影响电机系统运行效率因素的分析

(黑龙江省节能监测中心，哈尔滨 150001)

0 引 言

电机系统包括电动机、被拖动装置、传动系统、控制(调速)系统以及管网负荷等，是一个涉及多学科、多专业、多领域的复杂系统，亦可称为广义的电机系统。电机系统通过电动机将电能转化为机械能，再通过被拖动装置(如风机、水泵、压缩机、机床、传送带等)做功，实现所需的各种功能。

电动机吸收电能，通过输出机械转矩来驱动各种负载机械，将机械能用于各种物件加工或各种介质输送。从能量传递过程来看，电机系统包括了电源、线路、电设备和电力变换器、电动机、连接部件、负载机械、调节器以及物件加工或介质输送等部分，如图1所示。

电机系统节能，基本有两方面：一方面要求构成系统的每一部分，在完成系统所赋予的特定工作任务之外，均要降低损耗提高效率，进而提高整个系统效率；另一方面则要求各部分参数匹配协调，使得整个系统效率最佳。

1 电机系统的应用现状

电机系统的应用范围十分广泛，其用电量约占工业系统总用电量的75%左右，占我国总发电量的60%以上。目前，电机系统在应用过程中较为关键的问题是往往把电动机和所拖动设备分开考虑，在提高各设备效率的同时，未从一个整体考虑，也就是系统的角度来分析系统需求、系统匹配、系统效率等，这也是目前电机系统运行效率比先进水平较低的主要原因。

举例来说，较多较早建立的工业企业中可以看到其直流电机调速系统是如下方式设计的：如图2所示。

由于存在能量转换效率和机组拖动机械传动效率2个方面的损耗，上述工作流程表示的这种调速运行模式是一种能耗较高、效率较低的系统控制方式。

2 影响电机系统运行效率的因素

影响电机系统运行效率的因素比较多，其中主要有电能质量问题、负载特性和电机本身效率变化等因素，引起的电机系统运行效率较低。

2.1 电能质量对电动机效率的影响

电能质量问题引起电机系统运行效率较低，有以下几种情况：

2.1.1 电压问题(电压不稳定，过、欠压)

根据国家标准GB755-2008《旋转电机定额和性能》的规定，电源电压最大可允许±10%的偏差。由于铁耗约与电压平方成正比，定子和转子绕组电流损耗约与电压平方成反比，因此电动机效率与电压变化的关系，将与不同负载率时，以铁耗为主的不变损耗和定/转子绕组电流损耗为主的可变损耗的比例有关。电压不稳定、过电压或欠电压供电，均使电动机不在设计电压点工作，从而降低效率。

2.1.2 三相不平衡问题

三相不平衡相量可以分解为正序分量、负序分量及零序分量。三相负序分量导致电动机损耗增加；零序分量的存在也增加零线线损。由于电机损耗与电压不平衡率成平方关系，因此在线路设计时应尽量避免三相不平衡现象。

2.1.3 功率因数偏低问题

由于我国电力设计系统在工厂供电的设计规划中习惯采取冗余设计，导致电机系统整体运行功率因数偏低，视在功率和线路电流增大，增加线路损耗。因此需通过无功补偿或无功就地补偿提高功率因数。

2.1.4 瞬变和浪涌问题

瞬变和浪涌现象对电动机存在负面影响。可以用压敏电阻和MOV器件对系统的瞬变和浪涌进行吸收。

2.1.5 高次谐波问题

电网的高次谐波(通常高次谐波一般是5/7/11次谐波等)，导致增加了电机绕组集肤效应和邻近效应，使线路损耗上升；同时，高次谐波还会导致电动机定子铁心磁滞损耗和涡流损耗增加，从而引起电机额外发热。

谐波问题对于变压器、配电系统效率也有一定影响，特别是变频器驱动电机时，普遍反映在原电动机加装变频器拖动后，电机温度明显增加，这些都是谐波问题带来的影响。

2.2 负载特性对电动机效率的影响

对于一般恒定负载连续运行的场合，如S1工作制，电气损耗Pv不随时间而变，因此可选用在恒定负载时损耗低、效率高的电机。对于负载特性为周期工作制、短时工作制或包含起动/制动等过程的工作制，应该考虑整个工作周期的损耗最低，如S4工作制，为包含起动的断续周期工作制，其损耗Pv由起动加速时的损耗与恒定负载时的损耗组成。如果选用高起动转矩电机，可缩短起动时间，减少起动损耗，从而使整个工作周期损耗降低；一般高起动转矩的转子电阻较大，电机在恒定负载时效率相对较低，应综合考虑。

2.3 负载率对电动机效率的影响

电动机的效率可表达如下：

总损耗为：

∑P=P0+PL

式中，P0为不随负载变化的损耗，即空载损耗，包括铁耗和风摩耗；PL为随负载变化的损耗，即可变损耗，包括定/转子绕组电流损耗和负载杂耗；PN为电动机额定功率；β为负载率。

由上式可知，电动机运行时，效率最大值即η*发生在负载率β*处，后者的表达式为：

式中，PLN为电动机额定功率时的可变损耗。

效率最大值η*的表达式为：

由以上可知，当电动机空载损耗Po和额定功率时可变损耗PLN确定后，即可确定电机最大效率以及相应的负载率。

例如，1台电机有2种设计效率与负载率关系，A方案Po=0.03PN，PLN=0.08PN；B方案Po=0.06PN，PLN=0.05PN。2种设计在额定功率时总损耗相同，前者空载损耗较低，可变损耗较大，后者空载损耗较大，可变损耗相对较小。因此，2种设计效率曲线相差较大，高空载损耗效率最高点在负载率为1.095处，即接近额定功率处；而低空载损耗效率最高点，在负载率为0.612处，且负载率在0.5～1范围内，效率较高。由于大部分电动机运行负载率子0.6～1.0范围内，因此高效率电机一般采用低空载损耗设计，同时，图3可见，当负载率低于0.5以后，电动机效率急剧下降，因此选用电动机时负载率不能过低。