节能高效电机如何节能？
2015-11-15 23:40:07点击：
编辑：湘潭电机厂
如何实现节能高效电机节能降耗： 异步节能高效电机是工矿企业必不可少的生产设备，而发电厂更是不可缺少的。所有的泵、风机类的转机设备，都是由异步电动机做拖动设备的。一个电厂一台机组就有高、低压异步电动机数十台，如陡河发电厂最小的#1机组也有50台左右，这还不包括几十台电动门用电机。如此众多的电机要在运行中注重节能降耗，增加企业效益应该是很可观的。问题在于如何降低电动机能耗，提高电机的效率，以增加经济效益，下面就针对异步电动机的总损耗的组成及有效减少损耗进行分析研究。
一、异步电动机能量损耗的组成
1、铜损耗：定子铜损；转子铜损；杂散损耗。
2、铁芯损耗。
3、机械损耗：通风损耗；摩擦损耗。
从以上列出的异步电动机能量损耗看，铜损耗和铁损耗我们在检修中是不宜改变的，它们是由设计决定的，而机械损耗是可以改变的。异步电动机一般来说级数少的即转数高的电动机机械损耗较大，铜损耗较小；而级数多的即转数低的电动机铜损耗占的比例较机械损耗就大。所以，我们要降低电动机的能量损耗就要从减少电动机的机械损耗入手解决。
二、减少电动机机械损耗的主要方法
减少电动机机械损耗主要从以下几个方面入手解决：
(1)采用高效率的风扇（如机翼型轴流风扇）；
（2）调整风罩与扇叶外圆之间的间隙；
（3）轻载电动机适当缩小风扇外径；
（4）采用高质量的轴承；
（5）采用优质润滑油；
（6）提高电机装配质量；
三、减少电动机机械损耗的具体措施
（一）调整电机风扇以降低机械损耗
首先，我们来看如何通过改变风扇尺寸进行节能：大家都知道电动机是把电能转变成机械能的设备，在转换过程中要产生损耗，这些损耗是以热的形式出现的，它使电动机发热。定子绕组有电流流过后产生铜损耗，经槽绝缘材料把热传导给定子铁芯，再由定子铁芯传给电机外壳散发到空间。转子的热量是由转子铝耗及其摩擦产生的，它传给转子铁芯和内风扇表面，靠内风扇搅拌使热量散发在电机内空间，再传给定子铁芯、端盖、机座，定、转子这两股热量均由外风扇吹散。因此，外风扇风量的大小是决定电动机的温度不能超过其绝缘材料等级所允许温度的关键。
国家标准规定了各种绝缘等级的电动机在额定运行条件下的允许温升，要求电动机中最热点温度不允许超过其绝缘等级的极限温度，而电机常用绝缘等级如下表：
其中：允许温升=允许温度极限—环境温度规定值—热点温差
绕组的热点温差是指当电动机带额定负载时，绕组热点的稳定温度与绕组平均温度之差。
表内数值单位皆为摄氏度：
绝缘等级 允许温度极限 环境温度规定值 热点温差 允许温升
A级 105 40 5 60
E级 120 40 5 75
B级 130 40 10 80
F级 155 40 15 100
H级 180 40 15 125
当电动机处于空载或轻载时，电动机总损耗要比额定时小，而风量与电动机总损耗成正比关系，所以风扇处于“大马拉小车”（因为通风损耗与电动机转速恒定，故通风损耗不随负载变化，所以这时应降低风量来减少电动机的通风损耗）。改变风扇叶形状可以降低风量，但比较麻烦，不如直接减少外风扇叶直径来降低风量更简便些。我们知道风扇本身的机械损耗按扇叶直径的4—5次方成比例，而风量随扇叶直径的平方成正比，所以减小扇叶直径时，风量降低不多，而通风损耗却降低很多。
由于外风扇的冷却风量减少，使电动机温升上升，但仍能保持电动机温升在绝缘等级允许的范围内。同时，我们还要看到由于外扇叶直径缩小电动机机械损耗降低，又会使电动机温升进一步降低。尤其对于2，4级这样高转速的电动机，当风扇外径缩小14%—16%时，通风损耗下降20%—40%。另外，改变扇叶直径的同时，要相应改变挡风板或风扇罩尺寸，使它们互相配合的尺寸符合规定。风扇叶与风扇罩的间隙不可过大，一般在10—15之间，过大会增大高压区回流到低压区的漏风损耗，同时要保持扇叶与风扇罩之间原有的角度，其作用是使进风的一部分动压力转变为静压力而减少损耗。当然，我们还可以在温升许可的范围内，为了降低风扇的风量亦可降低风扇的等级来使用。比如8号机座用的风扇经过调整和修整可使用在9号机座轻载的电动机上，这样就可使9号机座轻载的电动机降低机械损耗，并使温升提高些来提高电动机的效率和功率因数。
（二）减少摩擦以降低机械损耗
电动机轴承的正常运转、噪声、振动、过热、寿命等因素均与合理选择润滑脂有关，目前通常是选用3号锂基脂为好，可以降低机械损耗，不过当前随着科学技术的飞速发展又出现了许多性能优越的润滑脂，如：国产‘中小型电动机轴承润滑脂’其性能经有关部门测试达到日本JIS2220—80滚动轴承润滑脂的标准，接近瑞士SKF65C润滑脂的水平，含杂质极低，价格与3号锂基脂相当。再有当前在市场上出现的美国艾索润滑脂性能也不错。我们完全可以使用这些性能不错的润滑脂来改善电动机的运行状况以降低机械损耗。做为电动机专业检修人员我们还可以在合理选用轴承上下功夫，也可以节能降耗；既然我们以经知道级数少的电动机机械损耗大，级数多的电动机机械损耗校我们就可以在修理电动机时有选择地使用轴承。例如，在高转速的电动机上我们可以使用进口轴承或国产高级别的B、C级优质轴承使损耗降到最校而在低转速的电动机上我们可以使用国产中高级的轴承C、D级，这样在轴承上我们就可以省下一笔资金，从而达到节能降耗的目的。
（三）提高功率因数以降低机械损耗
发电厂里的转机拖动设备95%是交流异步电动机，而交流异步电动机是低功率因数的设备。如果提高其功率因数可以充分发挥供电设备潜力，同时又可降低生产成本和节约电能。下面，就如何提高功率因数的问题我们进行讨论。
1、合理调整运行设备，提高功率因数
在未进行人工补偿前，应考虑对电厂现有设备进行检查和调整，使其合理运行，从而提高功率因数。
（1）一般来说电厂?鹊纳璞付际桥涮椎奈扌栉颐窃谌萘亢脱⌒蜕峡悸牵?恍杩悸窃诵兄械牡缁??苊狻按舐砝?〕怠毕窒螅?备涸芈实陀?0%时，可以考虑更换小容量的电动机。当负载率低于30%时，可将三角接线的绕组改为星形接线的与运行方式，这样一来电动机的效率和功率因数均有所提高。
（2）对老系列的电动机如：JO、JO2系列的老式电机进行改造或淘汰，更换Y系列的节能电动机。
（3）正确使用和维护电机，注意控制其频繁启动（频繁启动时功率因数很低），精心的检修，在电动机安装时调整好中心线及电机转、静子间隙也是必不可少的，因为气隙不均会造成空载电流增大，功率因数降低。
2、加装变频器，提高功率因数
使用变频器进行调速来实现提高功率因数的目的，也是常用的节能方法，即在普通的交流异步电动机上加装变频器，此方法安装简单，操作方便，节能效果显著。
变频器在国外早以大量使用，我国也开始普及，因此，我们来分析一下普通电动机采用变频器后的损耗情况。
感应电动机投入电源后要吸收电功率，即输入功率P1，经过内部电磁转化，变成转轴上的机械功率输出，即输出功率P2。在转化过程中要产生损耗，那么当电动机采用频率变换器供电后并以恒转矩运行时，电动机的损耗会有哪些变化呢？
（1）电机的转、静子铜损是与频率变化无关的常数，但是在实际拖动中，为了补偿定子绕组电压降，要适当降低频率或者适当提高外施电源电压，因此U1/f不能保持比值不变。再有，为了电动机处于最佳运行状态，也要求改变U1/f的比值，所以实际电流也多少有些变化，因此铜耗也多少随频率改变而改变，但变化不大。
（2）铁耗。铁损耗随频率的降低而降低，但是由于采用电压型逆变器的变频电源供给电动机，电源电压波形中含有高次谐波分量，与具有正弦波电源相比，铁损耗要增加。再有，所有杂散损耗也均随高次谐波分量的增大而增大。
（3）机械损耗。通常，轴承摩擦损耗与电动机转速的1--2次方成正比，而通风损耗是与电动机转速的3次方成正比，所以当电源频率降低时，机械损耗也降低。但我们大家都知道机械损耗在整个电动机的损耗中只占总损耗的50%以下，所以其变化量可忽略不计。
综合以上分析我们可以看到，使用变频电源后的电动机总的损耗降低了。
总之，只要我们能认真地学习理论知识，不断提高专业技术水平，并付之实践，节能降耗一定能收到良好的效果。
一、异步电动机能量损耗的组成
1、铜损耗：定子铜损；转子铜损；杂散损耗。
2、铁芯损耗。
3、机械损耗：通风损耗；摩擦损耗。
从以上列出的异步电动机能量损耗看，铜损耗和铁损耗我们在检修中是不宜改变的，它们是由设计决定的，而机械损耗是可以改变的。异步电动机一般来说级数少的即转数高的电动机机械损耗较大，铜损耗较小；而级数多的即转数低的电动机铜损耗占的比例较机械损耗就大。所以，我们要降低电动机的能量损耗就要从减少电动机的机械损耗入手解决。
二、减少电动机机械损耗的主要方法
减少电动机机械损耗主要从以下几个方面入手解决：
(1)采用高效率的风扇（如机翼型轴流风扇）；
（2）调整风罩与扇叶外圆之间的间隙；
（3）轻载电动机适当缩小风扇外径；
（4）采用高质量的轴承；
（5）采用优质润滑油；
（6）提高电机装配质量；
三、减少电动机机械损耗的具体措施
（一）调整电机风扇以降低机械损耗
首先，我们来看如何通过改变风扇尺寸进行节能：大家都知道电动机是把电能转变成机械能的设备，在转换过程中要产生损耗，这些损耗是以热的形式出现的，它使电动机发热。定子绕组有电流流过后产生铜损耗，经槽绝缘材料把热传导给定子铁芯，再由定子铁芯传给电机外壳散发到空间。转子的热量是由转子铝耗及其摩擦产生的，它传给转子铁芯和内风扇表面，靠内风扇搅拌使热量散发在电机内空间，再传给定子铁芯、端盖、机座，定、转子这两股热量均由外风扇吹散。因此，外风扇风量的大小是决定电动机的温度不能超过其绝缘材料等级所允许温度的关键。
国家标准规定了各种绝缘等级的电动机在额定运行条件下的允许温升，要求电动机中最热点温度不允许超过其绝缘等级的极限温度，而电机常用绝缘等级如下表：
其中：允许温升=允许温度极限—环境温度规定值—热点温差
绕组的热点温差是指当电动机带额定负载时，绕组热点的稳定温度与绕组平均温度之差。
表内数值单位皆为摄氏度：
绝缘等级 允许温度极限 环境温度规定值 热点温差 允许温升
A级 105 40 5 60
E级 120 40 5 75
B级 130 40 10 80
F级 155 40 15 100
H级 180 40 15 125
当电动机处于空载或轻载时，电动机总损耗要比额定时小，而风量与电动机总损耗成正比关系，所以风扇处于“大马拉小车”（因为通风损耗与电动机转速恒定，故通风损耗不随负载变化，所以这时应降低风量来减少电动机的通风损耗）。改变风扇叶形状可以降低风量，但比较麻烦，不如直接减少外风扇叶直径来降低风量更简便些。我们知道风扇本身的机械损耗按扇叶直径的4—5次方成比例，而风量随扇叶直径的平方成正比，所以减小扇叶直径时，风量降低不多，而通风损耗却降低很多。
由于外风扇的冷却风量减少，使电动机温升上升，但仍能保持电动机温升在绝缘等级允许的范围内。同时，我们还要看到由于外扇叶直径缩小电动机机械损耗降低，又会使电动机温升进一步降低。尤其对于2，4级这样高转速的电动机，当风扇外径缩小14%—16%时，通风损耗下降20%—40%。另外，改变扇叶直径的同时，要相应改变挡风板或风扇罩尺寸，使它们互相配合的尺寸符合规定。风扇叶与风扇罩的间隙不可过大，一般在10—15之间，过大会增大高压区回流到低压区的漏风损耗，同时要保持扇叶与风扇罩之间原有的角度，其作用是使进风的一部分动压力转变为静压力而减少损耗。当然，我们还可以在温升许可的范围内，为了降低风扇的风量亦可降低风扇的等级来使用。比如8号机座用的风扇经过调整和修整可使用在9号机座轻载的电动机上，这样就可使9号机座轻载的电动机降低机械损耗，并使温升提高些来提高电动机的效率和功率因数。
（二）减少摩擦以降低机械损耗
电动机轴承的正常运转、噪声、振动、过热、寿命等因素均与合理选择润滑脂有关，目前通常是选用3号锂基脂为好，可以降低机械损耗，不过当前随着科学技术的飞速发展又出现了许多性能优越的润滑脂，如：国产‘中小型电动机轴承润滑脂’其性能经有关部门测试达到日本JIS2220—80滚动轴承润滑脂的标准，接近瑞士SKF65C润滑脂的水平，含杂质极低，价格与3号锂基脂相当。再有当前在市场上出现的美国艾索润滑脂性能也不错。我们完全可以使用这些性能不错的润滑脂来改善电动机的运行状况以降低机械损耗。做为电动机专业检修人员我们还可以在合理选用轴承上下功夫，也可以节能降耗；既然我们以经知道级数少的电动机机械损耗大，级数多的电动机机械损耗校我们就可以在修理电动机时有选择地使用轴承。例如，在高转速的电动机上我们可以使用进口轴承或国产高级别的B、C级优质轴承使损耗降到最校而在低转速的电动机上我们可以使用国产中高级的轴承C、D级，这样在轴承上我们就可以省下一笔资金，从而达到节能降耗的目的。
（三）提高功率因数以降低机械损耗
发电厂里的转机拖动设备95%是交流异步电动机，而交流异步电动机是低功率因数的设备。如果提高其功率因数可以充分发挥供电设备潜力，同时又可降低生产成本和节约电能。下面，就如何提高功率因数的问题我们进行讨论。
1、合理调整运行设备，提高功率因数
在未进行人工补偿前，应考虑对电厂现有设备进行检查和调整，使其合理运行，从而提高功率因数。
（1）一般来说电厂?鹊纳璞付际桥涮椎奈扌栉颐窃谌萘亢脱⌒蜕峡悸牵?恍杩悸窃诵兄械牡缁??苊狻按舐砝?〕怠毕窒螅?备涸芈实陀?0%时，可以考虑更换小容量的电动机。当负载率低于30%时，可将三角接线的绕组改为星形接线的与运行方式，这样一来电动机的效率和功率因数均有所提高。
（2）对老系列的电动机如：JO、JO2系列的老式电机进行改造或淘汰，更换Y系列的节能电动机。
（3）正确使用和维护电机，注意控制其频繁启动（频繁启动时功率因数很低），精心的检修，在电动机安装时调整好中心线及电机转、静子间隙也是必不可少的，因为气隙不均会造成空载电流增大，功率因数降低。
2、加装变频器，提高功率因数
使用变频器进行调速来实现提高功率因数的目的，也是常用的节能方法，即在普通的交流异步电动机上加装变频器，此方法安装简单，操作方便，节能效果显著。
变频器在国外早以大量使用，我国也开始普及，因此，我们来分析一下普通电动机采用变频器后的损耗情况。
感应电动机投入电源后要吸收电功率，即输入功率P1，经过内部电磁转化，变成转轴上的机械功率输出，即输出功率P2。在转化过程中要产生损耗，那么当电动机采用频率变换器供电后并以恒转矩运行时，电动机的损耗会有哪些变化呢？
（1）电机的转、静子铜损是与频率变化无关的常数，但是在实际拖动中，为了补偿定子绕组电压降，要适当降低频率或者适当提高外施电源电压，因此U1/f不能保持比值不变。再有，为了电动机处于最佳运行状态，也要求改变U1/f的比值，所以实际电流也多少有些变化，因此铜耗也多少随频率改变而改变，但变化不大。
（2）铁耗。铁损耗随频率的降低而降低，但是由于采用电压型逆变器的变频电源供给电动机，电源电压波形中含有高次谐波分量，与具有正弦波电源相比，铁损耗要增加。再有，所有杂散损耗也均随高次谐波分量的增大而增大。
（3）机械损耗。通常，轴承摩擦损耗与电动机转速的1--2次方成正比，而通风损耗是与电动机转速的3次方成正比，所以当电源频率降低时，机械损耗也降低。但我们大家都知道机械损耗在整个电动机的损耗中只占总损耗的50%以下，所以其变化量可忽略不计。
综合以上分析我们可以看到，使用变频电源后的电动机总的损耗降低了。
总之，只要我们能认真地学习理论知识，不断提高专业技术水平，并付之实践，节能降耗一定能收到良好的效果。
