制动），而且从全速到低速的整个范围内均可进行制动。由此可知，从节电方面看，也是一种最佳的制动方式。其原理电路如图4所示。

（2）晶闸管斩波器调速方式，将直流电源的恒定直流电压变换为可调直流电压的晶闸管装置，称为直流斩波器。直流斩波器以晶闸管作为直流开关，控制负荷电路的接通与关断，使负荷端得到大小可调节的直流平均电压。主电路没有电阻，而且也可以再生制动，因此是一种节电的调速方式。其原理电路如图5所示，这种调速方式起动平稳，调速特性好，节电效果显著。

5 提高电动机的功率因数

提高功率因数也是电动机节电的重要方面。可采取以下方法提高电动机的功率因数。

（1）合理选择电动机的容量。使负荷率在70%以上，可使功率因数相应提高。

（2）采用适当的调速方式。

（3）对负荷不足的电动机降低外施电压。

①如果长期轻负荷运行的感应电动机，其定子绕组原为接法，可改接，使每相绕组电压降为原来的，从而定子旋转磁场也降为原旋转磁场的，使电动机的铁损相应的减小，电动机的功率因数提高。

②如果长期轻负荷运行的电动机，调换较小容量的电动机受条件限制，定子绕组又不变改为接时，则可将定子绕组分段改接，如（图6）所示。使电动机定子绕组每相由原来的三个并联支路改接为两个并联支路，使每段绕组承受的电压减小，从而定子铁心磁通减小，铁损降低，功率因数提高。

（4）绕线转子感应电动机同步化运行。

在绕线转子感应电动机异步起动后，向定子绕组通入直流电进行励磁，使其变为同步电动机运行。这样可节约无功电能，甚至把感应电动机改为容性负荷向电网供给无功功率，使功率因数大大提高。

（5）减少电动机的空载损耗。

感应电动机的空载损耗主要是无功功率损耗，而各种生产机械在生产过程中又有不同的空载时间。对于空载运行时间超过5min的中小型电动机，应及时停机。当电动机在工作周期内反复出现上述情况，应安装空载自停装置，减小有功及无功损耗，提高自然功率因数。

（6）提高电动机的检修质量。

感应电动机的检修质量对功率因数影响较大，因此，在检修电动机时应注意提高检修质量，符合标准要求。

（7）采用同步电动机。

前面同步电动机节电已述。

综合所述，要做好电动机的节电，应根据实际情况，综合考虑，采取与之相适应的方法和措施，才能取得显著的节电效果。