昌進國

（南海發(fā)電一廠有限公司，佛山 南海 528211）

0 引言

椐統(tǒng)計2002年我國電機耗電占全國耗電量的60%以上，其中小型三相異步電機耗電約占35%，是耗電大戶，中小型電動機平均效率87%，國際先進水平為92%.中國中小型電動機節(jié)電潛力約為12億Wh。如果將所有電動機效率提高5%，則全年可節(jié)約電量達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、保護環(huán)境出發(fā)，高效率電動機是目前的國際發(fā)展趨勢。國家標準化管理委員會于2012年發(fā)布了強制性標準GB 18613—2012《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能等級》，標準將效率分為1（最高）、2級、3級（最低）三個等級。政府已將能效電機納入節(jié)能產(chǎn)品惠民工程實施范圍，并要求強制執(zhí)行更換2級及以上標準能效電機，采取財政補貼方式進行推廣。

能效節(jié)能電動機的設(shè)計是指運用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、新材料技術(shù)、控制技術(shù)、集成技術(shù)、試驗檢測技術(shù)等現(xiàn)代設(shè)計手段，減小電動機的功率損耗，提高電動機的效率，設(shè)計出能效的電動機。能效電機從設(shè)計、材料和工藝上采取措施，對每個能量損失環(huán)節(jié)進行改進，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 電機功率傳遞及效率

1.1 電機功率傳遞

電機功率傳遞見圖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 電機效率

電機效率是電能轉(zhuǎn)換為機械能的效果，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—電機總損耗。

當一臺2.2 kW 4極電機3級效率為84.3時，由上式可見其損耗相對值為0.157。若達到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。由表1可見：功率越小電機能效值低，3級提升到2級節(jié)能空間較大。功率越大電機能效值高，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 電動機損耗

電動機在將電能轉(zhuǎn)換為機械能的同時，本身也損耗一部分能量，典型交流電動機損耗一般可分為固定損耗、可變損耗和雜散損耗3部分?？勺儞p耗是隨負荷變化的，包括定子電阻損耗（銅損）、轉(zhuǎn)子電阻損耗和電刷電阻損耗；固定損耗與負荷無關(guān)，包括鐵芯損耗和機械損耗。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

降低電動機定子繞組的電阻是減少定子損失的主要手段，實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，可提高電動機效率。實驗表明，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，這對小電動機較有意義，因為小電動機一般為鑄鋁轉(zhuǎn)子，若采用鑄銅轉(zhuǎn)子，電動機總損失可減少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)力會嚴重影響電動機的損耗，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、并對硅鋼沖片進行熱處理，可降低10%～20%的損耗等方法來實現(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%。

目前對電動機雜散損失的認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）通過改進定子繞組設(shè)計減少諧波；（4）改進轉(zhuǎn)子槽配合設(shè)計和配合減少諧波，增加定、轉(zhuǎn)子齒槽、把轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計成斜槽、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：（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，流動損失一般占電動機總損失的20%左右。更低的電機運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)計為適宜的冷卻和更安靜的運行。好的流體力學(xué)和傳熱學(xué)設(shè)計會極大提高電動機的冷卻效率并降低流動損失。

3 節(jié)能潛力

3.1 小功率電機損耗

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及上述電機能效表可知，37 kW以上電動機要承擔一半以上總的電動機用電量。因此這部份電機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的效率更具節(jié)能潛力。

3.2 變頻器節(jié)能

對于風(fēng)機水泵泵類負載，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，因而電機效率有所提高，再加上軸功率有大幅度下降，電機輸入功率同樣大幅度下降。所以風(fēng)機水泵類負載采用變頻調(diào)速，在低速時可獲得好的節(jié)能效果。通過電動機變頻調(diào)速運行可以節(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

電機銘牌上電壓值是電機設(shè)計時的依據(jù)，實際運行時電網(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。當然降壓范圍不能太大，否則引起電動機過負荷能力降低及某些重載負荷過電流等問題，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中產(chǎn)生三相不平衡電流。用對稱分量法可以分成正序、負序及零序電流。當定子繞組Y接時，則零序電流為零。其中正序電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使電機轉(zhuǎn)運，負序電流產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩，使輸出轉(zhuǎn)矩有所減少，當電壓不平衡值小于10%時，負轉(zhuǎn)矩不大，一般可以不計。但對于負序磁場在轉(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)生的負序損耗及定子銅耗增加隨電壓不平衡度的增大而達到不允許的結(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

有些負載要求斷續(xù)運行，停止部分時間比運行時間長得多，采用起-運-停循環(huán)運行方式，有可能比負載運行-空轉(zhuǎn)-負載運行節(jié)約大量能耗（即電機空載損耗乘停運時間）。但起-運-停方式，需多次起動電機，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。起動時電機發(fā)熱增多，多次起動也會使電機過熱。因此，大中型電動機設(shè)計采用降壓、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，合理選擇電動機的起動方式，也可實現(xiàn)電動機節(jié)能。

4 結(jié)束語

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

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