1、第5章 电动机系统节能,本章主要内容,第一节 异步电动机损耗及效率 第二节 异步电动机降低损耗提高效率的措施 第三节 异步电动机的合理使用 第四节 异步电动机轻载调压节能技术 第五节 异步电动机调速系统节能技术 第六节 异步电动机变频调速技术 第七节 高效异步电动机,考纲要求,考纲要求,教师导读,电动机系统节能是指对整个系统效率提高，它不仅提高异步电动机和被拖动的设备（如风机、水泵、空气压缩机等）单元效率最优化，而且要求系统各单元相匹配及整个系统效率的最优化。本章主要介绍了异步电动机的损耗、效率，提高异步电动机效率的主要措施，熟悉掌握电动机的合理使用。重点介绍了轻载调压节能、调速系统节能、变频
2、调速节能。本章的重点是：提高异步电动机效率的措施、异步电动机的合理使用、各种调速节能技术的应用。本章的难点是：变频调速节能技术在风机、水泵类负载的节能和应用。,5.1 异步电动机损耗及效率,电动机系统节能：是指对整个系统效率提高，它不仅提高异步电动机和被拖动的设备（如风机、水泵、空气压缩机等）单元效率最优化，而且要求系统各单元相匹配及整个系统效率的最优化。 异步电动机的损耗可分成五种（详见163166）。 （1）定子铜耗（PCU1) （2）转子铜耗（PCU2) （3）铁芯损耗（PFe) （4）风摩损耗（Pm) （5）杂散损耗（PS),5.1 异步电动机损耗及效率,异步电动机效率的计算：,提高电
3、动机效率，必然应该着眼于降低电机的5种损耗，即定子绕组损耗、转子绕组损耗、铁芯损耗、风摩损耗和杂散损耗。1、减小定子绕组电阻，降低定子绕组损耗(1) 采用性能好的绝缘材料。减薄槽绝缘厚度，可增大导线截面、绝缘整体性好、绝缘温降小、电机温升可降低。(2) 改进绝缘处理工艺，提高绕组导热性能，降低绕组温升。(3) 减小线圈端部长度，对于绕组电阻起很大作用，但是要求线圈制造、端部装配工艺和下线技术水平高。(4) 增大定子槽尺寸，增加槽内导线数量，用铜导线代替铝导线，减少绕组电阻。2、减小绕子绕组电阻，降低转子绕组损耗(1) 增加空气隙中的磁通。(2) 满足性能要求前提下，增大转子槽面积和端环尺寸。(
4、3) 提高铸铝工艺，增大转子导条及端环的导电率。(4) 用铸铜的转子，取代铸铝转子，转子损耗可下降38%。,5.2 异步电动机降低损耗提高效率的措施,5.2 异步电动机降低损耗提高效率的措施,3、降低铁芯损耗(1) 增大磁路截面，降低磁密。(2) 采用高导磁，低损耗硅片，选用冷轧硅钢片，高导磁、低损耗。(3) 减薄硅钢片厚度。(4) 工艺上改进，如转子冲片连接冲出气隙，减少冲片毛刺及硅钢片退火处理。4、降低风摩损耗(1) 改进风路结构，使电机绕组温升均匀。(2) 电动机温升允许条件下，尽量减小风扇尺寸，2极电机风扇外径减少12%16%，风摩损耗职降低27%63%,噪声下降310dB。 4极电机
5、外径缩小20%,风摩损耗下降10%。(3) 电机使用时为单向旋转，可选单向旋转风扇。(4) 采用冷却效率高的热管结构。(5) 选择优质轴承和润滑油脂。(6) 提高加工精度，提高装配质量。,5.2 异步电动机降低损耗提高效率的措施,5、降低杂散损耗(1) 定子绕组采用正弦绕组接法。正弦绕组具有基波分布系数高和谐波含量低的特点，这种绕组与通常Y接或接不同，而是采用“-Y”串联连接方式的正弦绕组。如图5-3所示。(2) 铁芯设计。a. 合适的定、转子槽配合。b. 适当增大气隙。c尽可能减少槽宽与气隙的比值。d.定子开口槽采用磁性槽楔。(3) 改进端部结构，减少端部漏磁在电机端置、压板等金属零部件中的
6、损耗。采用非磁性结构材料等。(4) 为了减少转子横向电流损耗，可采用转子导条与槽绝缘处理工艺，以增加转子导条与铁芯间的接触电阻。,5.3 异步电动机的合理使用,1、电动机功率的选择(P168P169),5.3 异步电动机的合理使用,确定电动机需要的输出功率时，应注意以下两个问题： 对计算功率所需要的有关参数值（如摩擦因数、负载、速度、风量、风压等），所留裕量不要过大。 所选用的电动机应满足负载所需要的启动转矩、最大转矩和最大负载。 对于运行的电动机，应测定负载率。一般异步电动机的额定效率和功率因数，是按负载率在75%100%范围内考虑的。,5.3 异步电动机的合理使用,2、电动机电压等级的选择
7、（P170）对于低压、高压的电动机，凡是供电线路短、电网容量允许，且启动转矩和过负载能力要求不高的场合，以选用低压异步电动机为宜。当然对于那些供电线路长、电网容量有限、启动转矩较高或要求过负载能力较大的场合，以选用高压电机为宜。,5.3 异步电动机的合理使用,3、电动机负载特性的选择（P171),5.3 异步电动机的合理使用,电动机的运行特性受它所拖动机械负载特性的影响。有些机械，如大部分风机、鼓风机、离心机、压缩机等，要求较小的启动转矩，但启动后所要求的拖动转矩随转速的上升而增加，因此通常选择一般机械特性的电动机。另外一些机械，如往复式空气压缩机、带负载的传送机等要求有较大的启动转矩，故常选
8、用高转差率的机械特性的电动机。这种电动机也适用于冲击负载或要求频繁启动的负载，如冲床、油井泵和起重机械。只有电动机的机械特性和它所拖动的负载特性合理匹配，才能满足才能、安全运行的要求。,5.4 异步电动机轻载调压节能技术,轻载调压节能技术的原理和方法：当电动机空载、轻载时，在不改变电动机的转速条件下，适当降低电动机的端电压（输入电压），电动机的铁耗PFe将随电压平方而减小，励磁电流也因磁通的减小而下降，使定子铜耗PCul也减小，从而降低了电动机的总损耗， 提高了电动机效率和功率因数。评价电动机空载、轻载运行时节能性能的指标是其最低运行电压的大小；而评价电动机动态响应性能的指标是电动机空载、轻载
9、运行于低电压，突加全负载时的响应速度。采取一种控制算法，根据负载的大小自动调节晶闸管的通断比、电压U及电流I，使cos始终保持在较高值，就可以提高电动机的效率，达到节能的目的。,5.5 异步电动机调速节能技术,1、异步电动机转动原理（详见P175176)“异步电动机”被称为“交流感应电动机”。感应电动机是一个电流生磁、磁动生电、电流生磁、电磁生力的过程。异步电动机通电后在定子中形成旋转磁场（电流生磁），转子线圈被感应出电势和电流（磁动生电），产生同步转动的转子磁场（电流生磁）， 被定子旋转磁场牵引相应磁极而转动（电磁生力）。因为转子旋转磁场是定子旋转磁场切割线圈感应出来的，所以转子的转速（在电
10、动机状态）总是低于同步磁场转速即异步。,5.5 异步电动机调速节能技术,2、异步电动机调速原理（P177182),异步电动机调速方式及比较,5.5 异步电动机调速节能技术,5.5 异步电动机调速节能技术,异步电动机调速应用领域(P182185)电动机调速的主要应用以下领域： 1. 节能调速节能调速是针对节能目的进行的电动机的调速。风机、泵、压缩机之类的通用机械系统采用调速调节流量方法节能有着明显的节能潜力。越是大功率的系统，其节能效果就越大。对比交流电动机的各种调速方法，实践证实，采取变频调速是效果最好的：自身能耗最小，现场使用灵活方便。 2. 工艺调速现代许多工业部门都把电动机当原动机，由于
11、工艺的需要，要求电动机调速运行。 3. 牵引调速牵引调速既包括电气火车、电传动的内燃机车、地下铁道、轻轨机车、无轨电车，乃至磁悬浮列车和电动汽车等水平运输的电动车辆，也包括电梯、自动扶梯、矿井卷扬机和龙门起货吊车等电动竖直牵引系统。 4. 精密调速在电动机拖动的某些应用场合，用户对调速范围和调速精度有严格的要求。,5.6 异步电动机变频调速技术,变频调速系统主要包括异步电动机、变频器、控制环节、负载及传动机构。 1、变频调速系统中电动机的选择（P185P187)（1）电动机容量的选择以普通异步电动机为例。在选择电机容量时，应考虑以下因素：电机的容量应大于负载所需的功率。电机的最大转矩应大于负载
12、的启动转矩，并要有足够的裕量。若电源电压下降了10时，电机仍能输出足够的转矩。电机应在规定的温升范围内使用。针对负载的性质，选择适合的电机运行方式。实际的电机容量可由下式求得：电动机的容量驱动负载所需的动力+加速（减速）所需的动力,（2）驱动负载所需动力的计算负载的形式多种多样，比较典型的有恒转矩负载、平方降转矩负载、恒功率负载。恒转矩负载。起重机、升降机等使重物垂直移动的装置，当重物以速度V被提升时，所需的动力功率为式中 P所需功率，kW；W重物质量+吊勾及钢绳质量，kg；V提升速度，ms；传动机构效率，。,5.6 异步电动机变频调速技术,5.6 异步电动机变频调速技术,第二节 异步电动机变
13、频调速技术,5.6 异步电动机变频调速技术,5.6 异步电动机变频调速技术,5.6 异步电动机变频调速技术,（4）调频专用电动机的考虑在变频器广泛推广的进程中，人们对电动机和变频器匹配问题的认识不断深化。若干年来，人们总是要求驱动装置尽量适合常规异步电动机的运行需要，如通过PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）和SPWM（输出电压的平均值接近于正弦波）等方案的实施，使这些电动机在变频过程中始终获得接近正弦波的供电电压。结果，按照正弦电压和正弦电流设计的常规异步电动机还是不得不运行在驱动装置带来的非正弦工况下，使运行效率明显降低。随着技术水平的提高，当前国内外都在开
14、展诸如变频调速专用异步电动机之类的高效运行电动机的研究，使电动机适应驱动装置的特点和具体工况来特殊设计和制造。由此，电动机的功率密度可提高20，在调速范围内其平均效率可提高3个百分点，功率因数可提高5个百分点。,5.6 异步电动机变频调速技术,2、变频调速系统中变频器的选择根据其性能及控制方式不同可分为：通用型、多功能型、高性能型，其控制方式也依次为 控制、电压型PWM控制、矢量控制等。1、变频器种类的选择根据负载机械的工作特点，结合对调速范围、调速精度和经济性的要求，用户可以选择不同种类的变频器来控制调速运行。（1）通用型变频器一般采用控制方式，适用于风机、泵类负载场合。其节能效果显著，调速
15、范围和调速精度较低，因此成本较低。（2）多功能通用变频器多功能变频器主要适应工业自动化，自动仓库、升降机、搬运系统、小型CNC机床、挤压成型机、纺织及包装机械等高速、高效需求，通常加强了以下几方面的功能：具有瞬时停电保护功能与电网进行切换所必备的自寻速功能，针对大幅度负载波动的转矩补偿功能和防止失速功能等。具有容易适合机械特性的可选功能，系统与变频器之间信息传递的输入输出功能等。具有低频（低速）补偿，进而增大调速范围、改善调速精度等功能。（3）高性能通用变频器无速度传感器矢量控制技术的引入和实用化，使变频器的性能大大提高。目前，高性能变频器驱动交流异步电动机系统已大量取代直流电动机驱动系统，广
16、泛应用于数控机床、挤压成型机、电线和橡胶制造设备中。,5.6 异步电动机变频调速技术,风机、水泵电动机变频调速与节能的关系（P192194)风机和水泵都是流体机械，有两种办法调节风机和水泵的流量：一是不改变电动机的转速，利用挡板阀门或者放空的办法来调节风量或流量；二是不改变挡板阀门的开度，通过调节电动机的转速来达到调节风量或流量的目的。在要求相同流量的条件下，上述两种解决办法下的功率消耗是很不相同的。对于第一种解决办法，由于电动机的转速基本不变，故在风量或流量调节前后，电动机所消耗的功率也基本不变。第二种方法，由于流体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系：,5.6 异步电动
17、机变频调速技术,即：流量与转速的一次方成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的三次方成正比。可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。,企业配有一台额定功率为55kW的引风机，额定风量为20000Nm3，电机的转速为900转/分钟，当风机出口压力不变情况下，计算风机出口风量为15000 Nm3时，电机的转速和运行功率？,5.6 异步电动机变频调速技术,5.6 异步电动机变频调速技术,3、风机、水泵负载应用变频调速条件（P194)根据我国风机、水泵负载应用变频调速的实践经验，为了合理有效地应用变频调速技术，国家标准GB/T 21056-2007风机、泵类负载变频
18、调速节电传动系统及其应用技术条件中规定了技术要求和应用条件。(1) 风机、泵类的运行工况点偏离高效区。(2) 压力、流量变化幅度较大，运行时间长的系统。 中低流量变化类型的风机、泵类负载及全流量间歇类型的风机、泵类负载运行工况应符合下列要求： a. 流量变化幅度30%、变化工况时间率40%、年总运行时间3 000h; b. 流量变化幅度20%、变化工况时间率30%、年总运行时间4 000h; c. 流量变化幅度10%、变化工况时间率30%、年总运行时间5 000h。 流量在额定流量的90%以上变化时，风机、泵类负载不宜用变频调速装置。(3)使用挡风板、阀门截流以及旁路分流等方法调节流量的系统。,5.7 高效异步电动机,1、我国异步电动机能效等级（P200)我国高效异步电动机系指达到或超过国家标准GB 18613-2006 中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级中的节能评价值，相当于欧盟eff1标准，即能效等级为2级的异步电动机，称为高效电动机。,5.7 高效异步电动机,高效电机的适用范围为了获得最佳的节能效果，高效电动机应用于连续工作定额、负载稳定且无特殊要求的设备上，特别适用于负载效率较高（60%以上）和连续运行时间较长(如年运行时间在3 000 h以上）的设备。,
