电机节能降耗技术和方法探讨

邵赫灵

（天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450）

0 引言

调查研究显示，我国电机在将电能转化为机械能的这一过程中消耗的电能占我国总发电量的60%以上，已达到发达国家的电能消耗量，如果将它们折算成原煤量，可以高达2 亿吨。根据我国相关人员的计算，电机的功率每提升1%平均节省200万吨原煤量。依照全国的发展形势来看，只有将电机的消耗功率提高，我国的工业发展才有意义。

1 电机的起源

从19 世纪20 年代法拉第证明可以将电力转化为物体的运动时起，到现在已经过去了100 多年，在这期间有无数的电机诞生，它的构造也已经发生了很多变化，但是始终没有一个很完善的电机被认可。

第一个电机的制造者是德国人雅可比，它由2 个U 形磁铁、一个6 臂轮和多个棒形磁铁组成。利用法拉第的电磁感应定律，带动轴轮转动。后来经过多次改良，又制造出一个比较大型的装置，使小船首次在河流上航行。再后来，美国的达文波特在这一技术原理上加上自己的想法制造出了第一台驱动印刷机，它是以电池作为电源，不仅制作成本高，而且还不实用。

经过几十年后，比利时的一位工程师格拉姆终于在刻苦研究下于19 世纪70 年代时设计出了世界上第一台直流发电机，它和电机的设计原理很相似。他验证了向直流发电机中输入电流时转子会旋转这一事实，之后这种电机被大规模生产出来。德国的西门子在这一电机的基础上又制造出了更好的发动机，随后又制造出了电车，但电车的马力只有3 码。又经并励电机美国发明家爱迪生之手将马力加大至12～15 码。

19 世纪80 年代美国发明家特斯拉发明了世界上第一台交流电机，它的原理是利用法拉第的电磁感应定律，又称感应电机。此电机使用了交流电来工作，因此被广泛应用在社会各个地方，包括家庭工业和供电方面。

20 世纪初，瑞典的工程师丹尼尔斯在借鉴前人的基础上提出了一个新的构想——同步电机，利用感应电机的原理，将转子通入直流电压，保持转速不变，使定子周围产生磁场，由此发明出来的电机适合钟表的使用。

直流电机是通过直流电来激发磁场，它的工作方式由绕组方式的不同来区别。串激电机利用自身转矩较大的特点，被广泛应用于牵引和起重方面。由于并激电机具有负载电阻大小可调节的特点，因此它被用在定速或调速方面。而复激电机恰好具备以上两种电机的发电性质。

现在市场上使用最多的就是交流换向器电机，即具有换向器的交流电机，通过研究发现它有一个很大的特点，就是它不仅可用于交流也可用于直流，所以人们也把它叫做交直流两用电机或通用电机，在家居的使用中这个电机很实用。按照它所具有的功能或发挥的作用可分为驱动和控制两类电机，按电能的种类可以分为交流和直流电机。

如今电机的发展已经达到了巅峰，对它的使用也远远超过了想象。

2 电机的工作原理及应用

电机的作用就是将电能转化为机械能，在转化过程中可能还伴随着其它能量的产生，比如热能。它的工作原理是由电生磁。通俗的讲，由电生磁的产生过程就是将通电后的线圈放入磁场中后，线圈中会有感应电流的产生，此时的线圈就相当于一个通电导体，当给线圈中通入电流且与磁场线垂直时，线圈就会因为受到电磁力的作用而发生运动，如果将它固定在一个转动的轴上，它就可以绕轴做旋转运动。

（1）伺服系统是根据输入目标来改变自身的自动控制系统，它的角度是由受到的脉冲决定的，当伺服系统在收到脉冲时会根据收到的脉冲数来改变本身的角度，从而实现位移。其次伺服系统本身也具备发射脉冲的能力，所以在接收外界脉冲时，伺服系统也会做出回应，与外界脉冲相呼应。通过计算伺服脉冲发射和接受脉冲的多少来达到控制电机方向的目的，从而实现精准的定位。

（2）交流伺服电机：目前市场用的一般都是同步电机，因为它的功率较大，其次由于它的转速随着它的功率增大而降低，所以，它还可以应用在要求低速平稳旋转的负载中。

（3）换相器——有刷电机，它的表面有一层绝缘金属，在与转子接触时，线圈中的电流方向将会发生变化，从而实现换相。

目前在各类电机的应用中，使用最多的要属交流异步电机了，它具有使用简单、价格低廉、功率因数低等特点。大范围的调速领域，使用最多的是同步电机，因为它的功率因数较高，且转速受负载影响严重，所以只能应用于一些相对稳定的区域。

自1970 年以后，电子科技得到快速发展，电机在社会中的应用领域也逐渐扩大。但是电机有一个很大的使用问题，就是它的负载会严重影响它的使用，因此在对它使用过程中，应将它的负载和它的电机特性相匹配，避免意外情况的发生。在近十年来，中国大力推行电机在市场中的应用，几乎各行各业的设备都应用了电机，特别是在化工、建材行业。

目前，国家对机械工业中电机的使用力度加大，相关组织也领导了研究小组研究电机的使用。截止目前，我国已有超过60种电机被淘汰了，并有20 多种新型电机被推行出。

3 电机的消耗功率

电机的消耗功率是指输入功率或者说是实际耗电量，输入功率是指将电能转化为机械能或者是热能的过程所做的功，而消耗功率一般是指电机消耗电能的快慢。

电机的功率分为视在功率、有功功率和无功功率。有功功率即是电机的消耗功率，包括一般产品使用说明上写的输出功率和机械损耗功率。

由于电机的电路是由导线组成的，所以它不存在纯电阻电路，因此在计算它消耗的电能时，可以通过计算电流做的功来计算消耗的电能，即W=UIt。在做功过程中，电流做的功大部分转化为了机械能，一小部分转化为了热能，在计算电机消耗的电功率时可以用P=W/t 或者P=UI 来表示。

4 电机的节能降耗

由于电机的工作效率低，导致在使用过程中损耗了大量电能。这些损耗主要包括铁耗、定子损耗、转子损耗等，损耗程度的大小与电机的类型和运动状态有关。我国电机做功的过程中损耗的电能，功率每提升1%平均节省200 万吨原煤量，每吨原煤创造的价值都很可观，更何况上百万吨的原煤呢。这些损耗的电能如果能被运用起来，对社会的发展将会起到很大促进作用。但是我国在对电机的节能降耗技术方面从未停下过探索的脚步，从它的生产到现在，仍然不能有一类很节能且高效的电机出现。

4.1 传统的节能降耗技术

在以往的电机使用过程中，电机的耗电量很高，但效果并不好，它的耗电量甚至超过了很多国家工业设备的用电量，因此在节能降耗问题上更迫切需要被解决此问题。

传统的异步电机的启动方式有3 种，包括自耦降压式启动、星三角降压式启动和全压启动。这3 种启动方式中，全压启动方式消耗的电流最大，同时消耗的能量也最大，这对设备本身会产生一定的影响，会减少它的使用寿命；自耦降压式电机和星三角降压式电机虽然启动电流比全压启动消耗的电流低，但是它的冲击电流却很大，很容易使设备出现故障。

4.2 现代的节能技术

（1）软启动技术。此技术是指依照之前设计好的程序，让电机在降压的环境中启动，其特点就是将电流降低，来达到延长电机使用寿命的作用。大多数软启动器的调压电路是由软启动器的晶闸管两两相反并联而成的。在加入了启动信号后，系统会发生延时，一般情况下会将这类技术应用在系统的自检中，让对晶闸管发出的信号进行统计和计算，通过控制晶闸管的导通角大小来控制启动器的输出，从而来达到节能降耗的作用。

（2）节电器技术。虽然电机的应用在工业中已经很广泛了，但它却是耗电最大的电气设备。通过研究显示，电机在实际的工作过程中，并不是满载运行的，而是满速或者满压运行。但是有些电机它的负载波动较快，这就导致很多这类电机在运行过程中有很多时候都是空载运行。

对电机的运行特性研究中发现，电机负载较小的时候所做功的功率才是最低的，这时电能的浪费最大。要想使电机的输出功率降低，就要使它两端的电压降低。通过这一原理，可以使节能器应用在电机中，从而来达到节能降耗的作用。

4.3 电机节能降耗方法

4.3.1 改变电机的转动速度。

在很多电机的运行过程中，电机消耗最大的原因是平均效率和最高效率相差较大。因此为了解决这一问题，需要先解决转速的问题，可以通过控制变频系统来控制转速，只有这样才能达到节能降耗的目的。

电机节能降耗的核心是变频调速器，它是一个能将电机频率和电压改变的器械，通过电机的频率和电压的改变来改变电机的转速，从而来达到节能降耗的目的。在降压过程中，空载电流会减小，电机的总消耗也会跟着减小。

近十年，我国生产出了很多变频产品，这说明我国对变频产品的使用量越来越大，最初变频产品刚推行出来时，因为它的技术和价格方面而不被社会人士认可。但现在，我国的变频技术已经取得了很大的进步，并被广泛应用在社会中，它不仅取代了最原始利用滑差来调速的方法，提高了电机的工作效率，也大大节省了能量的消耗。

4.3.2 定期保养电机器件

由于电机使用的领域很广泛，不同领域所使用的电机类型也不同，所以润滑需求也不同。在电机工作过程中，润滑效果决定了电机做功的快慢，因此在对电机润滑剂的选择上有区别。例如，有些电机的转动速度较快，在工作过程中散发出很多热量，而润滑剂在高温条件下会蒸发，从而使润滑剂浓度降低，因此这类电机应选择浓度较高的润滑剂；有些电机会使用在酸碱性较大的环境中，因此在选择润滑剂时，在能保证电机其他工作部分正常工作状态的基础上，还要要求它具有抗腐蚀性。

5 结语

综上所述，我国现在对电机的需求已经越来越大，电机本身也面临着许多改进的难题。从距离第一台电机的制造到现在已经过去了近两个世纪。在这期间，我国从未停止过对电机改进的脚步，各个机构都在研究如何使电机在工作过程中降低消耗。现在我国处于快速发展阶段，节能降耗是我们国家乃至整个社会关注的重点，而电机又是使用最广泛的一款设备，因此，在它的节能降耗方面，国家以及全国人民都很关注。