(黑龍江省節(jié)能監(jiān)測中心，哈爾濱 150001)

0 引 言

電機系統(tǒng)包括電動機、被拖動裝置、傳動系統(tǒng)、控制(調(diào)速)系統(tǒng)以及管網(wǎng)負荷等，是一個涉及多學科、多專業(yè)、多領(lǐng)域的復雜系統(tǒng)，亦可稱為廣義的電機系統(tǒng)。電機系統(tǒng)通過電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過被拖動裝置(如風機、水泵、壓縮機、機床、傳送帶等)做功，實現(xiàn)所需的各種功能。

電動機吸收電能，通過輸出機械轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動各種負載機械，將機械能用于各種物件加工或各種介質(zhì)輸送。從能量傳遞過程來看，電機系統(tǒng)包括了電源、線路、電設備和電力變換器、電動機、連接部件、負載機械、調(diào)節(jié)器以及物件加工或介質(zhì)輸送等部分，如圖1所示。

電機系統(tǒng)節(jié)能，基本有兩方面：一方面要求構(gòu)成系統(tǒng)的每一部分，在完成系統(tǒng)所賦予的特定工作任務之外，均要降低損耗提高效率，進而提高整個系統(tǒng)效率；另一方面則要求各部分參數(shù)匹配協(xié)調(diào)，使得整個系統(tǒng)效率最佳。

1 電機系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

電機系統(tǒng)的應用范圍十分廣泛，其用電量約占工業(yè)系統(tǒng)總用電量的75%左右，占我國總發(fā)電量的60%以上。目前，電機系統(tǒng)在應用過程中較為關(guān)鍵的問題是往往把電動機和所拖動設備分開考慮，在提高各設備效率的同時，未從一個整體考慮，也就是系統(tǒng)的角度來分析系統(tǒng)需求、系統(tǒng)匹配、系統(tǒng)效率等，這也是目前電機系統(tǒng)運行效率比先進水平較低的主要原因。

舉例來說，較多較早建立的工業(yè)企業(yè)中可以看到其直流電機調(diào)速系統(tǒng)是如下方式設計的：如圖2所示。

由于存在能量轉(zhuǎn)換效率和機組拖動機械傳動效率2個方面的損耗，上述工作流程表示的這種調(diào)速運行模式是一種能耗較高、效率較低的系統(tǒng)控制方式。

2 影響電機系統(tǒng)運行效率的因素

影響電機系統(tǒng)運行效率的因素比較多，其中主要有電能質(zhì)量問題、負載特性和電機本身效率變化等因素，引起的電機系統(tǒng)運行效率較低。

2.1 電能質(zhì)量對電動機效率的影響

電能質(zhì)量問題引起電機系統(tǒng)運行效率較低，有以下幾種情況：

2.1.1 電壓問題(電壓不穩(wěn)定，過、欠壓)

根據(jù)國家標準GB755-2008《旋轉(zhuǎn)電機定額和性能》的規(guī)定，電源電壓最大可允許±10%的偏差。由于鐵耗約與電壓平方成正比，定子和轉(zhuǎn)子繞組電流損耗約與電壓平方成反比，因此電動機效率與電壓變化的關(guān)系，將與不同負載率時，以鐵耗為主的不變損耗和定/轉(zhuǎn)子繞組電流損耗為主的可變損耗的比例有關(guān)。電壓不穩(wěn)定、過電壓或欠電壓供電，均使電動機不在設計電壓點工作，從而降低效率。

2.1.2 三相不平衡問題

三相不平衡相量可以分解為正序分量、負序分量及零序分量。三相負序分量導致電動機損耗增加；零序分量的存在也增加零線線損。由于電機損耗與電壓不平衡率成平方關(guān)系，因此在線路設計時應盡量避免三相不平衡現(xiàn)象。

2.1.3 功率因數(shù)偏低問題

由于我國電力設計系統(tǒng)在工廠供電的設計規(guī)劃中習慣采取冗余設計，導致電機系統(tǒng)整體運行功率因數(shù)偏低，視在功率和線路電流增大，增加線路損耗。因此需通過無功補償或無功就地補償提高功率因數(shù)。

2.1.4 瞬變和浪涌問題

瞬變和浪涌現(xiàn)象對電動機存在負面影響?？梢杂脡好綦娮韬蚆OV器件對系統(tǒng)的瞬變和浪涌進行吸收。

2.1.5 高次諧波問題

電網(wǎng)的高次諧波(通常高次諧波一般是5/7/11次諧波等)，導致增加了電機繞組集膚效應和鄰近效應，使線路損耗上升；同時，高次諧波還會導致電動機定子鐵心磁滯損耗和渦流損耗增加，從而引起電機額外發(fā)熱。

諧波問題對于變壓器、配電系統(tǒng)效率也有一定影響，特別是變頻器驅(qū)動電機時，普遍反映在原電動機加裝變頻器拖動后，電機溫度明顯增加，這些都是諧波問題帶來的影響。

2.2 負載特性對電動機效率的影響

對于一般恒定負載連續(xù)運行的場合，如S1工作制，電氣損耗Pv不隨時間而變，因此可選用在恒定負載時損耗低、效率高的電機。對于負載特性為周期工作制、短時工作制或包含起動/制動等過程的工作制，應該考慮整個工作周期的損耗最低，如S4工作制，為包含起動的斷續(xù)周期工作制，其損耗Pv由起動加速時的損耗與恒定負載時的損耗組成。如果選用高起動轉(zhuǎn)矩電機，可縮短起動時間，減少起動損耗，從而使整個工作周期損耗降低；一般高起動轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子電阻較大，電機在恒定負載時效率相對較低，應綜合考慮。

2.3 負載率對電動機效率的影響

電動機的效率可表達如下：

總損耗為：

∑P=P0+PL

式中，P0為不隨負載變化的損耗，即空載損耗，包括鐵耗和風摩耗；PL為隨負載變化的損耗，即可變損耗，包括定/轉(zhuǎn)子繞組電流損耗和負載雜耗；PN為電動機額定功率；β為負載率。

由上式可知，電動機運行時，效率最大值即η*發(fā)生在負載率β*處，后者的表達式為：

式中，PLN為電動機額定功率時的可變損耗。

效率最大值η*的表達式為：

由以上可知，當電動機空載損耗Po和額定功率時可變損耗PLN確定后，即可確定電機最大效率以及相應的負載率。

例如，1臺電機有2種設計效率與負載率關(guān)系，A方案Po=0.03PN，PLN=0.08PN；B方案Po=0.06PN，PLN=0.05PN。2種設計在額定功率時總損耗相同，前者空載損耗較低，可變損耗較大，后者空載損耗較大，可變損耗相對較小。因此，2種設計效率曲線相差較大，高空載損耗效率最高點在負載率為1.095處，即接近額定功率處；而低空載損耗效率最高點，在負載率為0.612處，且負載率在0.5～1范圍內(nèi)，效率較高。由于大部分電動機運行負載率子0.6～1.0范圍內(nèi)，因此高效率電機一般采用低空載損耗設計，同時，圖3可見，當負載率低于0.5以后，電動機效率急劇下降，因此選用電動機時負載率不能過低。