GBT 29326-2023 包括变速应用的能效电动机的选择 应用导则

CCSK20代替GB/T29326—2012包括变速应用的能效电动机的选择应用导则2023-12-28发布2024-07-01实施国家市场监督管理总局I V 2规范性引用文件 3.1术语和定义 23.2符号 23.3缩略语 24背景 4.1概述 34.2IEC标准简介 5应用 85.1电动机长时间满载运行的应用场合 85.2平方转矩-转速特性的应用场合(泵、风机、压缩机) 85.3恒转矩特性的应用场合(输送机、升降机、起重机) 6电机基本原理 6.1概述 6.2技术 6.3效率 6.4功率因数 6.5极数、频率和转速的关系 6.6恒速运行与变速运行的区别 7恒速运行电动机 7.1概述 7.250Hz和60Hz时电动机的额定值 7.3起动性能 7.4运行转速和转差率 7.5变负载电动机的损耗 7.6功率因数 7.7部分负载时的效率 7.8电动机在不同电压或电压范围时的定额 7.9软起动 7.10IE效率等级 7.11效率测定方法 7.12电源和环境温度变化的影响 7.13电动机尺寸 Ⅱ8变速运行电动机 8.1概述 8.2任意转速下额定运行的电动机 8.3变频和负载变化的电动机损耗 8.4设计为恒速运行的电动机在变速运行下的额外损耗 8.5变频器 8.6变频驱动损耗 8.7变频驱动功率因数 8.8部分转速和部分转矩时电动机传动系统的效率 8.9IE和IES能效等级 8.10效率测定方法 8.11电动机和变频驱动系统尺寸 9系统选择指南 9.1系统选择方法介绍 9.2电动机系统成本 10维护和寿命预期 10.1工业用电动机的常见故障原因 10.2轴承润滑剂的寿命预期 10.3绕组绝缘的寿命预期 10.4VFD供电电动机轴承和绝缘的潜在故障源 10.5变频器的维护和寿命预期 10.6维护方法 附录A(资料性)电动机和变频器的典型效率值和损耗 A.1概述 A.2直接并网电动机的损耗 A.3变速电动机的损耗 A.4变频器(VFD)损耗 附录B(资料性)直接并网(DOL)电动机典型效率值表 附录C(资料性)节能和节约生命周期成本的示例 C.1概述 C.3为风机更换电动机时的常见误判 C.4并行风机 C.5电动机材料与能效和CO。排放 附录D(资料性)损耗和效率插值计算表 参考文献 图1工业用电动机数据统计 4图21995年—2020年工业用电动机能效等级预测全球市场份额 图3电动机传动单元构成 5Ⅲ图47个标准工作点，摘自IEC60034-2-3 图5不同额定输出功率下，4极电动机提高一个能效等级输入功率减少的百分比 8图6有/无节流阀的系统特性曲线及恒速时的泵特性曲线 图7DOL或VFD运行的不同电动机驱动的ESOB的平均电耗 图8输送机(传输带)、起重机、升降机等的系统特性曲线 图9笼型感应电动机 图10DOL电动机与VFD电动机工作性能的比较 图11典型4极笼型感应电动机在不同额定功率下的损耗占比 图124极三相笼型感应电动机不同额定功率的运行特性 图13在恒定输出功率时电流、转速、功率因数和效率随电压变化的典型曲线 图14变频器的示意图 图15变频器输入端线电流的畸变功率因数与总谐波失真 图16不同应用的典型系统特性曲线 图17电动机传动单元及系统中相关设备概况 图18根据2017/2018年欧洲市场调查，不同额定功率等级MDU主要单元的成本占比 图19工业用感应电动机故障原因分布占比 图203种不同的维护类型(即维护保养、定期检修、预见性维护)简单的相对比例 图C.1标准水泵特性 图C.2IE2感应电动机和IE4自起动同步电动机的转矩-同步转速曲线，以及风机的系统特性 图C.3相同流量时的两种不同风机控制方法对比 图C.4从一次能源、煤，到电动机的能流图 图D.1EXCEL计算表摘录 表1电气传动系统和电动机传动单元的IEC能效标准概况 表24极三相笼型感应电动机损耗分布 表3极数、频率和转速的关系 表4以50Hz为基准，相同转矩时50Hz和60Hz电动机的效率计算 表5电网供电交流电动机的IE能效等级 表B.150Hz、IE1感应电动机的典型效率值 表B.250Hz、IE2感应电动机的典型效率值 表B.350Hz、IE3感应电动机的典型效率值 表B.450Hz、IE4感应电动机典型效率值 表C.1工作点OP1到OP3电动机性能的计算 表C.2系统损耗和性能 表C.3节省电量、煤炭量和CO₂排放量的计算 V本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件代替GB/T29326—2012《包括变速应用的能效电动机的选择——应用导则》,与GB/T29326—2012相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：a)更改了范围，扩大到适用于IEC60034-1所覆盖的所有电机(见第1章，2012年版的第1章);b)增加了“Q(流量)”等符号和“AC(交流)”等缩略语(见第3章);c)增加了电动机及变频驱动的节能潜力分析以及能效相关IEC标准介绍(见第4章);d)增加了电动机长时间满载运行、平方转矩-转速特性和恒转矩特性应用场合的示例(见第5章);e)增加了电机的基本原理(见第6章);f)增加了恒速运行电动机的性能特征(见第7章);g)增加了变速运行电动机的性能特征(见第8章);h)增加了电动机系统选择指南(见第9章);i)更改了维护和寿命预期分析(见第10章，2012年版的第9章)。本文件等同采用IECTS60034-31:2021《旋转电机第31部分：包括变速应用的能效电动机的选择应用导则》,文件类型由IEC的技术规范调整为我国的国家标准。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国电器工业协会提出。本文件由全国旋转电机标准化技术委员会(SAC/TC26)归口。本文件起草单位：上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司、哈尔滨电气动力装备有限公司、江苏大中电机股份有限公司、山东博诚电气有限公司、浙江鑫升新能源科技有限公司、上海电气集团上海电机厂有限公司、卧龙电气淮安清江电机有限公司、河北电机股份有限公司、上海电器科学研究所(集团)有限公司、长沙学院、安波电机(宁德)有限公司、重庆市质量和标准化研究院、上海电科电机科技有限公司、深圳市风发科技发展有限公司、佳木斯电机股份有限公司、雷勃电气(无锡)有限公司、厦钨电机工业有限公司、山东华力电机集团股份有限公司、SEW-电机(苏州)有限公司、浙江金龙电机股份有限公司、江西江特电机有限公司、河南永荣动力股份有限公司、南阳防爆(苏州)特种装备有限公司、西门子电机(中国)有限公司、江苏利多电机有限公司、山东富智大兴电机有限公司。本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为：——2012年首次发布为GB/T29326—2012;——本次为第一次修订。本文件提供了能效电动机在恒速运行和变速运行时技术和经济层面的应用导则。2016年，全球范围内电力消耗约有50%用于电动机，为单类设备中耗电量最大，仅工业用电动机就占了总耗电量约30%。虽然“耗电量”一词被广泛运用，但大部分电能做的是有用功，电动机将电能转化为机械能，其中小部分转化为热损耗。因此电动机，尤其是可根据不同负载要求控制转速和转矩的变速电动机，是实现显著节电的关键设备。降低能耗的一个简单方法是投资更高效的电动机，因为运行成本主要来自电费，这种方式通常会带来快速的投资回报。然而，更大的节能潜力要从整体的系统视角来确定。据估计，尽管50%以上电动机将得益于变频器的控制，比如替换掉调节介质流量的节流装置之类高耗能机械控制装置，但实际使用的电动机中仅有12%是由变频器控制的。本文件旨在为正确使用恒速和变速电动机提供指导，并从实际用途和工作特性的角度分析何时使用它们。本文件给出了恒转矩工作特性和平方转矩工作特性的示例，并描述了实际意义，以便加深对其可行性的理解。本文件的某些部分也可能适用于其他电动机。1包括变速应用的能效电动机的选择应用导则1范围本文件对交流电动机在能效方面的应用提供了技术和经济层面的指导，适用于电机制造商、OEM(原始设备制造商)、终端用户、监管机构、立法机关和其他相关方。本文件适用于IEC60034-1、IEC60034-30-1、IECTS60034-30-2所覆盖的所有电机。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T12668.902—2021调速电气传动系统第9-2部分：电气传动系统、电机起动器、电力电子设备及其传动应用的生态设计电气传动系统和电机起动器的能效指标(IEC61800-9-2:2017,IDT)GB/T32877—2022变频器供电交流电动机确定损耗和效率的特定试验方法(IEC60034-2-3:IEC60034-1旋转电机第1部分：定额和性能(Rotatingelectricalmachines—Part1:Ratingandperformance)IEC60034-2-1旋转电机第2-1部分：旋转电机(牵引电机除外)确定损耗和效率的试验方法[Rotatingelectricalmachines—Part2-1:Standardmethodsfordetermininglossesandefficiencyfromtests(excludingmachinesfortractionvehicles)]IEC60034-2-3变频器供电交流电动机确定损耗和效率的特定试验方法(Rotatingelectricalma-chines—Part2-3:Specifictestmethodsfordetermininglossesandefficiencyofconverter-fedACmotors)注：GB/T32877—2022变频器供电交流电动机确定损耗和效率的特定试验方法(IEC60034-2-3:2020,IDT)IEC60034-12旋转电机第12部分：单速三相笼型感应电机的起动特性(Rotatingelectricalma-chines—Part12:Startingperformanceofsingle-speedthree-phasecageinductionmotors)IEC60034-30-1旋转电机第30-1部分：电网供电的交流电动机效率分级(IE代码)[Rotatingelectricalmachines—Part30-1:EfficiencyclassesoflineoperatedACmotors(IEcode)]IECTS60034-30-2旋转电机第30-2部分：变速交流电动机效率分级(IE代码)[Rotatingelec-tricalmachines—Part30-2:EfficiencyclassesofvariablespeedACmotors(IEcode)]IEC60072(所有部分)旋转电机尺寸和输出功率等级(Dimensionsandoutputseriesforrotatingelectricalmachines)IEC61800-9-1调速电气传动系统第9-1部分：电气传动系统、电机起动器、电力电子设备及其传动应用的生态设计采用扩展产品法(EPA)和半解析模型(SAM)制定电气传动设备能效标准的一般要求[Adjustablespeedelectricalpowerdrivesystems—Part9-1:Ecodesignforpowerdrivesystems,motorstarters,powerelectronicsandtheirdrivenapplications—Generalrequirementsforset-tingenergyefficiencystandardsforpowerdrivenequipmentusingtheextendedproductapproach(EPA)andsemianalyticmodel(SAM)]2IEC61800-9-2调速电气传动系统第9-2部分：电气传动系统、电机起动器、电力电子设备及其传动应用的生态设计电气传动系统和电机起动器的能效指标(Adjustablespeedelectricalpowerdrivesystems—Part9-2:Ecodesignforpowerdrivesystems,motorstarters,powerelectronicsandtheirdrivenapplications—Energyefficiencyindicatorsforpowerdrivesystemsandmotorstarters)注：GB/T12668.902—2021调速电气传动系统第9-2部分：电气传动系统、电机起动器、电力电子设备及其传动应用的生态设计电气传动系统和电机起动器的能效指标(IEC61800-9-2:2017,IDT)3.1术语和定义IEC60034-1、IEC60034-30-1、IECTS60034-30-2界定的术语和定义适用于本文件。ISO和IEC在以下地址维护用于标准化的术语数据库：ISO在线浏览平台：/obp下列符号适用于本文件。△p压力差值，单位为帕斯卡(Pa)n标称效率，以百分数(%)表示额定效率，以百分数(%)表示F牵引力，单位为牛顿(N)f.频率，单位为赫兹(Hz)额定频率，单位为赫兹(Hz)I电流有效值，单位为安培(A)n运行转速，单位为转每分(r/min)ny额定转速，单位为转每分(r/min最大转速，单位为转每分(r/minns同步转速，单位为转每分(r/min)Pma电动机输出功率，单位为瓦特(W)P×额定输出功率，单位为瓦特(W)Q流量，单位为立方米每秒(m³/s)R电阻，单位为欧姆(Ω)s感应电动机转差率，以百分数(%)表示Tn最大输出转矩，单位为牛顿米(Nm)T额定输出转矩，单位为牛顿米(Nm)Ux额定电压，单位为伏特(V)v线速度，单位为米每秒(m/s)3.3缩略语下列缩略语适用于本文件。3AC交流(alternatingcurrent)CDM成套传动模块(completedrivemodule)EM电动机(electricEP拓展产品(extendedproduct)ESOB泵头中带有轴承的端吸泵(end-suctionownbearing)GHG温室气体(greenhousegas)IE国际能效指标(internationalenergyefficiencyofcomponentindex)IES国际系统能效指标(internationalenergyefficiencyofsystemindex)LSPM自起动永磁同步电动机(line-startpermanentmagnetsynchronousmotor)MDU电动机传动单元(motordrivenunit)OEM原始设备制造商(originalequipmentmanufacturer)OP工作点(operatingpoint)PDS电气传动系统(powerdrivesystem)PMSM永磁同步电动机(permanentmagnetsynchronousmotor)PWM脉宽调制(pulsewidthmodulation)ROI投资回报(returnoninvestment)RMS均方根(root-mean-square)RSM磁阻同步电动机(reluctancesynchronousmotor)TC技术委员会(technicalcommittee)THD总谐波失真(totalharmonicdistortion)VFD变频器(variablefrequencyd4背景本章介绍了能效的重要性和使用电动机与变频器时巨大的节能潜力。2010年全球温室气体(GHG)总排放量为490亿吨CO。当量，电力和热力生产占主体的能源行业，占总排放量的35%,占比最大[1]。至2015年，煤炭仍是电力生产最主要的能源，占全球总发电量20万亿千瓦时的43%,其次为天然气、水力、核能分别占比19%、15%和12%[2]。2017年燃煤发电厂平均效率为33%[3]。如引言所述，全球约有50%的电力消耗用于电动机，为单类设备中耗电量最大[4-5],2016年仅工业用电动机就占了总耗电量约30%,如图1a)所示[4-6],另外20%用于其他行业中的电动机，如商用、民用、交通和农业用电动机[6]。因此，电动机，尤其是变频器(VFD)供电的电动机，是实现大幅节电的关键设备。现有用户中，功率范围在0.12kW～1000kW之间的工业用低压电动机估计超过7.5亿台[7。注1:电动机消耗的绝大部分电能被转化为机械能，用于驱动设备，剩余部分转化为热，这部分是损耗。在本文件中，“耗电量”是“能量转化”的代替词，因为尽管定义如上所述，但“耗电量”一词已被广泛运用。目前现有用户中仅有约12%的电动机配有电子调速控制装置，如图1b)所示[8]。据估计，如果该占比超过50%,将更加有益于节约能源。在大多数情况下，将直接并网电动机替换成能效等级更高的新电动机是一种较简单的提高能效的方法。然而，更大的节能潜力与速度控制相关，例如可通过替换掉效率较低的机械控制装置实现，如泵的节流阀。考虑到生命周期成本时，采用节能措施的投资通常仅在几年甚至几个月内便可回收。电力成本约4占电机系统整个生命周期成本的96%,而采购和安装成本只占大约2.5%,维修成本占剩余的1.5%,如图1c)所示[8]。在投资电动机和驱动器时，采取全生命周期成本法，而不是单一元件价格优化策略，是极其有益的。目前泵系统耗电量占全球工业总耗电量超过25%,据估计，其中约40%是可优化节能的，尤其是占市场保有量73%的离心泵，此类泵约有75%体积过大，其中蕴含着巨大的节能潜力[8]。与离心泵类似，风机系统也具有按转速平方比例增长的负载特性，因而功率特性按立方增长，如果能够实现变速控制运行，将具有巨大的节能潜力。仅这两项应用就占了工业用低压电动机市场的52%[?]。图1d)给出了2020年工业用电动机每个能效等级的预测全球市场份额[10],它们各自从1995年—2020年的发展历程如图2所示[10-12]。2020年市场占比最高的能效等级为IE2,约占41%,25年前的1995年，IE0(该等级包括额定效率低于IE1最低效率限值的电动机)的市场份额最大，约为56%。IE4是目前直接并网电动机的最高能效等级，2020年市场份额约为2%[10],意味着节能潜力仍然很高。注2:直接并网IE4电动机的广泛应用仍受到局限，原因是电机制造商生产能力仍受当前技术水平限制，未能在所有额定功率下达到该能效等级。(VFD)动机30%其他电力消耗50%其他电动机直接起动直接起动(DOL)农业)a)单类设备全球耗电量市场占比b)全球工业用电动机用户中恒速或变速控制占比投资成本投资成本电力成本维修成本c)工业用电动机全生命周期成本构成的占比d)电动机能效等级市场份额图1工业用电动机数据统计为电动机系统及其所驱动的设备采取节能措施比不做同样的投资更具经济效益。因此，节能降耗的动机已经明确，但实现目标的主要障碍在于意识的欠缺，以及在制定采购计划时往往优先考虑初始产品成本的降低而非运行成本的节省，从全生命周期的角度来看，这是非常不经济的，如下例证所示。5年份年份注：IE0等级额定效率为低于IE1能效等级限值的电动机。图21995年—2020年工业用电动机能效等级预测全球市场份额IECTC2(旋转电机)和IECTC22(电力电子系统和设备)提供了大量关于电动机和电气传动系统(PDS)的能效标准，所涉及的单元如图3所示[13]。IECTC2(IEC60034系列)标准和IECTC22(IEC61800系列)标准在用词上不完全相同。电气传动系统(PDS)包括变频器(VFD)[也称成套传动模块(CDM)]和电动机(EM),其后连接的是传动装置(变速器、皮带、离合器等)和被传动的设备(泵、风机、压缩机、输送机、升降机等)。电气传动系统PDS、传动装置和被传动的设备合称为电动机传动单元(MDU)或拓展产品(EP)。机械设备被驱动设备电动机控制流量/移动电动机电动机控制流量/移动电动机离合器、制动压缩机、运输机图3电动机传动单元构成下列标准覆盖了额定运行时频率(通常为50Hz或60Hz)和转速恒定的电动机：IEC60034-2-1:确定损耗和效率下列标准覆盖了变频(由变频器供电)和变速专用电动机：IEC60034-2-3:确定损耗和效率除非被明确排除在外，否则每个电动机都属于这两类中的任何一种(见IEC60034-30-1或6IECTS60034-30-2范围),因此根据其类别将只携带一个IE代码标记。通过印在铭牌上的定额确定电动机能效是否按照IEC60034-30-1或IECTS60034-30-2进行分类。如果电动机只用于恒速运行或是同时适用于恒速和变速运行(如大多数感应电机),则应根据IEC60034-2-1用电网电源进行测试，并根据IEC60034-30-1进行分级。在这种情况下，所确定的满载效率应与能效等级一起印在铭牌上。与较低能效等级的感应电动机相比，高能效等级的感应电动机其尺寸、质量和成本通常会增加。因此，在IEC60034-30-1中目前并网电动机的最高能效等级为IE4。当电机专用于变速运行时，如大多数永磁同步电动机、磁阻同步电动机或不直接并网的感应电动机[如同步转速为3000r/min(100Hz)的4极感应电动机],效率的确定应依据IEC60034-2-3,并按IECTS60034-30-2进行分级。在这种情况下，只需将能效等级印在铭牌上，可选择是否在铭牌上标注所确定的效率值。此外，制造商可在相关资料或其网站上提供标准工作点的效率数据，方便用户确定在基准转矩和转速范围内的任何给定负载点(转速、转矩)的效率。IEC60034-2-3提供了可用的插值程序(见下文)。IECTS60034-30-2中各能效等级的标称效率值已进行了修正，以适应VFD供电时脉宽调制(PWM)电压所造成的附加电动机损耗。因此，直接并网和变速电动机的IE代码等级基本相当，但根据实际的设计和技术，在部分转速和负载工况下会有个别差异。IECTS60034-30-2主要针对同步电动机，由于其极大减少了转子损耗而默认效率更高，因此引入了一个新的能效等级IE5。IE5同步电动机的尺寸和质量通常与相同额定功率的IE4或IE3异步电动机相当。下列标准覆盖了由VFD运行的电动机：IEC61800-9-2:确定损耗和效率电气传动系统的效率分级(IES0、IES1、IES2)表1给出了电气传动系统IEC能效标准的概览。表1电气传动系统和电动机传动单元的IEC能效标准概况序号电动机传动系统所包含的单元范围效率测试效率分级1电动机电动机第二版：2014-06第一版：2014-032VFD电动机VFD供电的电动机第一版：2020第二版：2016-123VFD电动机VFD分级/测试第一版：2017-0345泵 压缩机拓展产品/方法第一版：2017-037只有当电动机在近似稳定的工况下运行一段时间时，确定损耗和能效等级才有意义。典型的例子有泵、风机、压缩机、输送机、升降机等。根据IEC60034-1,这类电动机的工作制为S1或S3,具有高负载持续率。有些电动机为S2短时工作制运行，例如车库门和工业门电机，这种情况下，由于相关附加成本，高能效并不总是理想选择。有些电动机(如伺服电动机)需要非常高的加速和减速能力，这只能在低转动惯量下实现。通常，这样的要求与在近似稳定工况下、需要增大电动机尺寸和惯量的高效率设计相悖，反而事与愿违，因此效率分级一般排除伺服电动机。对于转速和转矩可变的电动机，制造商宜提供附加信息让用户能够根据IEC60034-2-3确定在任何给定负载点(转矩、转速)的效率和损耗。提供的信息可以是7个标准工作点的损耗(Pu,PL₂,…,P),从中可计算出合适的插值系数，或者直接给出插值系数(cu,clg,…,cu),这7个标准工作点已定义，如图4所示。较可取的方法是，制造商宜直接提供插值系数，因为这样可使能效插值更准确。在只可得到损耗值的情况下，用户可根据的公式确定插值系数。不管采用哪种方法，插值都可很容易地使用IEC60034-2-3中提供的公式得到。相对转速/%相对转速/%图47个标准工作点，摘自IEC60034-2-3没有给出低于25%转速和25%转矩的预估测试点，因为这样的工作点实际上无法进行高精度测量。此外，在此工作范围内运行损耗主要是I²R损耗，可准确地从其他工作点推断出来。测试点(3)、(2)和(1)主要适用于满载时的恒定转矩应用场合(传输带、升降机、起重机),测试点(5)和(4)则适用于半负载。为了确保按照IEC60034-2-3中所述的标准电动机损耗测定程序，90%以上的转速没有放置任何测试点，以消除VFD电压降的影响。注：图4中一种备选工作点顺序为(1)-(4)-(2)-(5)-(6)-(3)-(7),这种方式实验验证过程更快，因为电流(转矩)调整比转速调整更快，或者说大部分是电调节而不是机械调节。8不同等级间输入功率变化率/%不同等级间输入功率变化率/%5.1电动机长时间满载运行的应用场合从IE1到IE4,电动机损耗通常会减少约45%,通常状况下的总电力需求量降低约为10%(在0.12kW～110kW的额定功率范围内，差距在3%～31%之间)。图5给出了当替换为更高能效等级的电动机时(假设两台电机都在其额定功率下运行),在输入功率方面的节电潜力，对于电动机较长时间运行、且运行在各级能效及附近工作点的所有应用场合都适用。电动机额定输出功率/kW图5不同额定输出功率下，4极电动机提高一个能效等级输入功率减少的百分比注：图5对根据IEC60034-30-1和IECTS60034-30-2分级的电动机有效，即在能效等级工作点运行的所有DOL当需要速度控制或有效果时，将高效率电动机与变频器组合使用是很好的做法。输送气体或液体的设备一般为泵、风机和压缩机，其系统特性曲线随流量Q的平方增长，如图6所示。泵系统中的净压头是由闭合回路中泵输送液体时克服管道摩擦力所需的额外压力以及在开路时的重力所产生。闭合泵回路没有重力引起的静压的净作用，因此静压头较低。风机和鼓风机一般净压头较低，且出风的压力与进风的压力相近。通过不同的控制方法，有流量变化要求且静压头较低的系统通常比静压头较高，即使在低流量时也需要相当大的基准压力的系统，具有更大的节能潜力。图6中，对于未节流的系统特性曲线，流量正比于VFD控制的电动机转速，而对于节流系统特性曲线，电动机转速是恒定的，流量通过用节流阀改变管道的横截面积，在低流量状态下制造一个“阻塞”来进行调节。下面给出一些采用不同控制方法节能的例子。9开路图6有/无节流阀的系统特性曲线及恒速时的泵特性曲线5.2.2泵系统的节流与变速控制对比泵运行所需的电机输出功率由压力差值、流量和泵效率给出，即Pmo=△p×Q×1/ηlyd。如图6所示，原则上有下列解决方案可将流速Q₁(工作点OP1)降低到Q₂,如下所述。通过节流控制流量的例子(OP1→OP2)通过节流阀可调整系统特性曲线并将工作点移至OP2,电机继续以额定转速n、运行，系统输出将如愿减少至Q₂。然而，电动机输入功率P₁保持不变，即Pma=△p₁×Q₁×1/ηa≥△p₂×Q₂×耗了不必要的功率，由于扬程增大，系统在期望的工况点Q。处运行时效率反而变低。通过变速控制流量的例子(OP1→OP3)当采用电机转速调节到新的流量Q。而不是使用节流阀调节时，所需的电动机功率可大大降低。这种情况下，系统特性曲线不变，工作点达到了OP3,现在系统消耗的功率大大减小，即Pmora=△p₃×从图6可看出，当需要长时间减小流量时，VFD通常是节能的更优选择。由于复杂度更高以及附加元件损耗，对于连续运行在额定流量附近的系统VFD的节能效果可能不显著。更多关于泵应用的例子可参见参考文献[14-20]。5.2.3泵系统开/关流量控制根据运行时间和负载变化特性，简单的开/关控制可能比通过改变电动机转速调节流量效率更高。例如，地面建筑区的地下水泵或供住户用水的蓄水塔水泵，往往在水位达到一定高度时才启动，低于一定阈值时就关闭。在运行期间，泵运行在标称功率且在最佳效率点。更多信息见参考文献[18]。泵级联设计允许多台泵并联，以满足不同的需求。此类设计经常用于例如大型办公楼的饮用水升压器。这类应用中，只有最后一个泵会变速运行，而其他所有泵只需根据需要开启或关闭。泵在标称负载下运行的效率高，不仅是因为电动机效率高，还因为泵效率接近最佳效率点。5.2.4可变流量的泵系统及其节能潜力许多应用，如额定液压输出功率小于或等于2500W用于供热系统或冷液分配系统的循环泵，其工作效能得益于输送的液体恒定但流量变化。据估计，与标准循环泵相比，若采用变速控制和更高效率的电动机，高效率循环泵可节约高达80%的电能[19]。通过对大量不同类型，功率从几百瓦到几百千瓦，流量可变的泵进行全面研究，例如清洁水泵和污水泵，研究结果表明当选择变速替代恒速运行时，节电量约可达20%～40%。当选择更高效率的同步电动机驱动系统替代“标准”感应电动机驱动系统时，还可能再节电约4%～19%。因此，对于流量变化的泵系统，当选择最高效率的变速电动机驱动系统替代恒速电动机配合流量控制方法时，总节能量可达到约25%～52%[20]。超过50%的清洁水泵用于流量变化的应用场合，但只有少部分泵与VFD配套销售[20]。图7给出了平均运行时间5000h/年、ESOB在流量变化应用场合中的节电量示例。以DOL异步电动机的耗电量为基数，给出了不同功率等级的DOL感应电动机、VFD供电感应电动机和VFD供电同步电动机的平均耗电量[20]。可从该例中看出，电动机功率小于22kW的系统平均节电量达47%。电动机功率/kW图7DOL或VFD运行的不同电动机驱动的ESOB的平均电耗5.2.5风机系统设计总结与前面的泵系统设计相似，风机系统设计的基本规则更加直接。由于风机通常在低静压头下运行，且系统特性曲线中所需功率随转速立方增长，在部分负载工况下使用变频驱动的好处是很明显的。因此，除非风机需要长期满负荷运行，否则建议使用VFD;长期满负荷运行时，开/关控制可能是更好的选择。所有输送机都具有相似的系统特性曲线，如图8所示，该曲线适用于水平、垂直和倾斜方向运输散装或包装货物的工况。所需电动机功率能通过牵引力和线速度计算出来Pm=F×v。5.3.2输送机恒速与变速控制对比当输送机的质量流率需要从全速v₁、全转矩(力)F₁(工作点OP1)降低时，如图8所示，有两种主要解决方案：对于以恒速v₁运行的电动机，质量流率降低将导致力等比例降至F₂。在工作点OP2运行所需的电动机功率为Pmorz=v₁×F₂。传输速度传输速度v/(m/s)图8输送机(传输带)、起重机、升降机等的系统特性曲线当电动机转速按质量流率降低的比例调整到v₂时，将达到工作点OP3。此时，因输送机的负载相有些输送机摩擦力相当大，例如运输矿渣的长距离皮带输送机。由于摩擦力很大程度上与传输速度成正比，因此实际上根据负载(力)来降低电动机转速并达到工作点OP3,比在输送机负载减小(力也减小)的情况下全速运行(OP2)更节能。输送机的摩擦力越高，使用变频驱动的好处就越明显。然而，速度非常低时，摩擦力反而可能会增大，因此抵消了速度控制对效率的作用。变速在许多应用场合中都有功能上的优势，例如，对于电梯来说，变速可达到更高的最大速度，而固定速度运行中由于重力过大且受伤风险太高不可能达到这种速度。变速的功能效益往往比只考虑节能更重要，这使得VFD控制在恒转矩应用场合中同样受到关注。6电机基本原理6.1概述电动机类型多种多样，其中一部分能以固定频率和转速直接并网(DOL)或通过变频器(VFD)变速驱动，还有一些是专门为VFD运行设计的电动机。第7章将讨论在6.2.1中定义的DOL型电动机的性能特征，第8章、6.2.2和6.3.2将讨论VFD运行电动机的性能特征。6.2技术这类技术包括三相笼型(见图9)或绕线转子感应电动机、单相感应电动机和能够自起动的永磁电动机。一些电动机由于起动转矩不足或起动电流过大而无法实现直接起动，有些永磁电动机由于设计起动转矩不足或自起动的瞬态过程中可能会导致磁体退磁而同样无法实现自起动。三相笼型设计仍然是工业用电动机主力，在用电动机中占比超过95%。转子绕组能用铝条或铜条连接到转子铁心两端的短路环制成。绕线转子感应电动机较少使用，通常用于需要高起动转矩和/或低堵转电流的应用场合。DOL永磁电动机具有转子损耗低的优点，但通常起动转矩较低，因此在高初始负载或高转动惯量的工况下可能会较难起动。注：与起动时堵转视在功率最大值的关系在IEC60034-12中给出。IEC60034-30-1建立了设计为直接起动电动机的国际能效指标(IE)等级。6.2.2变频器驱动电动机技术这类技术包括6.2.1所涵盖的所有电动机，以及无法DOL起动的同步电动机和永磁同步或磁阻同步电动机。不采用起动鼠笼的设计，由于消除了转子损耗，具有能耗低的优点，但需要配置VFD。如果没有变速和改变功率的需求，VFD不仅没有节能优势，而且增加了VFD损耗和VFD成本。其性能特征将在第7章讨论。图9笼型感应电动机电动机的效率是衡量电能转换为机械能的有效利用程度的值，用输出功率与输入功率的比值表 (1)电动机通常要给出额定负载时的效率，有时也提供3/4负载和1/2负载时的效率。电动机的效率主要为负载、额定功率和转速的函数，如下所示：a)效率随负载变化的函数关系是电动机的固有特性，如果电动机远远偏离额定点运行时将会导致电动机的效率发生变化(见图12b)和7.2];b)通常，电动机的满载效率随电机的几何尺寸和额定输出功率的增加而增加；c)在相同额定功率下，转速较高的电动机在额定负载时通常(但不总是)比转速较低的电动机效率更高；然而，这并不意味着所有的设备都必须用高速电机来驱动；当采用变速装置，如皮带轮或齿轮，来获得所需的低速时，反而比直接用低速电动机驱动额外增加了系统功率损耗并降低笼型感应电动机的额定转速(r/min)与效率之间存在明确的关系。即：额定转速相对于同步转速越低，效率越低；转差率反映了转子绕组的损耗，如公式(2)定义(无量纲):…因此，IECN设计的笼型感应电动机满载转差率小于5%,相比较高转差率电机效率更高，在条件允许时宜优先使用。对于泵、风机、压缩机一类的负载，使用多速电动机或使用变频器(VFD)可显著节省电能。但宜注意，相同定额的多速电动机在每一转速下的效率比单速电动机的效率稍低。通常，单绕组(例如达兰德绕组)变极多速电动机比双绕组多速电动机效率更高。连续或长期运行的电动机具有很大的节能降耗空间。这类应用的例子有加工机械、空气动力装置、泵和很多种工业设备。许多电动机是连续运行的，但有些电动机全年运行时间很短，例如阀门电动机、水坝门电机、工业门电机、消防泵和污水泵。在这些应用中，改变电动机的效率对总能源成本的降低意义不大，因为总能耗很少，而且改为高效率电机后反而有可能降低其他性能要求。电动机的效率小幅提高几个百分点，结果将是电动机损耗的显著降低。例如，对于相同的输出功率，如果效率从75%提高到78.9%,从85%提高到87.6%,或从90%提高到91.8%,每种情况下损耗将减少20%。效率通常是随电动机的几何尺寸增加的，输出功率超过1MW的中、高压电动机效率通常在95%以上。注：尽管电动机的输出功率随几何尺寸成平方关系增大，其可允许的散热条件却几乎是线性增加的关系。因此，较高的效率是设计大电机的必然前提。电动机将电能转换为机械能，所产生的损耗一般描述如下：a)电损耗(定子和转子，随负载变化)——电流流过定转子绕组产生的损耗表示为电流平方乘绕组电阻(I²R);笼型感应电动机的转子损耗随转差率增大；在永磁或磁阻同步电动机中，转子损耗通常不大，原因是这类电动机转子没有鼠笼且与定子磁场同步运行，因此转子中主要是直流磁场；b)铁心损耗(基本上与负载无关)——这类损耗主要在定子叠片中产生，转子中低一些，主要取决于磁场频率；虽然磁场对电动机产生转矩至关重要，但会引起磁滞损耗和涡流损耗；c)机械损耗(通风和摩擦损耗，基本上与负载无关)——机械损耗主要产生于电动机轴承、风扇和密封结构；这些损耗在低速电动机和防护等级为IP2X、IP4X和IP5X电动机中一般较小，但在d)附加损耗(杂散损耗)——铁心中附加基波和高频损耗，定子绕组中循环电流产生的损耗，转子导体在负载时产生的谐波损耗；笼型感应电动机中这些损耗假定与转矩平方成正比，在同步电动机中是最小的。表2列出了4极三相笼型感应电动机的电机损耗分量及其在电动机总损耗中的典型占比，以及影响损耗大小的设计和结构方面因素。表24极三相笼型感应电动机损耗分布损耗分量典型4级电动机损耗百分比/%影响损耗的因素定子I²R损耗30～50定子导体设计及材料转子I²R损耗20～25转子导体设计及材料铁耗20～25磁性材料的类型及设计附加损耗5～15主要为制造因素及设计方法风摩耗5～10风扇和轴承的选择和设计6.3.3更高能效等级的电动机期待通过技术的进步能够设计和制造出与现有较低能效等级的电动机(例如EN50347、NEMAMG1和其他地方标准)[21-22]的机械尺寸(法兰、轴中心高等)相兼容，效率比IE4更高的电动机。这类电动机运行时通常需要VFD。无励磁绕组的同步电动机转子损耗几乎为零，因此这类电动机有可能达到更高的能效等级。永磁同步电动机(PMSM)和磁阻同步电动机(RSM)已经开发并商品化。PMSM通常具有某种固有的磁阻转矩而RSM具有永久的驱动力，因此可将两者的结构混合以互相弥补。一些同步电动机的设计兼具永磁电机和笼型电机的特点，因此它们可在线起动(直接起动、永磁、同步电动机“LSPM”),运行时也不一定需要VFD。然而它们的起动性能较差，并伴有转矩脉动和噪声，同时受负载转矩和负载惯量相当大的限制。因此需要和实际使用工况密切匹配，而不能用在一般场合。所有产品的制造都会受材料和制造工艺的影响，即使是相同的设计和相同的工艺生产线，也不可能制造出两个完全相同的产品，对于电动机来说也是如此。产品会受材料的影响，如定转子叠片所用硅钢片电磁性能的变化会影响到铁耗的改变进而影响到电机效率。以7.5kW的电动机为例，如果铁耗增加10%(300W～330W),这是在硅钢片允许的容差内，那么电动机的总损耗就由946W增加到976W,电机效率由88.8%(IE2)减小到88.5%(IE1)。制造过程的局限性也会导致效率的改变。如电动机零部件尺寸都有一个合理的公差限值，将这些部件装配在一起累计的公差，比如影响到了电机气隙的实际尺寸，则会造成附加损耗的改变而影响电机的效率。此外，电机制造工艺，如冲孔，也会对硅钢片的电磁性能产生负面影响，增加铁耗并降低相对磁导率，进而增加所需电流和铜耗。另外，制造过程和试验程序也可能造成影响。因此，在预测一台给定电动机的效率时，可用制造商定义的额定效率(该值宜为同一设计的大量电动机所得的平均效率),额定效率也宜大于或等于所在额定能效等级的标称效率值(根据IEC60034-30-1或IECTS60034-30-2)。当电动机运行在额定电压和频率时，任一电动机的实际满载效率可能会低于额定效率，但是不能低于额定效率减去IEC60034-1中规定的效率容差。因此，原则上允许的最大损耗容差包含了制造工艺的影响和测试总不确定度这两者都为最不利情况时的集合。6.4功率因数功率因数是有功功率与视在功率的比值，因此没有单位。功率因数为1等价于仅有有功功率，功率因数为0等价于仅有无功功率。功率因数通常随着电动机负载的增大而增大。如果大量感应电动机都运行在轻载情况下，将导致电力系统的功率因数降低。额定负载时，并网运行的低速感应电动机的功率因数比高速电动机低，这是因为极数越大的感应电动机漏抗越大，因而无功功率越大。对感应电动机，电压比额定电压略高(小于10%)将减小功率因数，电压比额定电压略低(小于10%)将改善功率因数，然而其他的性能特性例如效率，可能会因为这种电压的变化而受到不利影响，所以建议电动机尽量运行在接近铭牌电压和功率下。通过电力系统分析可判断是否需要校正功率因数以及是否需要用到如电容器、同步电机，或其他校正措施。当用功率因数补偿电容器来改善电力系统的功率因数时，宜仔细进行选择和应用以避免不安全的运行状况。如果电容器太大，并且在断电时仍与电动机相连，则电容器会提供无功功率来继续使电动机保持磁化，导致电压持续攀升，进而损坏电动机并/或造成安全隐患。建议咨询系统设计人员以确定合适的补偿电容值。如果电动机是VFD运行，宜咨询变频器制造商，以避免不兼容的情况。GB/T29326—2023/IECTS60034-31:20216.5极数、频率和转速的关系被驱动的设备决定了电动机需要以什么转速运行。电动机的同步转速n、是频率f。和极数p的函数，这些参数关系由公式(3)决定。国际上有两种通用的交流电网频率，50Hz或60Hz,因此每个确定极数的DOL运行电动机其同步转速是固定的。VFD电动机则可选择任意极数和频率，以达到需要的转速。极数、频率、转速的关系如表3所示。感应电动机需要有转差率使转子中产生电流，来引起转子磁场产生转矩。当负载增加时，转差率也增大，导致转速会随着转矩比同步转速低约几个百分点范围内。同步电动机将以公式(3)中定义的同步转速运行。表3极数、频率和转速的关系极数同步转速/(r/min)DOLVFD变频24620×fe8p(任意)6000/p6.6恒速运行与变速运行的区别如图10a)所示，因为DOL感应电动机的转速只随转差率变化，所以转速变化是极小。由于转差率的存在，电动机轴转速随负载略有下降。换句话说，DOL电动机转速不会随负载显著变化，电动机的工作区域仅为转矩沿着接近恒定转速附近的直线变化，且由电网固定频率和电动机的极数所决定。VFD运行电动机因为其转速和转矩都是可变的而具有更广的运行区域，从而形成如图10b)所示的大范围可运行区域，其中nx是额定转速，nmx是最大转速，Tmx是最大转矩。被驱动设备其自身的功能决定了所需的转速和转矩，能从实际工作特性中看出电动机在哪个运行状态下对系统最有利。在许多情况下，将机械控制装置替换为VFD控制装置能节约大量能源，带来非常快速的投资回报(ROI),如下所示。a)DOL电动机稳态下转矩-转速工作线b)VFD电动机转矩-转速工作区域图10DOL电动机与VFD电动机工作性能的比较7恒速运行电动机恒速运行是交流电动机最常见的类型，通常由50Hz或60Hz的电网供电。历史上，需要变速的应用场合通常使用较易控制的直流电动机。然而，由于直流电动机的电刷、电火花和磨损问题，它们在重载连续运行工况的工业应用场合中并不是很受青睐。相反，恒速交流电动机一直是首选，是工业中最常用的电动机。20世纪80年代，可传递大功率且控制合理的现代变频器被采用，使交流电动机能更可靠和高效地变速运行。然而据估计，直至2017年全球工业用电动机用户总数中，只有12%使用了VFD⁸]。为了简单起见，也常使用恒速电动机。最典型的低压电网是50Hz400V和60Hz460V。有时同一台电动机可在两种电网下使用，在额定铭牌上标注这样的双重额定值是很常见的。7.250Hz和60Hz时电动机的额定值因为电动机的利用率和几何尺寸与转矩的关联性比与功率的关联性更强，理论上输出功率与转速是呈线性关系的，即从50Hz～60Hz,功率要增加20%。注：上述情况适用于非泵类电动机。在中小型感应电动机中I²R绕组损耗占主体。当转矩保持不变时，50Hz和60Hz时绕组损耗基本上都保持不变。虽然风摩耗和铁耗会随频率的增大而增大，但在4极或更高极数的电动机中绕组损耗所占的比例较小。因此，60Hz比50Hz时输出功率增加了20%,但损耗的增长小于这一比例，因此相对而言(输出功率除以输入功率)效率提高，表4以表格形式总结了上述内容。实际上，无论是50Hz还是60Hz,其输出功率的定额都是根据IEC60072按一定的功率等级来划分的。因此，电动机的功率不可能总是增加20%。然而在各自电源频率下，如果电动机设计得更优，则60Hz时的一般优势还是注：理论上，直接并网电动机的附加损耗(通常为总损耗的5%～15%)的概念实际上主要包括在铁耗和I²R损耗中。表4以50Hz为基准，相同转矩时50Hz和60Hz电动机的效率计算类别转矩转速输出功率损耗占输出功率的比例I²R损耗风摩耗4×(1.2)1.⁵=5.25%铁耗4×(1.2)1.5=5.25%总损耗输入功率100+28=128%120+30.5=150.5%效率100/128=78.1%120/150.5=79.7%50Hz和60Hz时效率的差别也随着电动机的极数和几何尺寸而改变。通常，三相笼型感应电动机60Hz时的效率，在输出功率从0.75kW～355kW这一范围比50Hz时的效率高2.5%～0.5%。只有大功率2极电动机在60Hz时效率略低，因为其风摩耗和铁耗更大。当电动机以几乎相同的磁通和转矩额定运行在50Hz或60Hz时(如400V/50Hz/3.0kW和460V/60Hz/3.7kW,在60Hz时输出功率高出20%),多数情况下，60Hz的效率要比50Hz时的效率高。同样地，当电动机以几乎相同的磁通和输出功率额定运行在50Hz或60Hz时(如400V/50Hz/5.5kW和460V/60Hz/5.5kW,在60Hz时转矩减少20%),60Hz的效率总是比50Hz时高，因为电动机的利用率或负载减少了。由于这些原因，IEC60034-30-1中不同能效等级(IE1、IE2和IE3)的限值曲线在60Hz时总是高于50Hz。额定运行在电网频率(50Hz或60Hz)以外的电动机不按IEC60034-30-1效率分级，如果是专门为VFD运行而设计，则按IECTS60034-30-2分级。7.3起动性能能效型笼型感应电动机为了获得较高的效率，在结构上采取的典型措施是使用比性能稍差的同类电动机更多的有效材料，即增加铁心长，和/或增大铁心的冲片直径。由于这些原因，能效型电动机的起动性能与低效率的标准电动机的起动性能有所不同。平均来说，当电动机输出功率不变，效率水平提高一个等级后堵转电流将增加10%～15%,且不大于IEC60034-12中N或H设计所允许的最大电流。个别情况下，这种不同取决于电动机的结构原理，当用新电动机置换现有安装的电动机时，宜和制造商一起核查结构设计。最近已规定了一种新的设计代号NE和HE,其允许更高的堵转电流，可用来实现更高的效率。现在要求在铭牌中标出起动性能设计代号，以便引起终端用户注意并考虑是否采用起动器来处理电流。还宜注意的是，效率更高的电动机瞬时电流的指数衰减将更长，可能会影响继电保护整定值或继电器的延迟时间。通常，铸铜转子电动机比铸铝转子电动机具有较高的堵转电流，宜确保控制保护装置有合适的大小和设置，参见IEC60034-12。更高效率的电动机，特别是如果使用了铸铜转子，起动转矩可能会较低。起动转矩是起动时转子导条电阻和转子导条电流的函数，高效电动机尽力减少转子导条电阻和损耗，如果电流不增加的话，起动转矩将减少。如上所述，如果将能效型电动机的堵转电流增加10%～20%,且其他参数不变，那么起动转矩和最小转矩将增加20%～40%。与铸铝转子电动机相比，铸铜转子电动机的最小转矩通常较低。制造商应保证设计尺寸合理，以满足IEC60034-12中定义的起动特性(通常为N设计或NE设计)。7.4运行转速和转差率通常，具有较高效率的电动机其运行转速比较高，即和低效率电动机相比，其转差率较低。平均来说，当电动机的输出功率不变时，效率每提高一级，转差率会降低20%～30%。铸铜转子比铸铝转子的转差率更小、转速更高。如果用更高效率的电动机替换现有电动机，更高的转速可能会对电机提出更高的要求，结果可能会比现有效率较低的电动机消耗更多的电能，这被称为反弹效应。为了避免这种情况，宜相应地调整被驱动设备，例如选择一个直径较小的风机，以达到与之前相同的流量。在新的应用中，被驱动负载自然会根据增加的转速进行调整。常见的误判见C.3。7.5变负载电动机的损耗GB/T12668.902—2021附录D中给出了电机产生损耗的物理效应的详细信息，当通过计算或测量已知各个损耗分量时，可作为计算在不同转速和负载(转矩)下损耗的基础。在固定转速的电动机中，转子损耗随转子导条电流的平方下降，直至零负载时为0,杂散损耗以同样的方式随转子导条电流变化。a)定转子绕组I²R损耗与频率无关，并且随转矩的平方变化(因为电流基本上随转矩变化)。b)附加损耗是支撑结构(外壳、法兰)的损耗和边缘效应(转子导条间的横向泄漏电流、永磁体中的涡流等)造成的损耗。附加损耗可分为两部分：1)与频率和转矩的平方成正比的附加负载损耗；2)基于涡流效应，与频率的平方和转矩的平方成正比的附加负载损耗；当不确定附加负载损耗的精确分布时，应假定为平均分布。c)铁耗是基频磁通的函数，在定速电动机中接近恒定。随着负载的增大，励磁电压和损耗会有轻微的下降，但在此可忽略不计。这部分损耗有时被认为是恒定损耗。d)风摩耗可分为两部分：1)由轴承和轴封的摩擦造成的摩擦损耗，与频率成正比；2)风阻损耗，与转速(频率)的三次方成正比。由于定速电动机的转速变化不大，这部分损耗有时也被认为是恒定损耗。综上所述，在这里讨论的铁耗和风摩耗可假设是恒定的。电动机损耗的变化则是定子I²R、转子I²R以及附加损耗变化的结果，这些损耗占总损耗的60%～80%。为简化起见，可假定这些损耗大约以转矩的平方减少。如图11所示为一个典型4极笼型感应电动机在不同额定功率下的损耗占比[23]。以log为坐标的电动机输出功率额定值/kW图11典型4极笼型感应电动机在不同额定功率下的损耗占比7.6功率因数高效率电动机由于其结构特点，电阻损耗更低，功率因数也会更低，而较低的功率因数可能会增加所连的设备和电缆的负载和损耗。通常设备中电动机的总负载是决定系统功率因数的主要因素，低系统功率因数会导致配电系统损耗的增加。感应电动机的功率因数必然滞后于系统功率因数。直接并网运行时电压和电流波形实际上是正弦波，功率因数等于电压和电流基波之间相位角的余弦，也称为位移功率因数。感应电动机的功率因数随着负载的减小而减小，如图12a)所示。图12给出的是典型4极电动机的功率因数曲线，2极电动机功率因数稍高一点，极数较大的电动机功率因数更低。7.7部分负载时的效率如图12b)所示，单速电动机在大部分的负载范围内效率值几乎不变。图12中给出的是效率等级为IE2和IE3的典型4极三相笼型感应电动机的效率曲线，其他极数的电动机会有不同的特性曲线。在超载情况下，例如负载系数为1.15时，损耗的增长通常比负载的增长快，因此在超载情况下，效率将下降。电动机在接近50%负载时效率仍可能保持近乎不变，但由于转速恒定，且输出功率是转矩和转速的乘积，节约的能源则会非常少。附录A给出了计算公式，可用于计算任意负载时的效率近似值。然而，由于外推误差，不建议在负载小于额定负载的50%或大于125%时使用此公式。a)典型功率因数-负载曲线a)典型功率因数-负载曲线b)典型效率-负载曲线图124极三相笼型感应电动机不同额定功率的运行特性7.8电动机在不同电压或电压范围时的定额如果电动机有一个额定电压，但它运行在不同的电压或电压范围内，效率会有很大变化。当电压增大时，转矩和电流将成反比减小。因此，定转子损耗和附加损耗与电压变化的平方成反比，同时铁耗随电压的平方成正比增大。通常，由于大多数损耗与电流有关，电压升高会提高效率，电压降低则会降低效率，当然这取决于损耗的分布。7.9软起动抗起动器、部分绕组起动器或Y-△起动器。除了变频器起动外，以上方式都会产生一定的暂态电流和转矩。在所有其他情况下，电动机被直接与电网相连，暂态转矩的大小取决于电动机绕组上的电压百分比。除了VFD外，其他所有起动方式转矩大大降低，而堵转电流可能为额定电流的200%～600%。变频器从零速到全速起动时，电压和频率随转速按比例增加，与直接起动或任何其他软起动方式相比，起动非常平稳，瞬态转矩很小。通常在VFD起动时，起动电流不会超过额定电流，如果需要也可能达到额定电流的1.5倍，但起动时转矩会达到最大，并在额定电流时产生100%的额定转矩。1MW以下、低于1000V的电网供电交流电动机的IE能效等级已在IEC60034-30-1中定义，如表5所示。表5电网供电交流电动机的IE能效等级标准效率高效率超高效率超超高效率然而，额定功率1MW及以上的电动机通常是专门定制的，高效率一直是最重要的设计目标之一，这类电机的满载效率通常在95%～98%之间。效率通常也是购买合同中一项重要指标，如果不能满足保证值将会受罚。因此，规定能效等级来要求更高的额定效率是次要因素。在2016年标准启动修订时，由于恒速IE5电动机技术当时还没有开发完善并商品化，所以决定IE5等级不包括在内。同样，通过解决系统效率相比单项电机的小幅改进，要节省更多的能源。7.11效率测定方法有许多测试方法用以确定电动机效率，测试感应电动机效率所使用的国际标准是IEC60034-2-1,标准中确定了多种确定电动机效率的方法，每一种方法基于不同的电动机额定值等因素，在精度水平、测试成本和测试方法的难易程度上都各自有一定的优势。IEC60034-2-1中给出的部分方法在一些国IEC60034-2-11B法中的剩余损耗法详细说明了从原始数据中分离各种损耗的计算方法，并用线性回归分析法修正附加(或杂散)损耗数据。这种方法既可降低在25%～125%额定负载范围内的数据测量误差，又可将试验环境温度校准到恒定值25℃以降低不同试验环境造成的偏差。通常习惯上对功率小于2MW的电动机用负载吸收装置，即所谓的测功机来进行试验，通过计算测量的输入输出功率来确定损耗分量及效率。即使对同一台电动机采用一致并精确的效率试验方法，但由于试验设备和仪器本身精度的不确定性、非自动测试时人为因素等原因，其测试结果之间也会发生偏差。7.12电源和环境温度变化的影响7.12.1电能质量以及电压和频率变化的影响电动机在非额定电压和频率工况运行时，其效率和功率因数都可能会减小，且其他的性能特性也会受到不利影响，当电动机运行在非正弦波电压时也会出现相同的结果。供电电源电压、波形或频率的变化对电动机效率和功率因数的影响取决于不同电动机的设计，如图13所示。功率P转速n效率η电压U图13在恒定输出功率时电流、转速、功率因数和效率随电压变化的典型曲线7.12.2不平衡电压的影响供电电源三相电压的平衡对电动机系统的有效运行至关重要，例如，电压不平衡度达到3.5%时会使电动机的损耗增加约20%,因此，宜仔细分配三相电源上各相的负载，使电动机端的不平衡电压尽可注：详见IEC60034-26。7.12.3环境温度的影响电动机额定效率是在标准参考环境温度25℃下给出的(见IEC60034-2-1)。电动机运行时的环境温度低于该温度则效率会增加，高于该温度则效率会降低。注：运行中允许的电压频率变化范围见IEC60034-1。效率与电压的函数关系是电动机的内在特性决定的。电动机的运行电压与额定电压差距很大时，将导致电机效率和温升的变化，通常小电机的效率受电压变化的影响比大电机严重。7.13电动机尺寸在世界不同地区，一些小于75kW(或100HP)的小型电机是基于功率额定值来决定电机的安装尺寸，因此当出现故障时，可迅速从库存中替换电动机。目前能够确保适用这种安装尺寸，而不需要采用其他类型的先进电机技术设计(比如驱动器)的最高效率等级是IE3。8变速运行电动机8.1概述第7章描述的恒速运行的电动机是由电网直接供电，其基波频率固定为50Hz或60Hz,而对于变速运行的电动机，其基波电压频率是可调节的。频率整流器或更明确地说变频器(VFD)是一种能够控制基波电压频率的电子设备，连同一台兼容的电动机，这两个元件组成了一个电气传动系统(PDS),使用者能够任意选择转矩和转速，从而为终端应用的优化控制提供了可能性，以此实现节能。8.2任意转速下额定运行的电动机在任意转速下额定运行的电动机可为电机设计提供极高的自由度，例如可选择极数来缩小电机尺对于需要在低转速时产生高转矩的特殊应用，电动机能强制冷却并通过编码器控制来实现无传动装置下平滑运行。无论性能要求如何(特指转矩-转速),VFD用电动机设计都有极大的自由度。然而，在工业应用场合，VFD驱动的应用场合最常用的电动机仍是DOL感应电动机，通常具有相同的电动机设计和额定数据。因此，在追求系统性能优化方面，电机系统元件的设计仍有相对较大的想象空间。8.3变频和负载变化的电动机损耗VFD供电电动机中电压和电流的谐波会导致定转子中产生额外的铁耗和绕组损耗。由变频器中的谐波所引起的附加损耗与负载关系不大，但与变频器输出电压与直流母线电压之比有很大关系。这些损耗随开关频率的增大而减少。8.4设计为恒速运行的电动机在变速运行下的额外损耗为恒速运行设计的电动机的额定值与它们所并入电网的标称值一致，例如，对于一个用于基波电压电网中的4极电动机，则该电动机的空载转速为1500r/min,且绕组能够保证400V时的额定性能。如果同一电动机用于变速运行中，这是很常见的做法，那么该电动机不会和直接并网时性能完全相同。输入端为400V的变频器，通常电压会降低几个百分比，为了达到额定功率，电流需要以电压降几乎相同的百分比增加，这意味着电动机中会额外产生I²R损耗。而且变频器产生的脉宽调制电压波形会在电动机中引起磁通谐波并相应产生铁耗和I²R损耗。根据不同电机设计和采用的控制原理，额定工况下的额外损耗可能在5%～25%之间。8.5变频器工业电动机控制最常用的是由半导体功率器件如晶体管和