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摘 要：本文采用理论计算的方法，对典型电机采用不同节能改造技术后所达到的节能效果进行了分析计算，并进行对比分析，
得到了不同运行状态下，电机节能改造的最优方法及可产生的预期节能效果。
关键词：电机系统；工况；节能率；节能技术
中图分类号：TE0；V242.3 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
Analysis of the energy-saving technology in motor system
PENG XU DONG，Rao Yao，QIU Ze-jing
(Nari（WuHan）Electrical Equipment & Engineering Efficiency Evaluation Center, Wuhan 430074,China)
Abstract: A theoretical calculation method was used in this paper to achieve the energy saving effect by applicating different energy-
saving technology calculated on a typical motor. The optimal method of electrical energy and the expected energy-saving effect was
found by comparing analysis under different operating conditions.
Keywords: motor system; working condition; rate of energy-saving; energy-saving technology
0 引言
隨着国民经济的进一步发展，能源的节约与利用受到了高度的重视。电机系统所消耗的能源超过了全国总用电量的60%，同时当前市场上也涌现出了大量针对电机系统的节能改造技术，实际所能获得的节能效果也有较大差异[1]。
针对当前电机系统节能改造鱼龙混杂情况，本文选取了四个典型的电机系统节能改造技术进行了深入的分析研究。
1电机系统节能技术介绍
当前节能市场上电动机系统节能[2]的主要技术措施有以下几种：
1）对于需要进行流量和风量调节的场合，采用管路系统的阀门控制技术。
2）对长期连续运行场合，采用高效率电动机或超高效率电动机。
3）对需有级改变风量和流量的风机水泵，采用风机水泵专用的变极多速电动机。
4）对需特高起动转矩的长期运行场合，采用高起动转矩的永磁电动机。
5）对于经常在空载或轻载工况运行的电机，采用相控调压节电器。
6）采用电动机就地无功补偿。
7）采用正确的电动机修理技术。
8）采用交流变频调速装置。
9）电动机系统的优化设计和实施。
上面提到了在生产生活中比较常见的九种电机系统节能改造技术，本文针对其中应用较为广泛，节能效果有一定争议的四种节能技术——变阀技术、变频技术、相控调压技术和负荷优化运行技术进行对比分析，给电机系统节能改造技术的合理应用提供一定的依据。
2典型节能技术及效果分析
2.1变阀技术
对风机水泵的改造特性研究主要包括：管路的特性曲线及风机泵类的性能曲线[3]。
风机与泵的管路特性曲线由具体的管路系统自然形成，具有固定性，管路曲线方程可表示为
其中，H为管路压力，Q为流量，K为常数，为静压力值。
在保证风机水泵效率不变的情况下，风机泵类的性能曲线可表示为
其中Q为流量，H为管路压力，c为常数
根据管路曲线方程和性能曲线方程可得下图：
图1 管路特性曲线
当转速由n0变化为n1时，管路特性由n0曲线变化为n1曲线，当阀门开度减小时，风机特性曲线由R1变化为R2。
当管路阀门开度减小时，若风机转速保持不变，则风机的运行点由A1移动到A2，管路流量减小，但管路压力增大。当阀门开度不变，风机转速由n0下降到n1时，则风机运行点由A1移动到A2，管路流量减小，同时管路压力也减小了。
根据以上分析可看出，采用阀门控制技术与变频技术，均可以获得一定的节能效果，但运用变频技术，在保护管路安全、延长使用寿命方面也起到了良好的作用[4]。在设备处于低负荷运行状态时，在减少管路流量的情况下，变频技术的运用减小了风机转速，降低了管路压力，保护了管网。而运用阀门控制技术，不能减小风机的转速，增加了管路压力，不利于管路的长期运行。
根据风机（水泵）的运行特性，利用变阀技术可实现如下的节能效果：
当电机的转速一定时，风量Q 为0 时，压力H 为1.4p.u（标么值，以额定值为基准） ；设曲线特性为H=1.4-0.4Q2，额定风量时的风机轴功力：15kW，电动机的效率＝88%，假设P100 为100%风量的功耗，P70 为70%风量的功耗，P50 为50%风量的功耗，风机每天24小时运行，其中10小时70%工况，6小时100%工况，8小时50%工况。
P100=15/0.88 = 17.05kW
P70=15×0.7×（1.4-0.4×0.72）/0.88
= 14.37kW
P50=15×0.5×（1.4-0.4×0.52）/0.88 =11.08kW
则全天用电量为：
E1=10×P70+6×P100+8×P50=334.64kWh
2.2变频改造和伺服技术
可用于高压、低压电机系统改造，适用于需要频繁调节流量的场所[5]，如风机、水泵、注塑机、压缩机等，其中高压电机节能效果30%~40%，低压电机节能效果15%~20%
流量、压力、功率与转速的关系：
针对上例中同样的运行工况，考虑变频器的运行效率95%，则变频技术可实现如下的节能效果：
P100=15/0.88/0.95=17.94kW
P70=15×0.73/0.88/0.95=6.154kW
P50=15×0.53/0.88/0.95=2.243kW
则全天用电量为：E1=10×P70+6×P100+8×P50=187.124 kWh
针对上面的运行工况，对比于变阀改造技术，使用变频或伺服技术可进一步实现节能率44.1%
2.3相控调压技术
由于电机在轻载或空载运行时，电机电流主要是励磁电流，这时功率因数比额定负载时低[6]。相控电机节电器就是通过测量负载的功率因数，在电机轻载时通过降低电压、减少励磁电流，从而达到节能的目的。从相控电机节电器的原理来说，节电主要是降低电机在低负载时的空载损耗，因此，空载损耗所占比例的大小就直接影响节电率的高低。
由于采取轻载调压节电主要是减少电机在轻载时的功率损耗，从而提高电机效率[7]。由此可见，效率越低，空载损耗越大的电机，采取调压节电的空间就越大。
要取得最好的节能效果，必须有一个合理的调压系数。不同负载率P下的调压系数由下式可以确定：
式中：
——电动机额定负载时的有功损耗，kW；
——电动机的空载损耗，kW；
K——计算系数，；
——电动机的械损耗，kW；
——电动机的负载系数，
；
——电动机的输出功率，kW；
——电动机的额定功率，kW.
节电率计算公式为：
——电动机的负载系数
——相控调压系数
——电动机的运行效率
——计算系数
——空载损耗占额定功率的比例
仍以上面的风机系统为例，铭牌参数如下：P=15kW，η=88%，计算系数K=0.25，空载损耗占额定功率的比例=0.038，按上面的节能率计算公式可得节能率与相控调压系数的关系图如下：
图2 相控调压节能率曲线
由上图可以看出，在风机负荷率达到10%时，合理的运用相控调压技术可使节能率达到20%，但通常情况下，电机的负荷率都超过了50%，因此实际可实现的节能效果很小，图中所示不超过3%。
针对上面的运行工况，运用相控调压技术，对比于变阀技术，不仅不能实现电机节能，甚至有可能增加能源消耗[8]。
2.4运行工况匹配技术
电机负载率与效率的关系[9]
式中：
——电机负载率
——电机额定效率
K——常数
当时，效率达到最大，针对不同的电机，k值各不相同
仍以上面的电机系统为例，k=0.25，，可得出负载率与电机效率的关系曲线如下：
图3 电机效率曲线
由上图可以看出，在风机负荷率达到50%~60%时，电机的效率达到最高值，超过了额定的88%，当电机接近满载时，电机效率趋近额定效率88%。尤其是对于电机处于低负荷运行或启动状态时，通过运行工况匹配，可有效提升电机的运行效率，实现节能效果[10]。
针对上面的运行工况，运用工况匹配技术，对比于变阀技术，在100%负荷时，可实现电机效率的提升2%，节能率如下：
节能率=
2.5结论
通过对以上不同节能技术节能原理与节能效果的分析，可得出不同节能技术所适用的范围与节能效果，如下表所示：
表1 电机系统节能改造技术总结
3 结语
本文简要分析了电机系統的典型节能改造技术，分析了可能的节能效果与适用范围并进行了归纳汇总。但随着节能技术的进一步发展，更多的节能技术有待我们研究，同时针对不同的行业与场合，节能量的计算方法也有待进一步的优化，尚未形成统一有效的工程实践计算方法。因此，对该课题进行更深入的研究是非常必要的。
参考文献
[1] 李杰. 带工频变压器的PWM恒流电源研究[D]. 华中科技大学, 2009.
[2] 黄腾,王文辉,黄劲松. 风机泵类电动机节能技术分析[J]. 有色冶金节能,2009(6):29-32.
[3] 张宗桐. 高压变频器现状及发展方向[J]. 电世界,2007(6):1-6.
[4] 陈俊俊,孙继军. 电机最佳运行时效率和负荷率的时间研究[J]. 冶金能源, 1998,17(3):48-50.
[5] 汪书苹,盛明珺,胡丹. 风机泵类高压变频改造的节能分析及计算方法[J]. 电力自动化设备, 2011,31(3):117-120.
[6] 米建华. “十一五”电力能效影响因素分析[J]. 中国电力企业管理, 2006,23(4)：31-33.
[7] 张安华. 中国电力工业能效问理分析[J]. 中国能源, 2006,28(7):16-18.
[8] 江南. 浅析合理选用负荷率提高电机效率的途径[J]. 江苏冶金, 2008,36(增刊):81-82.
[9] 尹应德,孙进旭,曹炎等. 空调系统水泵变频改造节能效益分析[J]. 建筑热能通风空调, 2005,24(5):44-48.
[10] 张安华. 中国电力工业节能降耗影响因素分析[J]. 电力需求侧管理, 2006, 8(6):1-4.
作者简介：
彭旭东（1976-），男，湖北麻城人，高级工程师，博士，从事能效测评、能源计量、特高压技术研究等工作
得到了不同运行状态下，电机节能改造的最优方法及可产生的预期节能效果。
关键词：电机系统；工况；节能率；节能技术
中图分类号：TE0；V242.3 文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02
Analysis of the energy-saving technology in motor system
PENG XU DONG，Rao Yao，QIU Ze-jing
(Nari（WuHan）Electrical Equipment & Engineering Efficiency Evaluation Center, Wuhan 430074,China)
Abstract: A theoretical calculation method was used in this paper to achieve the energy saving effect by applicating different energy-
saving technology calculated on a typical motor. The optimal method of electrical energy and the expected energy-saving effect was
found by comparing analysis under different operating conditions.
Keywords: motor system; working condition; rate of energy-saving; energy-saving technology
0 引言
隨着国民经济的进一步发展，能源的节约与利用受到了高度的重视。电机系统所消耗的能源超过了全国总用电量的60%，同时当前市场上也涌现出了大量针对电机系统的节能改造技术，实际所能获得的节能效果也有较大差异[1]。
针对当前电机系统节能改造鱼龙混杂情况，本文选取了四个典型的电机系统节能改造技术进行了深入的分析研究。
1电机系统节能技术介绍
当前节能市场上电动机系统节能[2]的主要技术措施有以下几种：
1）对于需要进行流量和风量调节的场合，采用管路系统的阀门控制技术。
2）对长期连续运行场合，采用高效率电动机或超高效率电动机。
3）对需有级改变风量和流量的风机水泵，采用风机水泵专用的变极多速电动机。
4）对需特高起动转矩的长期运行场合，采用高起动转矩的永磁电动机。
5）对于经常在空载或轻载工况运行的电机，采用相控调压节电器。
6）采用电动机就地无功补偿。
7）采用正确的电动机修理技术。
8）采用交流变频调速装置。
9）电动机系统的优化设计和实施。
上面提到了在生产生活中比较常见的九种电机系统节能改造技术，本文针对其中应用较为广泛，节能效果有一定争议的四种节能技术——变阀技术、变频技术、相控调压技术和负荷优化运行技术进行对比分析，给电机系统节能改造技术的合理应用提供一定的依据。
2典型节能技术及效果分析
2.1变阀技术
对风机水泵的改造特性研究主要包括：管路的特性曲线及风机泵类的性能曲线[3]。
风机与泵的管路特性曲线由具体的管路系统自然形成，具有固定性，管路曲线方程可表示为
其中，H为管路压力，Q为流量，K为常数，为静压力值。
在保证风机水泵效率不变的情况下，风机泵类的性能曲线可表示为
其中Q为流量，H为管路压力，c为常数
根据管路曲线方程和性能曲线方程可得下图：
图1 管路特性曲线
当转速由n0变化为n1时，管路特性由n0曲线变化为n1曲线，当阀门开度减小时，风机特性曲线由R1变化为R2。
当管路阀门开度减小时，若风机转速保持不变，则风机的运行点由A1移动到A2，管路流量减小，但管路压力增大。当阀门开度不变，风机转速由n0下降到n1时，则风机运行点由A1移动到A2，管路流量减小，同时管路压力也减小了。
根据以上分析可看出，采用阀门控制技术与变频技术，均可以获得一定的节能效果，但运用变频技术，在保护管路安全、延长使用寿命方面也起到了良好的作用[4]。在设备处于低负荷运行状态时，在减少管路流量的情况下，变频技术的运用减小了风机转速，降低了管路压力，保护了管网。而运用阀门控制技术，不能减小风机的转速，增加了管路压力，不利于管路的长期运行。
根据风机（水泵）的运行特性，利用变阀技术可实现如下的节能效果：
当电机的转速一定时，风量Q 为0 时，压力H 为1.4p.u（标么值，以额定值为基准） ；设曲线特性为H=1.4-0.4Q2，额定风量时的风机轴功力：15kW，电动机的效率＝88%，假设P100 为100%风量的功耗，P70 为70%风量的功耗，P50 为50%风量的功耗，风机每天24小时运行，其中10小时70%工况，6小时100%工况，8小时50%工况。
P100=15/0.88 = 17.05kW
P70=15×0.7×（1.4-0.4×0.72）/0.88
= 14.37kW
P50=15×0.5×（1.4-0.4×0.52）/0.88 =11.08kW
则全天用电量为：
E1=10×P70+6×P100+8×P50=334.64kWh
2.2变频改造和伺服技术
可用于高压、低压电机系统改造，适用于需要频繁调节流量的场所[5]，如风机、水泵、注塑机、压缩机等，其中高压电机节能效果30%~40%，低压电机节能效果15%~20%
流量、压力、功率与转速的关系：
针对上例中同样的运行工况，考虑变频器的运行效率95%，则变频技术可实现如下的节能效果：
P100=15/0.88/0.95=17.94kW
P70=15×0.73/0.88/0.95=6.154kW
P50=15×0.53/0.88/0.95=2.243kW
则全天用电量为：E1=10×P70+6×P100+8×P50=187.124 kWh
针对上面的运行工况，对比于变阀改造技术，使用变频或伺服技术可进一步实现节能率44.1%
2.3相控调压技术
由于电机在轻载或空载运行时，电机电流主要是励磁电流，这时功率因数比额定负载时低[6]。相控电机节电器就是通过测量负载的功率因数，在电机轻载时通过降低电压、减少励磁电流，从而达到节能的目的。从相控电机节电器的原理来说，节电主要是降低电机在低负载时的空载损耗，因此，空载损耗所占比例的大小就直接影响节电率的高低。
由于采取轻载调压节电主要是减少电机在轻载时的功率损耗，从而提高电机效率[7]。由此可见，效率越低，空载损耗越大的电机，采取调压节电的空间就越大。
要取得最好的节能效果，必须有一个合理的调压系数。不同负载率P下的调压系数由下式可以确定：
式中：
——电动机额定负载时的有功损耗，kW；
——电动机的空载损耗，kW；
K——计算系数，；
——电动机的械损耗，kW；
——电动机的负载系数，
；
——电动机的输出功率，kW；
——电动机的额定功率，kW.
节电率计算公式为：
——电动机的负载系数
——相控调压系数
——电动机的运行效率
——计算系数
——空载损耗占额定功率的比例
仍以上面的风机系统为例，铭牌参数如下：P=15kW，η=88%，计算系数K=0.25，空载损耗占额定功率的比例=0.038，按上面的节能率计算公式可得节能率与相控调压系数的关系图如下：
图2 相控调压节能率曲线
由上图可以看出，在风机负荷率达到10%时，合理的运用相控调压技术可使节能率达到20%，但通常情况下，电机的负荷率都超过了50%，因此实际可实现的节能效果很小，图中所示不超过3%。
针对上面的运行工况，运用相控调压技术，对比于变阀技术，不仅不能实现电机节能，甚至有可能增加能源消耗[8]。
2.4运行工况匹配技术
电机负载率与效率的关系[9]
式中：
——电机负载率
——电机额定效率
K——常数
当时，效率达到最大，针对不同的电机，k值各不相同
仍以上面的电机系统为例，k=0.25，，可得出负载率与电机效率的关系曲线如下：
图3 电机效率曲线
由上图可以看出，在风机负荷率达到50%~60%时，电机的效率达到最高值，超过了额定的88%，当电机接近满载时，电机效率趋近额定效率88%。尤其是对于电机处于低负荷运行或启动状态时，通过运行工况匹配，可有效提升电机的运行效率，实现节能效果[10]。
针对上面的运行工况，运用工况匹配技术，对比于变阀技术，在100%负荷时，可实现电机效率的提升2%，节能率如下：
节能率=
2.5结论
通过对以上不同节能技术节能原理与节能效果的分析，可得出不同节能技术所适用的范围与节能效果，如下表所示：
表1 电机系统节能改造技术总结
3 结语
本文简要分析了电机系統的典型节能改造技术，分析了可能的节能效果与适用范围并进行了归纳汇总。但随着节能技术的进一步发展，更多的节能技术有待我们研究，同时针对不同的行业与场合，节能量的计算方法也有待进一步的优化，尚未形成统一有效的工程实践计算方法。因此，对该课题进行更深入的研究是非常必要的。
参考文献
[1] 李杰. 带工频变压器的PWM恒流电源研究[D]. 华中科技大学, 2009.
[2] 黄腾,王文辉,黄劲松. 风机泵类电动机节能技术分析[J]. 有色冶金节能,2009(6):29-32.
[3] 张宗桐. 高压变频器现状及发展方向[J]. 电世界,2007(6):1-6.
[4] 陈俊俊,孙继军. 电机最佳运行时效率和负荷率的时间研究[J]. 冶金能源, 1998,17(3):48-50.
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[6] 米建华. “十一五”电力能效影响因素分析[J]. 中国电力企业管理, 2006,23(4)：31-33.
[7] 张安华. 中国电力工业能效问理分析[J]. 中国能源, 2006,28(7):16-18.
[8] 江南. 浅析合理选用负荷率提高电机效率的途径[J]. 江苏冶金, 2008,36(增刊):81-82.
[9] 尹应德,孙进旭,曹炎等. 空调系统水泵变频改造节能效益分析[J]. 建筑热能通风空调, 2005,24(5):44-48.
[10] 张安华. 中国电力工业节能降耗影响因素分析[J]. 电力需求侧管理, 2006, 8(6):1-4.
作者简介：
彭旭东（1976-），男，湖北麻城人，高级工程师，博士，从事能效测评、能源计量、特高压技术研究等工作