第3章电动机节电技术

电气节能技术第3章电力传动设备的节电技术——电动机

电力传动设备的概念和分类

定义：也称为电气传动设备或者电力拖动设备，指应用电动机把电能转换成机械能，传动生产机械按工艺要求完成生产任务的设备。分类：通用型：工矿电机车、起重运输设备、

风机、泵、压缩机专用型：矿山和煤矿设备、石油和化工设备、机械加工设备、木材加工设备等

第3章

电动机节电技术

电动机作为将电能转换为机械能的一种装置，在各个领域得到了广泛应用。

统计资料表明：电动机消耗的电能约占全国总用电量的60%～70%。1．电动机节电的原因

由于管理水平低，技术落后，多数电动机处于轻载、低效、高能耗的运行状态，电能浪费十分严重。所以要进行电动机的节电工作。2．电动机节电的原则（1）以节约电能和提高电动机的综合效益为原则，合理选择电动机，使其处于经济运行状态。

（2）对在用电动机进行节能改造，降低电动机的能量损耗，提高电动机的运行效率。

第1节

生产机械的负荷曲线及分类

1．生产机械的负荷曲线指生产机械所消耗的有功功率随时间而变化的曲线。该曲线可根据测定数据绘制出来。

2．负荷曲线的分类根据测定部位不同，负荷曲线可分为：

其生产机械的典型负荷曲线有以下几类：如图所示。

由图可知，负荷曲线分为两大类：一类为恒值负荷曲线，如图中曲线①。一类为变值负荷曲线，如图曲线②～⑥。具有恒值负荷曲线的生产机械称为恒负荷生产机械，具有变值负荷曲线的生产机械称为变负荷生产机械。生产机械的负荷曲线不同，电动机经济运行方法也不同。所以，为使电动机经济运行，必须测定生产机械的负荷曲线。

电动机广泛地应用于各种生产机械中，称为应用最多的用电设备，也是消耗电能最多的电气设备。什么是电动机的节约用电？——采取有效的措施，使它既满足所拖动机械按工艺的最佳要求，优质、高产、低成本地完成生产任务，又保证在整个用电过程中，电动机始终处于高效、低耗的状态下经济运行。电动机的节电技术主要包括三个部分的内容：

合理选择电动机：主要包括合理选择电动机和采用高效的电动机两部分的内容电动机的经济运行：主要包括采用电力传动自动化技术、提高自然功率因数技术、人工提高功率因数技术这几个方面电动机的经济运行管理：采用有效的措施进行经济运行的管理第2节

电动机的能量损耗

1．电动机能量损耗的种类当电动机将输入的电能转换为机械能输出时，总是要产生一定的能量损耗。电动机的能量损耗可划分为恒定损耗、负载损耗及杂散损耗三类。（1）恒定损耗指电动机运行时的固有损耗，它与电动机材料、制造工艺、结构设计、转速等参数有关，而与负载大小无关。它包括铁心损耗（含空载杂散损耗）及机械损耗。

①铁心损耗：也称铁耗，指主磁场在电动机铁心中交变而引起的涡流损耗和磁滞损耗。异步电动机在正常运行时，转差率很小，转子铁心中磁通变化的频率很小，一般仅为每秒1～3周。所以铁耗主要为定子铁心损耗。铁耗大小取决于组成电动机铁心材料、频率及磁通密度，其近似计算公式为

而B与输入电压U成正比。所以，对某一台电动机而言，其铁耗近似于与电压的平方成正比。

②空载杂散损耗POS：是指空载电流通过定子绕组的漏磁通在定子机座、端盖等金属中产生的损耗。由于空载电流近似不变，因此这些损耗也是恒定的。

铁耗（包括空载杂散损耗）一般占异步电动机总损耗的20%～25%。

③机械损耗：通常包括轴承摩擦损耗及通风系统损耗，对绕线型异步电动机转子还存在电刷摩擦损耗。轴承摩擦损耗主要与轴承型号、装配水平、润滑脂有关。通风系统损耗主要取决于冷却风扇所用材料、风机效率、风道设计合理性等。机械损耗的高低还与电动机转速有关：因为轴承摩擦损耗正比于转速的平方，通风损耗正比于转速的三次方。机械损耗一般占总损耗的10%～50%。电动机容量越大，由于通风损耗变大，所以在总损耗中所占比重也增大。

（2）负载损耗它主要是指电动机运行时，定子、转子绕组通过电流而引起的损耗，亦称铜耗。它包括定子铜耗和转子铜耗，其大小取决于负载电流及绕组电阻值。铜耗约占总损耗的20%～70%。（3）杂散损耗（附加损耗）PS：它主要是由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其他金属部件内所引起的损耗。这些损耗约占总损耗的10%～15%。各种电动机的各种损耗所占比例可查相关手册。

2．减少各种损耗的措施减少电动机损耗应该着眼于主要损耗分量的下降。对于小功率电机：铜耗占主要比例，应该从适当增加有效材料使用，增大导线截面来降低绕组电阻，达到降低损耗，提高效率的目的。对于较大功率电动机：主要损耗在机械损耗及杂散损耗上，应该通过各种措施减少通风系统损失和杂散损耗。

降耗的主要措施：（主要是指从设计、材料、制造工艺方面来实现的）（1）定子铜耗①增加导线截面积②减小定子电流③缩短绕组端头长度④采用耐高温、较薄绝缘材料，提高绕组槽满率（填充系数)（2）转子铜耗①增加导线截面积和转子端环尺寸②减小转子电流③改进转子导体铸造方法，提高转子导条及端环导电率（3）铁损①增加铁心长度②采用低损耗铁心材料，如冷轧硅钢片③采用较薄的硅钢片④降低磁通密度

（4）杂散损耗①选择合适的绕组型式和节距②选择合适的槽配合和转子槽斜度③选择最佳气隙长度④转子槽特殊绝缘处理⑤改进转子表面切削加工方法（5）机械损耗①改进风扇设计，提高风扇效率②采用低损耗的冷却风扇③采用优质、低摩擦轴承④采用低损耗（摩擦系数小、性能好）润滑脂⑤安装良好，同心度高3．电网质量对电动机损耗的影响（1）电压波动对各种损耗的影响

①对铁心损耗的影响：

即电压降低时，铁耗按平方减少。

式中UN——电网额定电压；

——

电网电压波动值。

②对机械损耗的影响：即电压U下降，电动机转矩下降，转差率s变大，则损耗也下降。

③对转子铜耗的影响：即电压下降，转差率变大，转子铜耗将增加。

④对杂散损耗的影响：即电压下降，杂散损耗也增加。所以，一台电动机在恒定负载运行时，电压下降将使总损耗增加。只有在负载率较低情况下，当电压下降时电动机的总损耗才能下降，效率才能提高。

（2）三相电压不对称对损耗的影响由于负载存在着不对称，而使电网电压也呈不对称运行。其不对称的程度可用三相电压不平衡度来表示：

规程规定：三相电压不平衡度应小于1.5%。利用对称分量法，不对称电源电压可分解成正序分量、负序分量。在电路中，很小的负序电压分量也将会引起相当大的负序电流。如负序分量电压为5%，其负序电流将达到20%～30%的额定电流。负序电压将产生负序磁场，负序磁场将产生制动转矩。为克服该制动转矩，将吸收一定的机械功率（输入的），变为转子的铜耗，使过载能力下降，并产生局部过热危险。同时,还引起铁损和杂散损耗的增加，使效率下降。如有3.5%的不平衡电压加在电动机上，将使电动机总损耗增加20%，效率下降3%～4%。（3）电网频率对损耗的影响①对总铁耗的影响：当电压恒定时，铁耗中的涡流损耗与频率无关，而磁滞损耗则随频率而变化。所以总的铁耗可认为是所以频率下降，铁耗增加。

②对机械损耗的影响：

频率下降，机械损耗略有下降。

③对转子铜耗的影响：

④对杂散损耗的影响：

结论：总的来说，频率下降时总损耗增加，效率下降。频率上升时，总损耗下降，效率略有上升。

（4）高次谐波电流对损耗的影响高次谐波电流进入三相异步电动机后，将产生频率较高的旋转磁场，使杂散损耗剧增，使齿、槽楔局部过热，甚至烧坏电动机。

第3节

电动机的特性曲线及其分析

主要有效率曲线和功率因数曲线。1．电动机的效率曲线电动机的效率，是指电动机的有功输出功率与有功输入功率的百分比，即

电动机的效率分类：有

额定效率：

指输出功率为额定值时的效率。

运行效率：

指电动机拖动某负载运行时的工作效率。

最高效率：

指电动机可能达到的最高运行效率，即电动机效率曲线最高点的数值。

电动机的有功功率损耗可用下式计算：

式中P0——电动机空载损耗；

β——电动机负载率，β=P2/PN×100%PN——电动机额定功率而电动机的输入功率为P1=P2+ΣP所以，可将效率计算公式改写成

由此可知，电动机的运行效率与电动机的ηN、P0及β有关。对一台电动机而言，ηN、P0是固定值，因此，电动机效率的高低取决于电动机的负载率β。电动机效率η随负载率β而变化的曲线称之为电动机的效率曲线。如图3-2所示。

2．电动机的功率因数曲线电动机的功率因数是指电动机输入端的有功功率与视在功率之比，即

而式中——电动机输入端线电压，kV；

——电动机输入端线电流，A；

——空载时的无功损耗，kvar；

——额定功率因数时的功率因数角。

因，所以

由上式可知，功率因数与Q0、P0、PN、ηN、及β有关。对一台特定的电动机而言，功率因数的大小只与β有关。电动机的功率因数随负载率β而变化的曲线称之为电动机的功率因数曲线。如图3-2所示。

3．电动机特性曲线的分析由电动机的特性曲线可以看出：（1）电动机的效率曲线具有较宽的高效率区域，只有当负载率低于40%时，效率才迅速下降。因此，电动机运行时，只要负载率不太低，电动机效率一般是较高的。（2）效率曲线的最高点为电动机的最高运行效率，其对应的负载率为有功经济负载率，用表示，它一般在0.6～0.8之间。（3）电动机空载时，功率因数很低，在0.1～0.2之间。随着负载增加，功率因数也增大，当β为0.8以上时，功率因数达到最佳。所以，实际使用中，应尽量避免电动机在轻载状态下运行。（4）不同系列、不同类型的电动机效率、功率因数均不相同。一般情况下，对同容量的电动机，鼠笼型电动机的效率、功率因数比绕线式电动机高。转速高的电动机其效率、功率因数比转速低的电动机高。同一类型电动机，容量大的电动机其效率、功率因数比容量小的电动机高。

（5）对于同一台电动机，其效率曲线也不是一成不变的，使用时间过长，维护保养不良都会导致各种损耗增加，使效率曲线下降。综上所述，要使电动机处于经济运行状态，做到电动机节约用电，必须合理选择电动机类型、容量，使电动机和负载机械特性相适应，力求有最高的运行效率。对运行中的电动机要提高其负载率，加强维护检修，采取各种改造措施减少损耗，以提高电动机效率。

第4节电动机的合理选用1．选用电动机的原则及步骤（1）选用电动机的原则①根据负载的起动特性及运行特性，选出最适合于这些特性的电动机，满足生产机械工作过程中的各种要求。②选择具有与使用场所的环境相适应的防护方式及冷却方式的电动机，在结构上应能适合电动机所处环境条件。

③计算和确定合适的电动机容量。通常设计制造的电动机，在75%～100%额定负载率时，效率最高。因此应使设备需求的容量与被选电动机的容量差值为最小，使电动机的功率被充分利用。④选择可靠性高，便于维护的电动机。⑤考虑到互换性，尽量选用标准电动机。⑥为使整个系统高效率运行，要综合考虑电动机的极数及电压等级。

（2）选用电动机的主要步骤①根据生产机械性能的要求，选择电动机的种类。②根据电源的情况，选择电动机额定电压。③根据生产机械所要求的转速以及传动设备的情况，选择电动机的额定转速nN。④根据电动机和生产机械安装的位置和场所环境，选择电动机的结构和防护型式。⑤根据生产机械所需要的功率和电动机的运行方式，选择电动机的额定功率PN。根据以上，结合电动机产品目录，就可以选定一台合适的电动机。

（3）选择电动机时有关电气性能和机械性能的分类选择电动机时，还要考虑电气性能和机械性能。①电动机的电气性能分类：如图3-3所示。②电动机的机械性能分类：如图3-4所示。

2．有关三相异步电动机选择的规定（1）电动机类型的选择必须从技术和经济两方面来考虑，首先要求电动机的机械特性完全满足生产机械的需要，在此基础上，要求电动机的构造简单，价格便宜，运行可靠，维护方便。电动机类型的选择原则：①生产机械对起动、制动及调速无特殊要求时，应采用鼠笼型电动机。若生产机械要求经常起动，且起动力矩较大或要求在小范围内调速，可采用绕线型异步电动机。②容量在200～355kW之间宜选用高压异步电动机，容量在355kW以上必须选用高压异步电动机。（因为高压异步电动机的效率高、功率因数高）

③对于年运行时间大于3000h，负载率大于50%的场合，应选用高效率三相异步电动机即YX系列的电动机。④流量变化的风机和泵类应采用电动机调速节能装置。为什么？因为风机和泵类均具有转矩与转速平方成正比的机械特性，而其功率具有与转速立方成正比的特性，当流量变化时，采用调节电动机的转速，可使轴上功率大大减少，从而获得显著的节电效益。

（2）电动机额定功率的选择正确选择电动机的PN对提高电力拖动的经济运行水平，减少能耗，提高经济效益具有重要意义。若容量选择过小，则不能保证生产机械正常运行，甚至烧毁电机；若容量选择过大，则增加投资，能耗增加，功率因数变大，不经济。

选择的原则：①应能胜任生产机械的负载和所需的起动转矩。②工作时的发热，应接近但不得超过其许可的工作温度。③应有一定的过载能力，以保证在短时过载时能正常运行。

选择的方法：①应从机械负载变化的规律，确定其典型的负载图，从而计算所需的实际负载功率。②应根据机械类型和重要性，乘以适当的储备系数，并使电动机的实际负载率接近经济负载率。③当电动机使用地点的海拔和介质温度与规定的工作条件不同时，应按有关规定予以修正。

下面根据电动机不同的运行状态，分别讨论电动机额定功率的选取：

I

连续运行工作制的机械：应选用连续运转电动机，其额定功率应按机械的轴功率选择。连续运行又有两种情况：①恒定负载时连续运行工作制电动机的功率选择首先根据生产机械的功率，计算出所需的轴功率PL：

式中ML——折算到电动机轴上的负载转矩，N.m；

nN——

电动机额定转速，r/min然后根据负载的类型和重要性，乘以适当的储备系数，选择电动机额定功率PN，并保证电动机的PN等于或稍大于生产机械所需的功率，即PN≥PL

②变负载连续工作制时电动机的功率选择第一步：计算并绘制生产机械的负载图，如图3-5所示。

第二步：按负载图求出等效转矩：

第三步：计算电动机功率，

第四步：按电动机最大转矩校验其过载能力，即

第五步：进行电动机起动转矩的校验，即电动机起动转矩>1.3倍机械起动转矩

II

短时运行工作制电动机功率的选择短时工作制机械，宜采用短时运行的电动机，其额定功率应按机械轴功率选择，也可按允许过载转矩选用周期工作制电动机。将连续工作制电动机用于短时工作制，可提高输出功率。若负载是恒定不变的，则根据生产机械所需功率及短时工作的时间即可选择专供短时工作的电动机，其额定功率为PNS≥PL

若负载是变化的，可按下述方法求出等效短时功率及短时工作时间，来选择电动机的功率。

我国规定：短时工作的电动机分10、30、60、90min四种。当生产机械工作时间不是短时工作电动机的额定时间时，可根据等效功率的原理加以换算，即

即（说明：下标为L的是实际的等效功率和等效时间，下标为N的是折算后的短时工作制电动机的额定值。）

若选用周期工作制电动机作为短时工作制电动机，则可按负荷持续率K与等效工作时限thp进行对照换算，如下表所示：

将连续工作制电动机用于短时工作制的功率选择：连续工作制电动机可用于60min、90min短时工作机械。等效短时工作输出功率PS与原来额定功率PN的关系为

式中t——短时工作时间，h；

τ——电动机的发热时间常数，可查产品手册。通常情况下，t/τ>1，1>e-t/τ>0，所以，PS>PN，所以说，输出功率可提高。

III

断续周期工作制电动机功率的选择

断续周期工作机械，应采用周期工作制的电动机，其额定功率应按典型周期的等效负荷换算到额定负载持续率来选择，并进行过载能力校验。每一工作周期为10min，K分为15%、25%、40%、60%。

而工作机械的实际使用时间与上并不完全相符，所以在选择电动机功率时要进行换算，即

式中PL——实际所需功率；

KL——实际工作负荷持续率；

KN——标准工作负荷持续率。如果工作机械实际使用情况大致与标准规定的方式相同，则按机械的轴功率选取相应功率的电动机即可。当K<10%时，应选取短时工作制；当K>60%时，应选取连续工作制。IV

连续周期工作制电动机功率的选择所谓连续周期工作制，是每一个工作周期内包括一段负载运行时间和一段空载运行时间，但没有电动机停止的时间。对连续周期工作制机械，应采用等效连续工作制或周期工作制的电动机，其额定功率按等效电流或等效转矩法选择，并按允许过载转矩校验。连续周期工作制电动机功率的选择可视为负载变化的连续工作制电动机来选择功率，可以选较小的PN，作过载能力校验。其步骤如下：

第一步：计算并画出生产机械静态负载图；

第二步：初步计算电动机功率；

式中PT——等效功率；

MT——等效转矩。第三步：作出电动机负载图P=f（t）或M=f（t）第四步：进行发热、过载能力、起动转矩校验。如果校验通过，电动机功率选择适当。否则重选功率再次校验，直到所选电动机功率合适为止。电动机所选功率最终应满足所选功率大于或等于计算功率，即PN≥PL。

若电动机周围环境温度与标准环境温度40℃相差较大时，电动机选择的功率应进行校正。当环境温度高于40℃时，电动机需降低容量使用，低于40℃时可以增加容量使用，这样可保证运行时，电动机的温升不超过规定的允许值。修正的方法：①查表修正：如表3-2所示。

②计算修正：式中tmax——绝缘材料允许的最高温度；

t0——周围环境温度；

α——电动机铁损与铜损的比值（0.4~1.1）。

电动机的温升还与海拔高度有关，海拔越高，散热条件恶化。在1000m以下海拔高度工作的电动机，两者互补，功率不必进行校正。当电动机安装在1000m以上时，对于非特殊设计的高原电动机，必须降低功率使用。

（3）电动机效率的选择电动机的效率是电动机节能的重要指标，为了确保电动机节能，应力求提高电动机的运行效率或系统效率。规范规定：①应给出电动机负载率100%、75%和50%时所对应的效率，供用户选择。②在选择和更换电动机时，应考虑电动机额定效率随额定功率、额定转速增加而增加。③应尽量选用效率高的电动机。④对频繁起动、断续运行和反复冲击负载的场合，应选用设计代号为H、HY（H级绝缘、高滑差率）的电动机，以提高系统的效率。

电动机效率选择应注意的问题：①条件许可时，尽量选用高效电动机（如YX和FX系列，都是高效电动机）。②对电动机实际使用情况进行分析，例如对负载率、负载变化、工作方式等数据的掌握。③要进行电动机初投资费用和运行费用的综合平衡。

（4）电动机转矩—转速特性选择应与负载的机械特性相匹配，以确保驱动系统的安全运行和提高系统电能利用率。规定：①电动机应满足生产机械所要求的堵转转矩和最大转矩，起动转矩应不小于机械起动转矩的1.3倍。②对机械转动惯量大或重载起动的机械，应选择与机械转动惯量相适应的电动机，并按起动条件、最大惯性量矩、过载转矩进行校验。③对起动频繁的大功率电动机，应考虑起动过程中由于转动惯量引起的发热影响，并进行发热校验。对鼠笼型电动机按每小时允许合闸次数来校验，若大于允许次数，应选取更大的电动机④根据配套机械类型，可按经验选用电动机。

（5）电动机外部结构型式和防护等级的选择合理选用电动机外部结构型式对其安全、经济运行有密切的关系。规定：①电动机的外部结构型式按照外壳防护型式、通风方式、冷却方式分类，具体应按相应的规范规定来选择。从用户来说，应根据电动机使用环境中，是否存在腐蚀性和起火、爆炸的危险，灰尘和粉尘的多少，温湿度高低，水和油的浸入情况等，来选择合适的外部结构型式。异步电动机的外壳防护结构有IP44、IP23和IP54、IP55四种。

其含义如下：

其含义如下：

框内数字越大，表示缝隙越小或防护的方位越越全面。②根据电动机使用环境条件，选择适宜的外部结构和型式。如果环境比较干燥，防护要求较低时，宜选用IP23防护等级。（6）电动机电源电压的选择：电动机电压等级的选择，运行期间电压和频率的变化，以及电源电压的波形和对称性，对电动机的性能和经济运行，均有较大的影响。规程规定：①电动机的UN，应根据其额定功率和所在系统的配电电压和配电方式综合考虑确定。中小型三相异步电动机的额定电压等级为：220、380、440、660、1140、3kV、6kV和10kV。一般情况下，PN>200kW时，电压选用6kV；PN>1000kW时，电压选用10kV。煤矿用电动机，多为380/660V（Δ/Y）、660/1140V（Δ/Y）。②电动机运行中电源电压和频率的变化应符合相关规定。当电压偏差大于5%时，则应通过计算降低允许使用功率。实际输出功率的计算公式为式中KU——降压系数，KU=U1/UN；

IN——额定电流，A；

I0——空载电流，A③电源电压的波形和对称性应符合规定。电源电压波形的正弦性畸变率不超过5%，电压的负序分量不超过正序分量的1%（长期运行）或1.5%（不超过几分钟的短时运行），电压的零序分量不超过正序分量的1%。满足这些条件，能确保电动机可靠运行。由此可知，电压波形和三相平衡性对电动机损耗有影响，波形正弦性畸变率越大，平衡性越差，则损耗越大，效率越低，浪费用电。目前，企业中的电动机电源电压不平衡率大多超过1.5%，因此引起的电能浪费，全国每年要多费20亿kWh以上的电能。所以，三相电压不平衡度应控制在1.5%以下，最好在1%以内。（7）电动机额定转速的选择电动机额定转速的选择，不仅影响电动机的性能指标，也影响系统的电能利用率。

规定：①应根据机械最高转速对电力拖动系统的要求，以及机械减速的复杂程度和特性，选择电动机的额定转速。

PN相同条件下，额定转速越高（极数越少），电动机的尺寸、重量和成本越小，效率和功率因数也越高。因此选用2、4极电动机，特别是选用4极电动机较为经济。但又要考虑减速机构的合理性，综合考虑选择一个合理的电动机转速。通常：泵、风机用2、4极压缩机选用4、6或8极轧机、粉碎机选用6、8或10极②频繁起动、制动的断续周期工作制的机械，在选择电动机的额定转速时，除保证所需的最高稳定工作速度之外，还应选择合适的传动比，其计算公式如下：

式中J——转动惯量；

L——机械轴的；

N——

电动机轴的。

③需要分级（有级）调速的场合，应优先考虑采用变极多速电动机系列，其控制简单，维护工作少，力能指标优良。④电动机经常起动、制动和反转，而过渡过程的持续时间对生产影响不大（即不要求快速正反转控制），除考虑初期投资外，主要根据过渡过程能量损耗最小的条件来选择电动机的额定转速。⑤电动机经常起动、制动和反转，且过渡过程的持续时间对生产影响较大，则主要根据过渡过程持续时间为最短的条件来选择电动机的额定转速。⑥需要调速的连续工作机械，应选用可调速的电动机，其调速范围应与机械的要求相符，调速精度应满足机械的静转差率要求，调速方式要与机械类型相符。3．节能型电动机及其选用（1）Y系列三相异步电动机是我国在20世纪80年代初统一设计的，设计时采用了IEC国际标准，应用了先进技术，使用了部分新材料，性能优良，具有国际互换性的特点，完全能取代老系列（JO2、JO3、J2、J3等）电动机。90年代，在Y系列的基础上又设计了Y2系列异步电动机。（2）YX系列高效率电动机高效率电动机的定义：凡是总损耗比标准系列电动机降低20%以上的电动机，称为高效率电动机。高效率电动机的特点是：①效率高：高效率YX系列电动机比Y系列电动机效率提高3%左右（极数相同、功率相同条件下），损耗可降低20%～30%。②效率曲线平坦，额定转差率小，减少运行损耗。③功率因数有所提高。④起动转矩大、噪声小、振动小、温升低、寿命长。⑤电动机成本比标准电动机高30%。

高效率电动机节电的效益：设：标准电动机效率为η1，高效率电动机效率为η2，年运行时间为H（h），电价为C（元/kWh），电动机额定功率为PN，负载率为β，则采用高效率电动机年节电费用为

高效率电动机初投资要高于标准电动机，一般情况下，增加的投资费用能在1～3收回。

式中M2——高效率电动机的价格

M1——标准型电动机的价格

高效率电动机额外投资的节能回收期年限的计算：（3）FX系列高效率纺织专用三相异步电动机纺织行业专用，具有节电3%的效果。（4）电磁调速电动机有YCT系列电磁调速电动机

YDCT系列换极式电磁调速电动机

YCTD系列低电阻电枢电磁调速电动机（5）YD系列变极多速三相异步电动机（6）YTSP系列变频调速三相异步电动机

第5节

电动机的经济运行

1．电动机的经济负载率

电动机经济运行：是指电动机在满足生产机械运行要求时，以节能和提高综合经济效益为原则，选择电动机类型、运行方式及功率匹配，使电动机在效率高、损耗低、经济效益最佳状态下运行。电动机在运行过程中，因所需要的无功功率在电网中交换，使电网的有功功率损耗增加。假设单位无功功率可能引起的有功功率损耗用KQ（kW/kvar）表示，称KQ为无功经济当量。则电动机的综合有功功率损耗为

式中——电动机的有功功率损耗，kW；

Q——电动机的无功功率损耗，kvar。理论上可以证实，当电动机的固定损耗与可变损耗相等时，其效率最高，此时电动机的负载率称为经济负载率。经济负载率又分为两种：

（1）电动机有功经济负载率

式中P0——

电动机的空载损耗。

（2）电动机综合经济负载率

式中Q0——电动机空载时的无功功率。所以，当电动机运行在有功经济负载率β或综合经济负载率βj下，效率最高。

2．电动机轻载节电器及其应用当电动机处于轻载、空载时，功率因数和运行效率均很低。若采用电动机轻载节电器，使得在电动机轻载、空载时降低电动机的端电压，可达到节能效果。目前，国内外均已研制成轻载节电器。

（1）降压节电的基本原理由电机学可知，电动机的电磁转矩，（U1为定子电压），，（I2为转子电流），而，所以。而降压后不变，这样随着U1下降，P1亦下降。但U1下降是随着I2变动自动下降的，并且使U1始终保持在最佳合理运行状态，即令电动机的效率和功率因数值提高。因为所以当U1下降时，主磁通下降，电动机的铁耗下降，则电动机效率提高，而且铁耗是感性的，有利于功率因数的提高，如图3-6所示。

（2）节能自动控制器工作原理由日本埃莱克司电子工业株式会社制造的SMX节能自动控制器的工作原理框图如图3-7所示。通过微型电脑监测（5000次/s），并采用正弦脉宽调制进行调压调制，输出级选用大功率模块（半导体双极型隔离开关管IGBTS），使电动机在任何负载情况下均能获得最佳效能的电压供应，也就是用监测电动机工作电流，控制电动机的输入电压U1，来实现最大程度的节电效果，并具有降压为主，兼有调频的双重功能控制方案。（3）主要特点具有报警功能，具有自动保护功能。能在0.1s内，在20%～100%范围内改变U1值。反映速度快，灵敏，可就地或远程操作。可选用4～20mA、5～10V标准信号源。

3．电动机重、轻载的Δ—Y自动切换对于处在重、轻载交替工作状态的电动机，采用电动机绕组接线的Δ接变Y接，是简捷易行的节能方法。

（1）节电原理

电动机定子绕组由Δ接改为Y接后，定子每相绕组电压下降到原来的，铁耗下降2/3，转矩下降为原来的1/3。改接后，由于转速几乎不变，电动机的机械损耗基本保持不变，故电动机的输出功率相应下降为原来的1/3。如果电动机Δ接时的负载率为33%，则在电源电压和负荷未变的情况下，改为Y接时，负载率变为100%。所以功率因数和定子电流将明显得到改善。（2）电动机绕组Δ—Y自动切换点计算同一台电动机轻载时，用Y接法损耗较小。但负载增加到某一数值以后，由于转子滑差率加大，使转子电流及定子电流迅速增加，造成电动机损耗与Δ接时相等，此时应立即将定子绕组改为Δ接线，否则，负载继续增加将使损耗超过Δ接线，造成“倒节电”现象。

所以，Y接线与Δ接线电动机损耗相同的负载率,即为要找的切换点。

一般情况下，当负载率低于40%时，由Δ接线切换为Y接线，可以节电。不同型号电动机也稍有不同。切换点的确定方法：有两种

①可绘出不同接法的电动机损耗与负载率关系曲线，找出其交点，这个交点即为切换点。

②可用经验公式求出切换点的负载率，即

式中——电动机Δ接线时的铁耗，kW；

——电动机Δ接线的空载铜耗，kW；

——电动机Δ接线的空载损耗，kW。4．电动机的节能更换所谓节能更换，即对型式陈旧、性能落后、效率低的电动机或严重的“大马拉小车”电动机进行更换。（1）电动机节能更换的基本步骤：①根据电动机负荷状况，计算电动机负载率。方法：当电动机带动全负荷运行时，测出其负载电流I1，再测出电动机空载电流I0，然后用下式估算电动机带全负荷时的实