能源管理师培训讲稿

能源管理师培训

电气工程学基础与节能技术

本讲共三章1、第四章电机与拖动

2、第九章电气测量基础3、第十一章电机系统节能技术第四章电机与拖动

第一节电机分类

一、电机分类

在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面，必须通过能够进行能量（或信号）传递与变换的电磁机械装置，这些电磁机械装置被广义地称为电机。电机可分为：

（1）发电机----把机械能转变成电能；（2）电动机----把电能转变成机械能；

（3）变压器、变频机、变流机、移相器等，分别用于改变电压、频率、电流及相位，把一种类型的电能转变成另一种类型的电能；

（4）控制电机----用于各种自动控制系统中的控制元件。从能量转换的观点看，发电机与电动机两者是可逆的。

静止的：如变压器等；

旋转的：各类发电机与电动机。

电机又可分为：直流电机、交流异步电机、交流同步电机以及各类特殊电机（控制电机）等。

电动机拖动生产机械的运动称为电力拖动（或称为电气拖动）。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、生产机械与电源五部分组成。

二、同步电动机

同步电动机分为旋转电枢式和旋转磁极式两种，旋转电枢式用于小容量电动机中，旋转磁极式用于大容量电动机中。

同步电动机的特点是：转子转速与负载大小无关，始终保持为同步转速，且功率因素可以调节。

同步电机的转子是磁极，由直流电励磁、直流电机的电刷和滑环流入流入励磁绕组。当电动机的转速接近同步转速时，旋转磁场对转子励磁。此时旋转磁场就紧紧地牵引着转子一起转动，两者转速保持相等（同步），这就是同步电动机名称由来。

n=60f/pp为极对数，当电源频率f一定时，电机的转速是恒定的。

改变同步电动机的励磁电流时，就可以就可以改变定子相电压和相电流之间的相位差，（改变同步电动机的功率因素），可以使同步电动机运行于电感性、电阻型和电容性状态）。

同步电动机常用于长期连续工作及保持转速不变的场所，如用于驱动水泵、通风机、压缩机等。二、其他电机异步电动机、直流电动机等都是作为动力驱动使用的。

控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，常用的有伺服电动机、测速电动机、步进电动机等。

控制电机的特点：动作灵敏、准确、重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。

第二节变压器及其应用

变压器是一种常见的电气设备，当输送功率和功率因素一定时，电压越高，则线路电流越小。

在电子线路中，除了有电源变压器外，变压器还用于耦合电路，传递信号，并实现阻抗匹配。

此外还有自耦变器、以及各种专用变压器。

一、变压器的工作原理

变压器由闭合铁芯和高压、低压绕组等几个主要部分构成。

（一）电磁关系

当一次绕组接入交流电压u1时,一次绕组中便有i1通过。一次绕组的磁通势N1i1产生的磁通绝大部分通过铁芯而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势。如果二次绕组中接有负载，则二次绕组中就有电流I2通过。二次绕组的磁通势N2i2也产生磁通，其绝大部分也通过铁芯而闭合，因此铁芯中的磁通是由一、二次绕组的磁通势共同形成的磁通，它称为主磁通。此外一、二次绕组的磁通势还分别产生漏磁通（仅与本绕组相连），从而在各自的绕组中分别产生漏磁电动势。

（二）电压关系（设加正弦交流电压）1、一次、二次侧主磁通感应电动势

一次感应电动势:e1=E1m

sin(ωt-90O)--一次感应电动势e1的有效值E1为：E1=4.44fN1

Фm

同理，二次绕组的感应电动势e2

为：

e2=E2m

sin(ωt-90O)二次感应电动势e2

的有效值E2

为：E2=4.44fN2

Фm2、一次、二次侧电压

一次侧电压：

式中：R1:

一次侧绕组的电阻；

：一次绕组的感抗（漏磁感抗）。

由于电阻R1和感抗X1（或漏磁通

）较小，其两端的电压也较小，与主磁电动势E1比较可以忽略不计，则，得到U1的有效值为：

同理对二次侧电路可列出：

式中：R2:二次绕组的电阻；

：二次绕组的感抗；

：二次绕组的端电压。

变压器空载时：I2=0,U2=U20=E2

=4.44fФmN2

式中U20

为变压器的空载电压。

一、二次绕组的电压之比为：

式中K

为变比（匝数比）

（三）电流变换（一次、二次侧电流关系）

由

当电源电源电压U1和频率f不变时，E1和Фm也都接近于常数，因此有：

变压器的空载电流i0

是励磁用的，而铁芯的磁导率，因此，空载电流很小，常可以忽略，因此可以认为：

从上面的关系可以得出：

（四）阻抗变换

变压器除了能变换电压和变换电流，还有变换负载阻抗的功能。

二、变压器的额定值

（一)额定电压U1N、U2N

变压器二次侧开路（空载）时，一次、二次侧绕组允许的电压值。

三相额定电压是一次、二次侧的线电压。（二)额定电流I1N、I2N

变压器满载运行时，一次、二次侧绕组允许的电流值。三相额定电流是一次、二次侧的线电流。

（三）额定容量SN

额定容量定义为传送功率的最大能力。

单相变压器SN=U2NI2N≈U1NI1N三相变压器SN=U2NI2N≈U1NI1N三、变压器的损耗与效率

变压器的功率损耗包括铁芯中的铁损耗ΔPFe和绕组中的铜损耗ΔPCu两部分。

变压器的效率常用如下公式表示：P2

:变压器的输出功率；P1

:变压器的输入功率。

四、特殊变压器

（一）自耦变压器

结构特点是：

二次绕组是一次绕组的一部分。

（二）电流互感器

电流互感器是根据变压器的原理制成的。它主要用于扩大测量交流电流的量程，此外使用电流互感器也是为了测量仪表与高压电路隔离。

结构：一次绕组匝数很少（一匝或几匝），二次绕组的匝数较多。

使用应注意：二次不能开路；铁芯、低压绕组一端接。

电流互感器是一种特殊的变压器，其一次侧线圈匝数很少（低压通常只有1匝），而二次侧线圈匝数很多（比如一个1000/5的互感器,二次侧线圈是一次侧的200倍）。在二侧开路时，二次侧电压会上升到一次侧线圈压降的很多倍（1000/5的互感器，就是200倍），从而影响二次回路的正常运行，并危及人身安全。

（三）电压互感器

电压互感器用于用低量程的电压表测量高电压。

使用时应注意：二次侧不能短路，以防产生过流；铁芯、低压绕组一端接。

电压互感器在正常运行中，二次负载阻抗很大，电压互感器是恒压源，内阻抗很小，容量很小，一次绕组导线很细，当互感器二次端发生短路时，引起一次电流很大，若二次侧熔丝选择不当，保险丝不能熔断时，电压互感器极易被烧坏。所以，电压互感器二次侧是不允许短路。

第三节直流电动机

直流电动机是将直流电能转换成机械能的电机。

按励磁方式分为：他励、并励、串励和复励四种。

特点：较好的调速性能（调速范围广、易于平滑调速）；较大的起动力矩（制动转矩大、易于快速起动、停车、易于控制）。

一、直流电机的工作原理

（一）构造

直流电机由定子（磁极）、转子（电枢）和机座等部分组成。

（1）定子（磁极）：在电机中产生磁场；

（2）转子（电枢）：由铁芯、绕组、换向器组成。1、电枢感应电动势E=KE

Фn

式中：E：电动势，单位伏特（V）；KE

：与电机结构有关的常数；

Ф

：一个磁极的磁通；n：电机的转速，单位为每分钟转数（r/min）。2、电枢回路电压平衡式U=E+IɑRɑ=KEФn+IɑRɑ

式中：

U：外加电压；

Rɑ：绕组电阻

。3、电磁转矩

转矩公式：T=Kr+ФIɑ

式中：T：电机转矩，单位为牛·米（N·m）；Kr

：与电机结构有关的常数；4、转矩平衡关系T=T2+T0

式中：

T2

：机械负载转矩；

Rɑ：空载转矩。

二、并励电动机的调速

并励直流电机的励磁绕组与电枢并联。

（一）并励直流电机调速的优点

1、调速均匀平滑，可以无级调速；2、调速范围大，调速比可达200以上。

（二）调速方法1、改变磁通调速

由于电动机在额定状态下运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常只是减小磁通，将转速往上调。

（1）优点①调速平滑，可以实现无级调速；

②调速经济，控制方便；

③机械特性较硬，稳定性较好；

④对专门生产的调磁电动机，调速幅度可达3～4。

（2）应注意

①若调速后Iɑ保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。②该调速方法只适用于恒功率调速。2、改变电压调速优点

（1）机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；

（2）调速幅度较大，可达6～10；

（3）可均匀调节电枢电压，得到平滑的无级调速。改变电压调速需要用专用设备，投资费用较高，近年来，普遍采用晶闸管整流电源进行调压和调磁。3、电枢回路串电阻调速

电枢回路串接电阻，由于电阻增大则转速下降。

特点

（1）设备简单，操作方便

；

（2）机械特性软，稳定性差；

（3）能量损耗大，只适用于小型直流电机。

第四节异步电动机

异步电动机是指电机工作时转子的速度与定子旋转的磁场速度不一致的电机，其主要优点是，笼型转子异步电机结构简单、牢固，特别适合用于高圆周速度电机；无集电环和碳刷，可靠性高，不受使用场所限制；设备简单负荷控制方便。

一、三相异步电动机的工作原理

（一）构造三相异步电动机分成两个基本部分。

定子（固定部分）

转子（旋转部分）1、定子

定子由机座和装在机座内的圆筒形铁芯以及其中的三相定子绕组组成。2、转子

分为两种：笼型和绕线型。

笼型：结构简单、价格低廉、工作可靠，不能人为改变电动机的机械特性；

绕线型：结构复杂、价格较贵、维护工作量大，转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。

（二）工作原理1、旋转磁场

三相绕组接成星形，绕组中就通入三相对称电流。

瞬时值表达式

波形图、旋转磁场

2、旋转磁场的旋转方向

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流的相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组电流的相序，将三根电源线中的任意两根对调即可。3、旋转磁场的极对数p

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120º，则产生的旋转磁场具有一对极，p=1（p是磁极对数）。

若每相绕组有两个线圈串联，绕组之间互差60º，将形成两对磁极的旋转磁场。

同理，如要产生三对极，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40º空间角。4、旋转磁场的转速

三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速取决于电源频率和磁场的极对数。在一对极的情况下，旋转磁场的转速为：n0=60f1，f1是电源频率，转速的单位为转每分（r/min）。在两对极的情况下，n0=60f1/2。当旋转磁场具有p对极时，磁场的转速为：n0=60f1/p

旋转磁场的转速n0常称为同步转速。当电源频率和磁场极对数确定后，旋转磁场的转速n0

也就确定了。

5、三相异步电动机的转动原理

当旋转磁场顺时针旋转式，其磁通切割转子导条，导条中就感应出电动势。方向由右手定则确定。

在电动势作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，从而使转子导条受到电磁力的作用。由电磁力产生的电磁转矩，转子就转动起来，转子的转方向与旋转磁场的方向相同。6、转差率

虽然电机的转子转动方向与旋转磁场的旋转方向一致，但转子的转速n

不可能达到旋转磁场的转速n0

，即n<n0

。因为如果转子与旋转磁场没有相对运动，磁通不切割转子的导条，也就没有转子转子电动势和转子电流，也不存在转矩。因此转子转速与旋转磁场转速之间必须要有差别。

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率S。

因此转子转速可由转差率公式求得：n=(1－S)n0，通常异步电动机在额定负载时的转差率为1%～9%。

二、三相异步电动机的损耗

异步电动机的损耗分为：恒定损耗、附载损耗、杂散损耗。

（一）恒定损耗

电动机的固有损耗，也称为空载损耗，它与负载大小无关。恒定损耗包括铁芯损耗（含空载杂散损耗）和机械损耗。

铁芯损耗一般占异步电动机总损耗的20%～25%。机械损耗一般占异步电动机总损耗的10%～50%。

（二）负载损耗

负载损耗主要指电动机运行时，定子、转子绕组接通电源后分别在定子绕组电阻和转子绕组电阻上引起的损耗，也称铜损。它包括定子铜损和转子铜损。铜损占总损耗的20%～70%。

（三）杂散损耗

杂散损耗主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线和铁芯及其它金属部件内引起的损耗。这些损耗占总损耗的10%～15%。

异步电动机空载时，损耗主要是恒定损耗，这时输出功率为零，其效率也为零；当负载从零增加时，负载损耗随负载而增加，但总损耗增加较慢，效率上升很快；当恒定损耗等于负载损耗时，效率达到最大值。若负载继续增加，负载损耗增加很快，其效率反而减小。

三、三相异步电动机的起动

（一）起动特性

起动：n=0，s=1，接通电源。

起动问题：启动电流大，起动转矩小。一般中小型笼型电动机的起动电流为额定电流的5～7倍；起动转矩为额定转矩的1.0～2.2倍。因为起动时n=0，旋转磁场对静止的转子有很大的相对转速，磁通切割转子导条的速度很快，此时转子感应出的电动势和产生的转子电流都很大。

（二）起动方法

笼型电动机的起动主要有直接起动、降压启动和转子串电阻启动。直接起动主要适用于30kW以下的异步电动机。

异步电动机的降压起动常用方法有两种。1、Y－△换接起动

起动时先接星形，等转速接近额定值时再换成三角形连接。

起动时把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的1/。

注意：

（1）仅适用于正常运行时为三角形连接的电机；

（2）Y－△起动时电流减小，起动转矩也减小，因此仅适用于空载或轻载起动的场合。2、自耦降压起动自耦降压起动是利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低。采用自耦变压器起动，也同时能使起动电流和起动转矩减小。

自耦变压器适合于容量较大或正常运行时连接成星形而不能采用Y－△起动的笼型异步电动机。

四、三相异步电动机的调速

根据转速公式n=(1－S)n0=(1－S)60f1/p，改变电动机的转速有三种可能。

（1）改变电源频率；

（2）改变极对数；

（3）改变转差率。

（1）、（2）两种用于笼式电动机调速，第（3）种用于线绕电动机调速。

（一）变频调速

由变频调速装置实现调速，它由整流器和逆变器组成。

整流器先将频率为50Hz的三相交流电变换场直流电，然后由逆变器变换成频率f1可变、电压有效值也可调的三相交流电，供笼式电动机使用。

变频调速常采用入下两种方法调速。

（1）当低于额定转速调速时，应采用恒转矩调速。

（2）当高于额定转速调速时，应采用恒功率调速。

变频调速可实现无级平滑调速，调速性能优异。

（二）变极调速

改变极数对数就可以改变转速，采用变极调速方法的电动机称为双速电机，调速时转速呈跳跃性变化。

（三）变转差率调速

在线绕型电动机的转子电路中接入一个调速电阻，改变电阻的大小，就可以得到平滑调速。如增大调速电阻，转差率上升，则转速下降。

特点：设备简单，投资少，但能量损耗大。第九章电气测量基础

第一节电气测量基本知识

一、电气测量方法直接测量法：将电工仪表直接测出被测量的大小。比较测量法：把被测量与“较量仪器”中的已知标准量进行比较而确定未知量的大小。间接测量法：根据被测量和其它量的函数关系，按函数式把被测量计算出来。二、测量误差（1）绝对误差：被测量与其真值之差。

ΔA=AX－A0

ΔA:绝对误差

AX:测量值

A0：真值（2）相对误差绝对误差与被测量的真值的比值。

r0=（ΔA/A0）×100%（3）引用误差绝对误差与仪表量程的比值。

rn=（ΔA/Am）×100%

Am=

Amax－

Amin（4）最大引用误差最大绝对误差与仪表量程的比值rnm=（ΔAm/Amax－

Amin）×100%三、测量误差的分类（1）随机误差。又称偶然误差，在相同条件下，多次测量同一个量，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化。（2）粗大误差。在一定条件下测量结果显著地偏离其实际值所对应的误差。（3）系统误差。在相同条件下，多次测量同一量时，误差为常数或按一定规律变化。四、仪表精度等级电工测量仪表在额定条件下使用，其最大基本误差的百分数称为仪表精度等级的百分数。

±ɑ%=(△Xm/Xm)×100%

△Xm:最大绝对误差。Xm:仪表的基本量程。国家标准规定电压表和电流表的精度等级分为：0.05、0.1、0.30.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、5.0（共11级）。功率表和无功功率表的精度等级分为：0.05、0.1、0.30.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.5（共10级）。频率表的精度等级分为：0.05、0.1、0.30.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、5.0（共11级）。第二节电参数的测量

一、频率的测量

f=1/T

（一）频率（周期）的数字测量1、计数法测量原理

N=T/TA

TA：被测信号的周期。

T：测量时间。N：脉冲个数。2、通用计数器的基本原理和工作方法通用计数器一般都具有测频和测周两种功能。3、频率（周期）的测量误差与测量范围对低频信号的测量用测周法可以获得较高的测量精度。对高频信号的测量用测频法可以获得较高的测量精度。（二）频率的模拟测量（1）谐振法测频。（2）电桥法测频。（3）频率—电压转换法测频。（4）拍频法。（5）差频法。二、时间间隔的测量时间间隔（两个频率相同、相位不同信号）ΔT的测量相当于分频系数m=1的周期Tx的测量情况。一般来说测量时间间隔的误差比测周期时大。三、相位差的测量（一）相位—电压转换法。图9.2-5所示。（二）相位—时间转换法（测T和测ΔT法）。四、电压的测量分为模拟和数字两种方法。（一）直流电压的测量1、普通直流电压表2、数值直流电压表（二）交流电压的测量1、交流电压的表征（1）峰值。（2）平均值。（3）有效值。（4）波形因数该电压的有效值与平均值之比。（5）波峰因数该电压的峰值与有效值之比。2、交流电压的测量方法多采用检波法。（1）平均值检波；（2）峰值检波；（3）有效值检波。电路形式：（1）检波—放大式；（2）放大—检波式；（3）外差式电压表。3、低频交流电压表（1MHz以下）的测量采用放大—检波式，检波类型分平均值和有效值检波器，分别构成峰值交流电压表和有效值交流电压表。4、高频交流电压表的测量采用检波—放大式或外差式交流电压表测量。五、电流的测量主要采用电流表直接测量，测量时应考虑电流表的量程。进行交流电流测量时，还应考虑波形和频率的影响。对于非正弦波形交流信号（如采用移相触发驱动的负载电压、电流）的有效值测量，不能采用一般的交流有效值电表进行测量，必须采用真有效值交流电表进行测量。六、阻抗的测量（一）电表法1、伏特—安培表法（简称伏安法）；2、欧姆表法；3、三表法（电压表、电流表、功率表）。（二）电桥法1、直流小电阻的测量。2、直流大电阻的测量。3、交流阻抗及L、C的测量。（1）交流阻抗电桥。（2）变量器电桥。9.3-12是双边式变量器电桥。（3）数字式阻抗测量仪。七、功率的测量测量方法两种：间接法（利用测量电压和电流间接求得）；直接法（采用电动系或数字式功率表）1、有功功率的测量2、无功功率的测量八、电能的测量间接法：电能测量一般不采用；直接法：直流采用电动系电能表，交流采用感应系或电子电能表。九、功率因数的测量利用测相位差的原理测量功率因数。十、谐波的测量现代电力系统中，电力电子设备的应用越来越广泛，各种非线性、冲击性、波动性和不对称负荷大量增加，造成诸如电压波动、电压跌落、谐波等电能质量污染日趋严重。供电系统中除了50Hz正弦波外，还出现其它较高频率的正弦波（高次谐波），使基波发生波形畸变。

1-基波；3-三次谐波；5-五次谐波

（一）谐波测量的基本要求（1）谐波测量方法和数据处理必须按照国家颁布的标准。1993年国家颁布的标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》2003年国家颁布的国家标准化指导性技术文件GB/Z17625.6-2003/IECTR61000-3-4：1998《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》2003年国家颁布的国家标准GB17625.1-2003/IEC61000-3-2：2001《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》2009年国家颁布的标准GB/T24337-2009《电能质量公用电网间谐波》（2）精度要求。（3）速度要求。（4）要求在电力系统的正常、异常运行情况下都能测量。（5）实现的代价小。（二）谐波测量的硬件按测量功能分：频谱分析仪、谐波分析仪。按测量原理分：模拟式、数字式。按测量功能分：谐波分析仪、谐波监测仪。（三）电力系统谐波测量的主要方法（1）采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波。（2）基于傅立叶变换的谐波测量。（3）基于瞬时无功功率的谐波测量。第十一章电机系统节能技术

第一节电机系统一、概述

电机作为风机、水泵、空压机制冷等各种设备的动力，是一种将电能转换为机械能的换能装置，据估算，我国电机的总装机容量已达5亿多kW，年耗电量达1万亿kW·h。约占全国用电量的60%，占全国工业用电量的70%左右。

电机系统包括电动机、被拖动装置、传动系统、控制系统以及管网负荷等，电机系统首先通过电动机将电能转换成机械能，再通过被拖动装置做功，实现所需的各种功能，因此电机系统节能潜力大，原因如下：

（1）电动机及拖动设备效率低。电机产品效率比国际先进水平低2%～5%；风机、泵、压缩机等产品效率比国际先进水平低2%～4%。

（2）系统运行效率低。系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，设备长时间低负荷运行，大部分风机、泵采用机械节流方式调节，系统运行效率比国际先进水平低10%～20%。

目前电机系统节能改造的技术途径主要有以下几个方面：a、加速更新淘汰落后设备。b、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，合理匹配电机系统。c、优化电机系统的运行和控制，推广软启动装置和无功补偿装置，，通过过程控制，合理配置电能，实现系统经济运行。

二、普通电机的工作特性

从行业应用角度分类，可以分成两大类：普通电机和专用特种电机。普通标准电机是按照国家标准生产，型号齐全，通用性强，是国内市场上的主流产品。正确了解电机的特性曲线，保证运行在最佳状态，是减少损耗的重要措施。

（一）感应电动机的工作特性

指电动机在额定电压和频率下的转速、电流、电磁转矩、功率因素、效率等与电机的轴输出机械功率之间的关系。1、转速特性n=f（P）

电机空载转速近似等于同步转速，随着机械负载的增加，电动机电流增加，电磁转矩上升，转速下降，异步电机的转速特性曲线是一条略下斜的曲线。2、电流特性I=f（P）

随着机械负载的增加，电动机转速下降，使电动机电流增加。3、转矩特性T=f（P）

异步电机轴端的输出转矩T=P/Ω，其中为转子的机械角速度，如果n

为常数，则T

正比于P，即T=f（P）的关系应该是通过原点的一条直线，但随着P

的增加，n

略有下降，故T=f（P）的关系是略微向上翘。4、功率因素特性cosφ=f（P）

电动机空载时，定子电流主要用于旋转磁场，为感性无分量，电机的功率因素很低，一般为0.2左右。随着电机轴功率的增加，转子电流及定子电流中的有功分量增加，使功率因素提高。接近额定负载时，功率因素最高，超过额定负载后，由于转速降低，电机的转差率增大，转子的无功分量增大，定子的无功分量也增大，电机的功率因素降低。对于小型异步感应电动机，其额定功率时的功率因素在0.75～0.90范围内；对于中型异步感应电动机，其额定功率时的功率因素在0.80～0.95范围内。5、效率特性η=f（P）

η=p/p总

=1-△p/p总

对于普通异步电机，当输出功率P=0.75PN左右时，电动机的效率最高。

（二）直流电动机的工作特性直流电动机轴上的机械负载发生变化时，其工作状态也会发生短暂的过渡过程，直流电动机的转速、电枢电流、电磁转矩、效率都将会随输出功率的变化而发生变化。1、转速特性n=f（P）

电机轴输出功率增大，引起电枢电流增大，使电机转速略有降低，转速特性为一条向下斜的曲线。2、转矩特性T=f（P）

直流电机输出功率变化时，转速变化不大，故输出转矩与输出功率近似正比。若忽略电机的空载转矩影响，其转矩特性为一条通过原点的直线。

3、电流特性I=f（P）

若忽略电枢反应的影响，磁通为常数，电枢电流与电磁转矩成正比，所以电流特性曲线与转矩特性曲线平行。4、效率特性η=f（P）

直流电动机效率和电动机容量的大小有一定的关系，使用直流电动机时要合理选择其容量，额定负载运行时，效率在75%～95%范围内。（三）同步电动机的工作特性同步电动机正常运行时，从电网吸取的有功功率的大小基本上决定于转轴上负载转矩的大小。在励磁电流不变时，有功功率的变化会引起功率角的变化，，同时也会引起无功功率的变化。当电网电压和轴上输出功率不变时，改变励磁电流可改变同步电动机的无功功率或功率因素。同步电动机的额定功率因素一般取1～0.8（超前）。三、发展方向（一）推广高效节能电机

Y3系列和YX3系列（IP55）三相异步电动机（机座号63～355）是我国采用冷轧硅钢片为导磁材料生产的高效节能电动机。该系列电机在设计和制造中，采用新的设计方法，新工艺及新材料，通过降低电磁损耗、机械损耗和热损耗，使电机的输出效率大大提高。高效节能电机的平均效率为90.5%，比传统的Y系列电机大约提高了3%，与发达国家的高效电机水平相当。（二）新型稀土永磁电机稀土永磁材料是一种高性能材料，是许多高新技术产业的基础材料，在电机中使用永磁体可使电机产品小型化、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产品。近年来随着稀土永磁材料性能的不断提高，特别是钕铁硼永磁材料发展，稀土永磁电机的开发和应用进入了一个新阶段，目前正朝着大功率、高转速、高转矩、高功能化和微型化方向发展。（三）电机控制技术发展趋势电机控制是电机技术、电力电子技术、传感器技术、微电子技术、自动控制技术等多学科的交叉用用技术。总的趋势是向智能化、模块化、网络化、微型化、通用化等方面发展。（四）电机系统节能技术的发展趋势推广高效节能电机、稀土永磁电机、高效风机、泵、压缩机，高效传动系统，推广变频调速、永磁调速等先进的电机调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式。目前的趋势是：1、电机要高效化和智能化，开发研制高效电机，将变频器可控制系统集成到电机系统中，节电可达20%～30%。2、电机系统要变频化和信息化，在智能电机的基础上，发展采用现场总线技术的产品。3、对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式，采用交流调速取代直流调速，采用基于现场总线技术的多功能可通信智能电机等。4、优化电机系统的运行和控制，推广软启动装置，无功补偿装置和计算机自动控制系统等。第二节常用机械负载的特性

一、水泵类负载特性水泵的流量和扬程之间的关系，称为水泵的流量扬程特性曲线，称为Q--H

特性曲线。水泵的流量和轴功率之间的关系，称为流量轴功率特性曲线，称为Q--N

特性曲线。水泵的运行效率η与Q、H、N之间的关系如下：

η=K·Q·H/N

式中，K

为常量。离心泵最高效率点的工况称为最佳工况点，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接近。二、风机类负载特性风机的流量与全压之间的关系，称为风机的流量全压特性曲线，标称Q--P

特性曲线。风机的流量和轴功率之间的关系，称为流量轴功率特性曲线，称为Q--N

特性曲线。水泵的运行效率η与Q、P、N之间的关系如下：

η=K·Q·P/N

式中，K

为常量。三、恒功率负载特性

恒功率负载的特性是转矩与转速成反比，其乘积（即功率）近似保持不变。四、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定，而与转速无关。这类负载多数呈反抗性，即负载转矩的极性随转速方向的改变而改变。例如传送带、搅拌机、吊车、起重机等都属于恒转矩负载。第三节风机和泵类负载的节能

交流电动机拖动的风机和泵类负载应用量非常大，资料统计其用电量占全国总用电量的30%。目前还有部分风机和泵仍使用老式产品，且与电机匹配不当，设备效率低下。如改用节能型风机和泵，并正确选配电动机功率，同时采用合适的控制方式，则可节电30%以上。一、风机与泵的选择（一）风机的选择选择风机时，力求使风机的额定流量和额定压力，尽量接近生产工艺要求的流量和压力，按正常生产工艺需求流量的1.1～1.15倍，风压余量不超过10%的要求选用风机。（二）泵的选择在满足设计满负荷连续运行所需最大压力的情况下，其额定流量为正常工艺需求流量的1.1～1.5倍，扬程余量不超过8%。另外还要考虑泵的正常运行工况点，尽量可能靠近设计工况点，使泵在高效运行区工作。在上述一般原则的基础上，更重要的是优先选用节能型风机、泵。二、电动机的选择分两种情况（一）负荷基本不变的情况依据风机和泵的输出功率和效率计算出所需的输入功率，再考虑传动效率，即可得出电机运行时的输出功率，选取电机的额定功率为（1～1.45）倍电机运行时的输出功率，电机在负载率等于0.7～1.0时的效率和功率因素比较高。（二）负荷变化的情况如果生产工艺需要改变风机、泵的流量，这类负荷往往具有周期性，一般要计算出风机、泵在一个周期内不同时间段的输入功率，然后按均方根值求其等效输入功率。再根据传动效率求出电机运行时的等效输出功率，同样选取电机的额定功率为（1～1.45）倍电机运行时的等效输出功率。再一次性投资允许的情况下，使用Y系列中YX派生系列高效电机，其效率比一般Y系列电机高3%。第四节电动机的经济运行及软启动节能技术

一、电动机的经济运行提高电动机运行效率的最基本方法是合理选择和使用电动机，确定最经济的运行方式和降低电动机的能量损耗。

以使用最多的异步电动机为例：选用电动机时，应首先选择电动机的的类型、功率及各种参数，使它具备与被拖动的生产机械相适应的负载特性。一般异步电动机的额定效率和功率，按负荷系数在75%～100%的范围内设计，电机额定输出功率应为选择负荷功率的1.10～1.15倍较合适。电动机的最经济运行负荷系数（最佳负荷系数），可以根据单位负荷功率下有功功率损耗最小的条件得到。如果电动机经常在低负荷下运行，不仅造成设备运行成本增加，而且电动机的效率和功率因数降低，增加电能损耗。电机的选择可按负荷系数

Kfd

的大小确定，具体如下：若Kfd>70%时，可以不更换电机；若Kfd

<40%时，不需要经济比较就可以更换电机；

若40%<

Kfd

<70%时，则需经过技术比较后再决定是否更换电机。二、电动机的软启动节能技术三相异步电动机在额定电压下直接启动（硬启动）会带来许多问题：（1）启动电流很大，一般电机在空载启动时可以达到额定电流的4～7倍，若带载启动时可以达到额定电流的8～10倍，直接对电网产生冲击。（2）造成电机损耗增加，使电机绕组发热，加速绝缘老化，影响电机使用寿命；机械冲击过大，造成电动机鼠条、端环断裂、转轴扭曲、传动齿轮损伤和皮带断裂等问题。（3）对被拖动的机械系统造成冲击，如风机、水泵的压力突变，往往会造成风机、泵系统管道、阀门的损伤降低使用寿命，或影响机械精度。采用电力电子技术和计算机技术，开发以单片微机为控制核心的电子软启动器。电子软启动器较传统的自耦降压和Y/Δ降压启动设备具有明显的优点：（1）无冲击电流，使电机启动电流从零线性上升至设定值。（2）恒流启动，确保点击的平稳启动。（3）可根据负载特性调节启动过程中的各种参数，保证电机处于最佳启动状态。（4）降低了电动机在空载和轻载时的输入功率，减小了电动机的有功及无功损耗。，提高了功率因素。（5）具有齐全的保护功能，具有过载、过流、缺相、过热等保护功能。软启动器有如下几种启动方式：（1）斜坡升压软启动，最简单，不具备电流闭环控制，其缺点是有时会产生较大冲击电流而损坏晶闸管，实际应用较少。（2）斜坡恒流软启动，在电动机启动的初始阶段启动启动电流逐渐增加，当电流达到预先设定值后保持恒定，直至启动完毕，该启动方式是应用最多的启动方式。（3）阶跃启动，开机时以最短时间使启动电流达到设定值，可以达到快速启动的效果。（4）脉冲冲击启动，在启动开始阶段以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，进入恒流启动，该启动方式适用于重载并需克服较大静摩擦力的启动场合。第五节变频调速节能技术

近年来，低压交流变频调速技术获得了迅速发展和广泛的应用。随着高压变频技术的日臻成熟，3000V、3300V、6000V、10000V等电压等级大功率变频器，也被广泛应用于高压机械设备的控制和节能领域，并获得了更为显著的节能效果。一、变频调速原理及控制方式（一）变频器调速的工作原理

交流电机的同步转速为：n0=60f/p，在p固定的情况下，电动机的转速正比于电源的频率f。因此可以通过改变电源频率实现对电机转速的调节。（二）调速控制方式1、频率在工频频率以下范围内调节我国的工频频率为50Hz，定子绕组每相电路的电势平衡方程为：...

U1=E1+I1Z1

式中：Z1为定子绕组每相的阻抗；I1为定子绕组的相电流。如果忽略定子压降I1Z1，则:

U≈E1=4.44f1

·

W·kw1

·Ф1；（W为绕组匝数、kw1绕组系数）

上式可以变换为：Ф1=U1/k·f1

由于电动机的电磁转矩正比于Ф12，所以若保持U1/f1为常数，则电动机的转矩不变，这种控制方式称为恒磁通调压调频调速，也称恒转矩调速.2、频率在高于工频频率范围内调节变频电源的输出电压一般不能高于其额定电压，如果保持U1不变，当增加其电源频率f1时，则U1/f1变小，定子的磁通Ф1，电磁转矩也减小；但电源频率增加将导致电动机转速增加，由于电动机的的功率是电磁转矩与其角速度的乘积，所以在调节过程中，若频率的增加与转矩的变化成一定的比例关系，即可保持电机的输出功率为一恒定值，即输出功率保持不变，这种升频定压调速方式称为恒功率调速。3、转差频率控制三相异步电机中，旋转磁场的转速为n0，电机转子实际转速为n，（n0-n）是转子与旋转磁场之间的相对切割速度。若对频率、电压作适当调节，可使U1/f1不变，此时磁通Ф1不变，电磁转矩与(n0–n)2成正比；而对频率进行调节，即改变了（n0-n）。所以在实现转速调节时，也实现了转矩的调节。二、变频调速节能分析（一）风机的变频调速节能原理风机对电动机是一种“负载转矩与转速成平方关系”，即：

M=kn2

其中k是比例系数。电机拖动风机时，轴功率与转速的3次方成正比，即：P=cn3其中c是比例系数。风机低效率运行的原因是：1、风机的定速运行与风量需求不适应。2、风机的工况点一般不在高效区有关资料抽样表明：风机负荷率在76%以上仅占15%左右，低于60%的占65%左右。为了克服风机低效率运行，必须根据生产工艺过程中对风量需求的不同，对风机的运行工况点进行随机的控制调节。（二）风量的调节与控制生产实际中，要对流量进行调节，通常调节方法有两种：1、改变管网特性曲线，也就是节流调节。这种方法效率低，节能不明显。2、改变风机的性能曲线，当风机转速改变时，流量将发生变化，这样可以实现流量调节的目的。此时管网压力也将发生变化，压力变化将导致其输入功率发生变化，这样就可以实现节能的目的。（三）水泵的变频调速节能原理水泵的种类一般分为离心式、涡流式和轴流式。水泵所作的功可以用流量Q和扬程H的大小反映。水泵的流量调节可以用两种方式实现。1、调节安装在水泵口管路上阀门的大小，这种方法输入功率减少不多，节能效果差。2、变速调节，变速调节的本质是使系统的性能曲线下移，从而改变系统的工作点，达到改变流量的目的。在实际情况中，平方转矩关系、线性流量转速关系、轴功率立方转速关系不一定完全成立，一般的规律是泵工作的实际扬程越小，轴功率与转速之间的关系越接近立方关系，采用转速控制所产生的节能效果越好。对于高扬程的水泵，采用变频调速控制其节能效果将不显著。三、变频调速应用实例（略）

第六节空气压缩机节能技术

空气压缩机可分为速度式和容积式。速度式空压机：轴流式、离心式和混流式；容积式空压机：回转式、往复式；回转式：滑片式、螺杆式；往复式：转子式、膜式、活塞式。其中活塞式空气压缩机应用最为广泛。一、选用节能型电机电