第4节 电机系统节能技术

1、第四节第四节 电机系统节能技术电机系统节能技术 电机系统节能技术电机系统节能技术 概述概述电动机系统的组成及运行状况电动机系统的组成及运行状况感应电动机工作特性感应电动机工作特性直流电动机工作特性直流电动机工作特性同步电动机工作特性同步电动机工作特性变频调速节能分析变频调速节能分析变频调速应用实例变频调速应用实例合理选择电动机容量合理选择电动机容量普通电动机的工作特性普通电动机的工作特性电动机的发展方向电动机的发展方向水泵风机类负载特性水泵风机类负载特性恒功率恒转矩类特性恒功率恒转矩类特性电动机的选择电动机的选择风机与泵的选择风机与泵的选择制冷压缩机节能技术制冷压缩机节能技术常用机械负载的特性

2、常用机械负载的特性风机和泵类负载节能风机和泵类负载节能电动机的经济运行电动机的经济运行电动机软启动节能技术电动机软启动节能技术变频调速节能技术变频调速节能技术空气压缩机节能技术空气压缩机节能技术调速原理及控制方式调速原理及控制方式知识知识结构结构 一一、了解内容、了解内容 （一）电动机系统的组成及目前的运行状况：（一）电动机系统的组成及目前的运行状况： 1.电机系统的组成：包括电动机、被拖动装电机系统的组成：包括电动机、被拖动装置、置、 传动系统、控制系统以及管网负荷等，电传动系统、控制系统以及管网负荷等，电机系统首先是通过电动机将电能转化为机械能，机系统首先是通过电动机将电能转化为机械能，再

3、通过被拖动装置做功，实现所需的各种功能再通过被拖动装置做功，实现所需的各种功能 。 2、电动机系统运行现状：、电动机系统运行现状： 1）.电动机及拖动设备效率低。电机产品效电动机及拖动设备效率低。电机产品效率比国外先进水平低率比国外先进水平低2%5%；风机、泵、压缩；风机、泵、压缩机产品效率比国外先进水平低机产品效率比国外先进水平低2%4%。 2)系统运行效率低。系统匹配不合理，系统运行效率低。系统匹配不合理，“大大马拉小车马拉小车”现象严重，设备长期低负荷运现象严重，设备长期低负荷运行行,大部分风机、泵采用机械节流方式调节，大部分风机、泵采用机械节流方式调节，系统运行效率比国外先进水平低系统

4、运行效率比国外先进水平低10%20%.(二二)电机系统节能改造的技术途径电机系统节能改造的技术途径1、加速淘汰更新落后设备；、加速淘汰更新落后设备；2、改善电机拖动系统调节方式，推广变频调、改善电机拖动系统调节方式，推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术，合理速、永磁调速等先进电机调速技术，合理匹配电机系统，消除匹配电机系统，消除“大马拉小车现象大马拉小车现象”；3、优化电机系统的运行和控制，推广软起动、优化电机系统的运行和控制，推广软起动装置和无功补偿装置，通过过程控制，合装置和无功补偿装置，通过过程控制，合理配置能量，实现系统经济运行。理配置能量，实现系统经济运行。（三）电动机的发展方向

5、（三）电动机的发展方向（4个）个） 1.推广高效节能电机推广高效节能电机。Y3系列和系列和YX3系列系列的平均效率为的平均效率为90.5%，比，比Y系列电机大约提高系列电机大约提高了了3%左右，与发达国家的高效电机的水平相左右，与发达国家的高效电机的水平相当。当。中小型三相异步电机能源效率实施细中小型三相异步电机能源效率实施细则则规定从规定从2008年年6月月1日日起中小型三相异步起中小型三相异步电机产品必须贴上电机产品必须贴上能效标识能效标识，否则不得进入，否则不得进入市场。市场。 2.研制新型稀土永磁电机。研制新型稀土永磁电机。稀土永磁材料稀土永磁材料是一种高性能功能材料，是高新技术产业的

6、是一种高性能功能材料，是高新技术产业的基础材料，在电机中使用基础材料，在电机中使用永磁体永磁体可使电机产可使电机产品小型化、高性能化，与电力电子技术结合，品小型化、高性能化，与电力电子技术结合，可以实现速度、转矩可调的机电一体化。可以实现速度、转矩可调的机电一体化。 4.电动机系统节能技术的发展电动机系统节能技术的发展趋势趋势。电机要电机要高效化和智能化；电机系统要变频化和信息高效化和智能化；电机系统要变频化和信息化；现有系统和设备进行改造，以先进的电化；现有系统和设备进行改造，以先进的电力电子技术传动方式改造传统的机械传动方力电子技术传动方式改造传统的机械传动方式，采用交流调速取代直流调速，

7、采用配有式，采用交流调速取代直流调速，采用配有减速装置的电气传动系统，采用基于现场总减速装置的电气传动系统，采用基于现场总线的多功能可通讯智能电机等；优化电机系线的多功能可通讯智能电机等；优化电机系统的运行和控制，推广软起动装置、无功补统的运行和控制，推广软起动装置、无功补偿装置、计算机自动控制系统等，这都将使偿装置、计算机自动控制系统等，这都将使电机系统取得可观的节能效果。电机系统取得可观的节能效果。3.电机控制技术的发展电机控制技术的发展趋势趋势是智能化、模是智能化、模块化、网络化、微型化、通用化等发展块化、网络化、微型化、通用化等发展二、理解要点二、理解要点 （一）电动机的分类（一）电动

8、机的分类 1.根据工作电源的不同，可将电动机分为交根据工作电源的不同，可将电动机分为交流电动机和直流电动机，其中交流电动机又分为流电动机和直流电动机，其中交流电动机又分为单相电动机和三相电动机，异步电动机和同步电单相电动机和三相电动机，异步电动机和同步电动机。动机。 2.按转子结构分类，可将异步电动机分为笼按转子结构分类，可将异步电动机分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。型感应电动机和绕线转子感应电动机。(二二)异步电动机运行时存在损耗异步电动机运行时存在损耗 1）定子铜损：电流通过定子绕组时电阻产）定子铜损：电流通过定子绕组时电阻产生的功率损耗（生的功率损耗（2）转子铜损：转子电流在）转

9、子铜损：转子电流在转子导体中产生的功率损耗（转子导体中产生的功率损耗（3）铁心损耗：）铁心损耗：主要是定子铁心的磁滞损耗和涡流损耗（主要是定子铁心的磁滞损耗和涡流损耗（4）机械损耗：电动机的轴承摩擦和转动时的机械损耗：电动机的轴承摩擦和转动时的风阻产生的损耗（风阻产生的损耗（5）附加损耗：主要是由）附加损耗：主要是由集肤效应引起的附加铜损，谐波引起的附集肤效应引起的附加铜损，谐波引起的附加铁损。加铁损。（三）三相异步电动机直接启动对电动机有（三）三相异步电动机直接启动对电动机有何危害何危害 电动机直接启动时电流很大，造成电动机电动机直接启动时电流很大，造成电动机的损耗增加，使电动机绕组发热，加

10、速边的损耗增加，使电动机绕组发热，加速边缘老化，影响电动机的使用寿命；同时机缘老化，影响电动机的使用寿命；同时机械冲击过大往往会造成电动机转子鼠条、械冲击过大往往会造成电动机转子鼠条、端环断裂、转轴扭曲、传动齿轮损伤和皮端环断裂、转轴扭曲、传动齿轮损伤和皮带撕裂等问题带撕裂等问题 .（四）普通电动机的工作特性（四）普通电动机的工作特性 （P73） 1.异步电动机的工作特性，包括转速特性，异步电动机的工作特性，包括转速特性，电流特性，转矩特性，功率因数特性，效率特性电流特性，转矩特性，功率因数特性，效率特性（特性曲线见下图）。（特性曲线见下图）。转速转速特性：随着负载功率的增加，电动机电流增特性

11、：随着负载功率的增加，电动机电流增大，电磁转矩上升，转速下降，异步电动机的转大，电磁转矩上升，转速下降，异步电动机的转速特性曲线是一条略下斜的曲线。速特性曲线是一条略下斜的曲线。 转矩转矩特性：特性：异步电动机异步电动机的输出的输出转矩转矩： 转速的变转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降。换范围很小，从空载到满载，转速略有下降。 转矩曲线为一个上翘的曲线。（近似直线）转矩曲线为一个上翘的曲线。（近似直线） 电流特性：空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。 效率特性：其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变； 效率曲线有最大值，可变损

12、耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。 异步电动机额定效率载74-94%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处。 功率因数特性：空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低； 随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高； 在额定功率附近，功率因数达到最大值。 如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。 异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性 1.转速特性转速特性)(Pfn 2.转矩特性转矩特性)(PfT 3.电流特性电流特性)(PfI 4.效率特性效率特性)(Pf 2.直流电动机的工作特性，包括转速特

13、性，电直流电动机的工作特性，包括转速特性，电流特性，转矩特性，效率特性流特性，转矩特性，效率特性3.同步电动机的工作特性，包括电流特性，转同步电动机的工作特性，包括电流特性，转矩特性，功率因数特性，效率特性。矩特性，功率因数特性，效率特性。 （五）常用机械负载的特性（五）常用机械负载的特性1、水泵类负载特性、水泵类负载特性 水泵的流量和扬程之间的关系称为水泵的流水泵的流量和扬程之间的关系称为水泵的流量扬程特性曲线，一般标称为量扬程特性曲线，一般标称为Q-H特性曲线。特性曲线。水泵的流量和轴功率之间的的关系称为水泵水泵的流量和轴功率之间的的关系称为水泵的流量轴功率特性曲线，一般标为的流量轴功率特

14、性曲线，一般标为Q-N特性特性曲线。一般水泵厂家在水泵出厂时，给出水曲线。一般水泵厂家在水泵出厂时，给出水泵在额定转速下测试的泵在额定转速下测试的Q-H曲线和曲线和Q-N曲线曲线。 水泵类负载特性水泵类负载特性1Q-H特性曲线特性曲线 2Q-N特性曲线特性曲线 3Q-特性曲线特性曲线 水泵的运行效率泵的运行效率与与Q、H、N之间的关系式：之间的关系式：=K QH/N K为常数为常数离心泵最高效率点的工况称为最佳工况点，最离心泵最高效率点的工况称为最佳工况点，最佳工况点一般为设计工况点。一般离心泵的额佳工况点一般为设计工况点。一般离心泵的额定参数即设计工况点和最佳工况点相重合或很定参数即设计工况

15、点和最佳工况点相重合或很接近。这样既节能又能保证泵正常工作接近。这样既节能又能保证泵正常工作。 2.风机类负载特性风机类负载特性风机的流量与全压之间的关系称为风机的流量风机的流量与全压之间的关系称为风机的流量全压特性曲线，标称全压特性曲线，标称Q-P特性曲线。风机的流特性曲线。风机的流量和轴功率之间的关系称为风机的流量轴功率量和轴功率之间的关系称为风机的流量轴功率特性曲线，标称特性曲线，标称Q-N特性曲线。特性曲线。 3.恒功率负载特性。恒功率负载的特性是转矩恒功率负载特性。恒功率负载的特性是转矩与转速大体成反比，其乘积（即功率）近似与转速大体成反比，其乘积（即功率）近似保持不变。例如金属切削

16、机床主轴、轧机、保持不变。例如金属切削机床主轴、轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机和开卷造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机和开卷机等。机等。 4.恒转矩负载特性。恒转矩负载的特性是指恒转矩负载特性。恒转矩负载的特性是指在任何转速下负载转矩总保持恒定或基本恒在任何转速下负载转矩总保持恒定或基本恒定，而与转速无关。例如传送带、搅拌机、定，而与转速无关。例如传送带、搅拌机、挤压机、摩擦机、吊车、起重机挤压机、摩擦机、吊车、起重机 。（六）根据泵及风机工作点要求六）根据泵及风机工作点要求 选择电动机容量选择电动机容量 （P77-78） 1.电动机负载率在电动机负载率在0.71之间时效率和功率之间时效

17、率和功率因数比较高。对因数比较高。对负荷基本不变负荷基本不变的电动机，若的电动机，若电动机输出功率为电动机输出功率为P，根据公式，根据公式选取电动机额定功率。选取电动机额定功率。 2.对对负荷变化负荷变化的电动机，先求出负荷变化的电动机，先求出负荷变化周期内电动机输出的平均功率周期内电动机输出的平均功率P，然后按，然后按 选取电动机额定功率。选取电动机额定功率。(P78)PP)45. 11 (ePP)45. 11 (e（七）变频调速的基本工作原理（七）变频调速的基本工作原理（P81） 根据电动机学理论，交流电动机的同步转速根据电动机学理论，交流电动机的同步转速为：为： ， 式中：式中：p电动机

18、电动机定子定子绕组的绕组的磁磁极极对数对数；f电源频率。电源频率。 异步电动机的实际转速总是低于同步转速的，异步电动机的实际转速总是低于同步转速的，且随着同步转速的变化而变化。当电源频率增加且随着同步转速的变化而变化。当电源频率增加时，同步转速增加，电动机的转速也增加；电源时，同步转速增加，电动机的转速也增加；电源频率下降，电动机的转速也下降。在频率下降，电动机的转速也下降。在p固定时，固定时，电动机的转速正比于电源的频率电动机的转速正比于电源的频率f。这种通过变。这种通过变频器来改变电源频率实现速度调节的过程称为频器来改变电源频率实现速度调节的过程称为变变频调速频调速。 pfn600三、掌握

19、重点三、掌握重点（一）风机及泵类负载的节能（一）风机及泵类负载的节能（P77） 1.选用节能型电动机、风机、泵。选用节能型电动机、风机、泵。 2.选用风机时，按正常操作流量的选用风机时，按正常操作流量的1.11.15倍倍及风压余量不超过及风压余量不超过10%的要求考虑选用风机。的要求考虑选用风机。 3.选用泵时，在满足所需最大压力的情况下，选用泵时，在满足所需最大压力的情况下，其额定流量为正常操作流量的其额定流量为正常操作流量的1.11.5倍，扬程倍，扬程余量不超过余量不超过8%。 4.根据负载功率的大小，合理选择电动机的根据负载功率的大小，合理选择电动机的额定功率，使电动机运行时的平均负载率

20、在额定功率，使电动机运行时的平均负载率在0.71之间，确保电动机高效运行。之间，确保电动机高效运行。（二）电动机软启动的特点（二）电动机软启动的特点(P80) 1.电动机软启动时，起动电流从零线性上升至电动机软启动时，起动电流从零线性上升至设定值，无冲击电流。设定值，无冲击电流。 2.软启动器可以引入电流闭环控制，使电动机软启动器可以引入电流闭环控制，使电动机在起动过程中保持恒流，确保电动机的平稳起动。在起动过程中保持恒流，确保电动机的平稳起动。 3.可根据负载特性调节起动过程的各种参数，可根据负载特性调节起动过程的各种参数，保证电动机处于最佳的起动状态。保证电动机处于最佳的起动状态。 4.降

21、低了电动机在空载或轻载时的输入电压，降低了电动机在空载或轻载时的输入电压，减小了电动机的损耗，提高了功率因数，减少了减小了电动机的损耗，提高了功率因数，减少了线路损耗。线路损耗。 5.具有具有过载、过流、缺相、过热过载、过流、缺相、过热等保护功能，等保护功能，提高了设备的可靠性。提高了设备的可靠性。（三）变频调速控制方式及节能技术分析（三）变频调速控制方式及节能技术分析 1.变频调速控制方式变频调速控制方式 （P81） 1）.频率在工频频率以下范围内调节，频率在工频频率以下范围内调节， 称为恒磁通调压调频调速，也称恒转矩调称为恒磁通调压调频调速，也称恒转矩调速速 2）.频率在高于工频频率以下范

22、围内频率在高于工频频率以下范围内 调节，这种升频定压调速方式称为恒功率调节，这种升频定压调速方式称为恒功率调速。调速。 3）.转差频率控制转差频率控制 。 2.变频调速节能分析变频调速节能分析（P82） 通常配置风机、水泵、压缩机时，其额定流通常配置风机、水泵、压缩机时，其额定流量高于需要的实际流量。其次，生产状况改变时量高于需要的实际流量。其次，生产状况改变时对流量的需求也发生变化，因此，需要对流量进对流量的需求也发生变化，因此，需要对流量进行调节。若采用节流调节，会造成能量损失。若行调节。若采用节流调节，会造成能量损失。若采用变频调速来调节流量，可取得较好的节电效采用变频调速来调节流量，可

23、取得较好的节电效果。例如某一风机运行时转速为果。例如某一风机运行时转速为n1，轴功率为，轴功率为P1，通过变频调速，风机转速降低为，通过变频调速，风机转速降低为n2，轴功，轴功率降低为率降低为P2。风机轴功率与转速存在下列关。风机轴功率与转速存在下列关系，系， ，即风机两种运行工况下的轴功率，即风机两种运行工况下的轴功率之比是转速之比的立方，风机转速若下降之比是转速之比的立方，风机转速若下降10%，轴功率则下降轴功率则下降27.1%。31212)( nnPP（二）变频调速应用实例（二）变频调速应用实例（P83） 1).1).风机的变频调速控制；风机的变频调速控制； 2).2).水泵的变频调速控

24、制。水泵的变频调速控制。（四）空气压缩机的节能措施（四）空气压缩机的节能措施 （7个方面个方面P85） 1.选用节能型电动机（选用节能型电动机（YX系列）。系列）。 2.提高传动效率）。提高传动效率）。合理配置电动机与压缩机之间的传动装置，减少合理配置电动机与压缩机之间的传动装置，减少机械传动过程中的能量损失，提高传动效率。机械传动过程中的能量损失，提高传动效率。 3.降低摩擦损耗。空压机内部的活塞与缸套降低摩擦损耗。空压机内部的活塞与缸套之间保持良好润滑，减少摩擦损耗之间保持良好润滑，减少摩擦损耗 4.减少压力损失和泄漏减少压力损失和泄漏 5.提高冷却器的交换热性能。提高冷却器的交换热性能。降低冷却水入口温度，提高冷却水流量，及降低冷却水入口温度，提高冷却水流量，及时清除冷却器沉积物，采用软化水等提高冷时清除冷却器沉积物，采用软化水等提高冷却器的交换热性能。却器的交换热性能。 6.合理设定工作压力。由于空压机的电耗合理设定工作压力。由于空压机的电耗与排气压力成正比，与排气压力成正比， 在满足