中小型低压交流高效电机节能应用的典型误区

陈伟华， 吴艳红， 张 维

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

中小型低压交流高效电机节能应用的典型误区

陈伟华， 吴艳红， 张 维

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

我国前后共开发了五代中小型低压交流电机及其派生产品，虽然效率水平不断提高，但是由于电机系统节能不仅与电机本身效率的提高有关，还与电机及负载特性的匹配、速度调节控制模式等密切相关。在电机系统节能改造中，如果仅采用高效电机进行简单替换，或者是将原电机系统加装变频器等控制装置进行简易维护，很可能造成节能效果不理想。将一些电机系统节能改造中经常出现的典型误区进行分析，提出了更好的解决方案。

高效;交流电机;系统节能;误区

0 引言

我国中小型通用低压交流电机是量大面广的基础类机电产品，据统计其用电量约占我国总发电量的57%，是名副其实的“用电大户”。因此，做好中小型低压交流电机的高效节能，是实现节能减排目标的重要手段之一。

但是，在电机及系统节能改造时也发现，高效电机的应用效果往往需要与系统运行模式(或控制方式)、负载特性等多个方面结合在一起进行综合评估后，通过科学的判断和实践的检验才能得出节能与否。通俗一点讲，就是高效电机如果使用不当，将无法体现高效电机替换后的节能效果，甚至在一些特殊情况下出现了不节能的情况。

许多用户对高效电机的基础原理和应用存在很多误区，通过本文能够帮助最终用户正确使用高效电机，让减排落实在节能效果的体现上。

1 我国电机发展历史回顾

到目前，我国中小型通用低压交流电机及其派生产品已经过了五代的开发和更替，一直遵循着“新材料、新技术、新工艺”的发展趋势，特别是近几年随着电机系统节能工程的开展，电机的效率要求也越来越高。表1为低压三相异步电机的几代产品对比表，表2为低压交流三相异步电机的近几代产品内在结构及性能对比表。

表1 低压三相异步电机的几代产品对比表

表2 低压交流三相异步电机的近几代产品内在结构及性能对比表

2 电机设计中提高效率的措施

电机的效率与电机设计时对各项损耗的控制有很大的关系，提高电机设计效率的过程就是降低各项损耗的过程。电机在能量转换过程中内部产生的损耗一般分为五个部分:定子铜损耗、铁心损耗、转子铜损耗、机械损耗(也称风摩耗)和附加损耗(也称杂散损耗)，他们之和为总损耗。表3为提高电机效率措施。

高效电机的设计思路是:电机的效率与电机设计时对各项损耗的控制有很大的关系，也就是说，电机提高效率的过程就是降低各项损耗的过程。表3是针对5大电机损耗分别采取的措施和方法。

对于任何一台三相交流异步电动机来说，电机的效率就是电机输出的轴功率(机械功率)和电机输入功率(电功率)之比，用百分数表示:

其中:η代表电机的效率，P2代表电机的输出功率，P1代表电机的输入功率，因为电机铭牌上标定的都是电机的输出功率，因此电机的效率越高，表明电机在输出功率相同时，电机的输入功率越低，因此电机越节能。

表3 提高效率措施

3 常见的高效电机应用典型误区

3.1 水泵风机类负载采用高效电机的节能误区

对于泵和风机，由流体动力学理论可知，流体流量与泵或风机的转速一次方成正比，即:

水泵或风机的扬程(压力)与转速二次方成正比，即

其功率则与转速的三次方成正比，即

式中:Q、n、P——流量、转速、功率;

下标“e”——额定工况参数。

图1为 IEC 60034-31标准［1］中描述的采用IE3等级的超高效电机与采用IE2等级的高效电机，在水泵这类转矩与转速的平方成正比的负载配合时的对比曲线:由于超高效电机比高效电机的转子损耗小，额定运行点的转速会高一些，与水泵负载配合时，在系统管阻未发生变化的情况下，由于高出的转速实际上增加了整个系统的输出功率，尽管超高效电机效率更高，但是折算至输入侧则可能输入功率减少不多甚至未减少。同样，采用高效电机替换普通电机与此类似。这就是在风机或水泵这类转矩与转速的平方成正比的负载上，直接采用高效电机置换所获得的节能效果一般的主要原因。

图1 不同效率电机与泵类负载配合时的对比

举例来说，在循环水泵系统中，如果采用高效电机进行简单置换，由于系统对循环水量的要求，也就是流量的要求要高于对扬程的要求，增加的转速虽然同时增加了流量，但是在原流量已经满足系统需要的前提下，增加的流量就白白浪费了，而且还增加了输出功率。因此，采用高效电机直接替换原电机就不是一种理想的节能改造方案。解决此问题的方法就是采用电机高效再制造或采用与该水泵特性匹配的高效专用电机。

3.2 “大马拉小车”型节能入误区

电机长期运行在负载率40%以下就属于“大马拉小车”，系统运行不匹配，更换小功率档电机可使电机运行在高效区，但是单纯更换小功率电机的节能计算容易走入误区。

最常见的情况是:正在使用的Y系列75 kW 4极电机经过检测，输出功率长期稳定在30 kW运行，负荷率正好位于40%不经济运行临界点，如果简单更换为55 kW电机，错误的节能计算直接以两者功率差(75－55=20 kW)计算，然后乘以年运行时间来计算年节电量，在节能量审核申请材料经常发现这样的错误，真实情况如表4、表5所示。

从表4、表5可看出，75 kW电机运行负载率40%时，效率比额定点时低了很多，属于不经济运行区，此时更换成55 kW电机，负载率提高到55%，效率和功率因数提高了，电流和输入功率减少了，节省的电量为输入功率减少量，仅有32.65－32.481=0.169 kW。解决此问题的方法就是采用更高效、功率更合理的电机予以改造，使得电机运行在较为合理的负荷区间，又使得电机的高效率在能量转化过程中真正发挥作用。

表4 Y系列4极75 kW电机运行在负载率40%时参数

表5 更换为Y系列4极55 kW电机运行在负载率55%时参数

3.3 变频调速系统改造中将电机改为高效电机

在电机系统节能改造中，经常会遇到如下情形:控制系统根据负载调节要求需要改造为变频调速系统，在此基础上想通过将原电机更换为高效电机的方式，再获得更好的节能效果。

需要指出的是，变频调速节能与高效电机置换节能的原理、方法和适用范围及节能效果评价是完全两个概念、两种途径。要想说清这个问题，需要回顾一下变频调速节能的基本原理，现以原阀门(或挡板)控制的水泵(或风机)改为变频调速控制为例［2］。

由于传统流量调节通过改变阀门或挡板开度来实现。该情况下，电机总是处于全速运行状态(即使转速有变化也在很小的范围)，但实际上机组负荷需要不断调整。因此，这种方法存在严重的节流损耗。下面以水泵为例，比较阀门控制和变频控制的能耗情况。泵的实际输出轴功率为

根据水泵的相似原理，其非额定点的功率与额定参数的关系为

由图2可见，曲线BD、CE分别为不同转速下水泵的压力流量关系，BF、AF为不同管网阻力曲线。系统消耗有效功率的大小反映于管网阻力曲线上的压力H和流量Q的乘积，而泵的输出功率大小反映于水泵特性曲线上的H和Q的乘积，A为额定工作点。η1、η2分别为水泵在转速n1、n2下的效率曲线，水泵在设计时应在额定流量时获得最大效率。阀门开度减小时，受其节流作用，泵后管网流动阻力增加，水泵运行点沿恒转速曲线BD的A点上升到B点，使泵出口压力升高，流量减少。同时，水泵的工作效率沿曲线η1从最高点下降到M点。此时耗电量减少不多而效率下降较大。如通过阀门控制流量从100%减少到80%时，出口压力H将由100%增到110%(因为电机的运行转速变化不大)，总效率η由0.98降为0.8。

图2 水泵变频调速节能曲线

通过变频技术控制流量时，由于阀门全开，只改变水泵转速而不改变泵后管网阻力，当水泵转速降低时，其压力/流量曲线下移，运行点将由A点沿恒管网阻力曲线AF降到C点，即水泵流量减少，出口压力降低，同时其效率曲线随转速的改变由η1移到η2，水泵始终工作在最大效率附近，其节省能耗如图2所示。可见，通过变频控制流量同样从100%减少到80%时，出口压力降低到64%，总效率基本维持不变或下降不多。

即使不经过这样的计算，由式(4)可知:当转速减小时，电动机的能耗将以其三次方的速率下降，因此变频调速的节电效果非常显著。由式(2)和式(4)可知:如流量要求由100%降到80%，则转速相应降到80%，扬程降到64%，而电机的功率降到51.2%，即节约电能48.8%，因此变频调速的节能效果十分显著。

因此，变频调速电机在水泵系统中的节能原理是根据负载变化的需要，通过改变电机的转速来实现电机在低速运行时，将原来采用阀门调节应该节约而未能节约下来的能量(克服管阻做功)节省下来。结合前文介绍的高效电机节能原理不难发现，变频调速节能与高效电机置换节能的原理、方法和适用范围及节能效果是完全两个概念、两种途径，见表6。

表6 变频调速节能与高效电机置换节能的区别

在变频调速系统中将电机改为高效电机也并非节能上再节能。因为变频调速电机在低于额定点运行时，其功率一般将随着转速降低(因频率降低)减小(有恒转矩和变转矩两种)，电机的效率将下降(但下降范围有限)，如果换用高效电机，则同样会因功率下降导致效率下降，两者之间的差异是很小的，这与变频调速系统动辄30%～50%的节能率相比，几乎没有任何变化，在节能上也没有任何帮助，反而盲目增加了投资。

因此，在变频调速系统中没有必要将电机置换为高效电机，而应该使用适合于该负载设备的变频调速专用电机。

4 结语

以上仅列举了三类在电机系统节能改造中常见的高效电机置换较为典型的误区，从几种误区的分析可知，要想获得更理想的节能效果，不仅要了解高效电机节能的工作原理，同时还要将电机置身于电机、所拖动负载、控制装置及管网组成的电机系统中，具体分析电机和负载匹配或变化的关系，用系统节能的方法才是更好的选择。

［1］IEC 60034-31 Guide for the selection and application of energy-efficient motors including variable-speed applications［S］.

［2］谭有广，刘峰.水泵的变频调速节能原理分析［J］.应用能源技术，2004(3):27-28.

A Typical Misunderstanding of Medium and Small-Size and High Efficient Low-Voltage AC Motor Energy Saving Applications

CHEN Weihua，WU Yanhong，ZHANG Wei
(Shanghai Motor System Energy Saving Engineering Research Center Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China)

AC motor and its derived products which was and medium and small-size low-voltage for the fifth generation were developed in our country，although the efficiency had improved continuously，but the motor system energy saving was not only related with the improved motor efficiency，but also closely related to the match of motor and load characteristics，and the control mode in the speed regulator.In the motor energy-saving system，if only highefficiency motor simple substitution or the original motor system such as the installation of the inverter control equipment for easy maintenance was likely to cause unsatisfactory results of the energy saving.Analyzed typical misunderstanding which was often appear in the motor system energy-saving，and proposed a better solution.

high-efficiency;AC motor;system energy;misunderstanding

TM 34

A

1673-6540(2012)10-0001-04

2012-07-18