電機節(jié)能降耗技術(shù)和方法探討

邵赫靈

（天津長蘆海晶集團有限公司，天津 300450）

0 引言

調(diào)查研究顯示，我國電機在將電能轉(zhuǎn)化為機械能的這一過程中消耗的電能占我國總發(fā)電量的60%以上，已達到發(fā)達國家的電能消耗量，如果將它們折算成原煤量，可以高達2 億噸。根據(jù)我國相關(guān)人員的計算，電機的功率每提升1%平均節(jié)省200萬噸原煤量。依照全國的發(fā)展形勢來看，只有將電機的消耗功率提高，我國的工業(yè)發(fā)展才有意義。

1 電機的起源

從19 世紀(jì)20 年代法拉第證明可以將電力轉(zhuǎn)化為物體的運動時起，到現(xiàn)在已經(jīng)過去了100 多年，在這期間有無數(shù)的電機誕生，它的構(gòu)造也已經(jīng)發(fā)生了很多變化，但是始終沒有一個很完善的電機被認(rèn)可。

第一個電機的制造者是德國人雅可比，它由2 個U 形磁鐵、一個6 臂輪和多個棒形磁鐵組成。利用法拉第的電磁感應(yīng)定律，帶動軸輪轉(zhuǎn)動。后來經(jīng)過多次改良，又制造出一個比較大型的裝置，使小船首次在河流上航行。再后來，美國的達文波特在這一技術(shù)原理上加上自己的想法制造出了第一臺驅(qū)動印刷機，它是以電池作為電源，不僅制作成本高，而且還不實用。

經(jīng)過幾十年后，比利時的一位工程師格拉姆終于在刻苦研究下于19 世紀(jì)70 年代時設(shè)計出了世界上第一臺直流發(fā)電機，它和電機的設(shè)計原理很相似。他驗證了向直流發(fā)電機中輸入電流時轉(zhuǎn)子會旋轉(zhuǎn)這一事實，之后這種電機被大規(guī)模生產(chǎn)出來。德國的西門子在這一電機的基礎(chǔ)上又制造出了更好的發(fā)動機，隨后又制造出了電車，但電車的馬力只有3 碼。又經(jīng)并勵電機美國發(fā)明家愛迪生之手將馬力加大至12～15 碼。

19 世紀(jì)80 年代美國發(fā)明家特斯拉發(fā)明了世界上第一臺交流電機，它的原理是利用法拉第的電磁感應(yīng)定律，又稱感應(yīng)電機。此電機使用了交流電來工作，因此被廣泛應(yīng)用在社會各個地方，包括家庭工業(yè)和供電方面。

20 世紀(jì)初，瑞典的工程師丹尼爾斯在借鑒前人的基礎(chǔ)上提出了一個新的構(gòu)想——同步電機，利用感應(yīng)電機的原理，將轉(zhuǎn)子通入直流電壓，保持轉(zhuǎn)速不變，使定子周圍產(chǎn)生磁場，由此發(fā)明出來的電機適合鐘表的使用。

直流電機是通過直流電來激發(fā)磁場，它的工作方式由繞組方式的不同來區(qū)別。串激電機利用自身轉(zhuǎn)矩較大的特點，被廣泛應(yīng)用于牽引和起重方面。由于并激電機具有負(fù)載電阻大小可調(diào)節(jié)的特點，因此它被用在定速或調(diào)速方面。而復(fù)激電機恰好具備以上兩種電機的發(fā)電性質(zhì)。

現(xiàn)在市場上使用最多的就是交流換向器電機，即具有換向器的交流電機，通過研究發(fā)現(xiàn)它有一個很大的特點，就是它不僅可用于交流也可用于直流，所以人們也把它叫做交直流兩用電機或通用電機，在家居的使用中這個電機很實用。按照它所具有的功能或發(fā)揮的作用可分為驅(qū)動和控制兩類電機，按電能的種類可以分為交流和直流電機。

如今電機的發(fā)展已經(jīng)達到了巔峰，對它的使用也遠遠超過了想象。

2 電機的工作原理及應(yīng)用

電機的作用就是將電能轉(zhuǎn)化為機械能，在轉(zhuǎn)化過程中可能還伴隨著其它能量的產(chǎn)生，比如熱能。它的工作原理是由電生磁。通俗的講，由電生磁的產(chǎn)生過程就是將通電后的線圈放入磁場中后，線圈中會有感應(yīng)電流的產(chǎn)生，此時的線圈就相當(dāng)于一個通電導(dǎo)體，當(dāng)給線圈中通入電流且與磁場線垂直時，線圈就會因為受到電磁力的作用而發(fā)生運動，如果將它固定在一個轉(zhuǎn)動的軸上，它就可以繞軸做旋轉(zhuǎn)運動。

（1）伺服系統(tǒng)是根據(jù)輸入目標(biāo)來改變自身的自動控制系統(tǒng)，它的角度是由受到的脈沖決定的，當(dāng)伺服系統(tǒng)在收到脈沖時會根據(jù)收到的脈沖數(shù)來改變本身的角度，從而實現(xiàn)位移。其次伺服系統(tǒng)本身也具備發(fā)射脈沖的能力，所以在接收外界脈沖時，伺服系統(tǒng)也會做出回應(yīng)，與外界脈沖相呼應(yīng)。通過計算伺服脈沖發(fā)射和接受脈沖的多少來達到控制電機方向的目的，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。

（2）交流伺服電機：目前市場用的一般都是同步電機，因為它的功率較大，其次由于它的轉(zhuǎn)速隨著它的功率增大而降低，所以，它還可以應(yīng)用在要求低速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的負(fù)載中。

（3）換相器——有刷電機，它的表面有一層絕緣金屬，在與轉(zhuǎn)子接觸時，線圈中的電流方向?qū)l(fā)生變化，從而實現(xiàn)換相。

目前在各類電機的應(yīng)用中，使用最多的要屬交流異步電機了，它具有使用簡單、價格低廉、功率因數(shù)低等特點。大范圍的調(diào)速領(lǐng)域，使用最多的是同步電機，因為它的功率因數(shù)較高，且轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響嚴(yán)重，所以只能應(yīng)用于一些相對穩(wěn)定的區(qū)域。

自1970 年以后，電子科技得到快速發(fā)展，電機在社會中的應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴大。但是電機有一個很大的使用問題，就是它的負(fù)載會嚴(yán)重影響它的使用，因此在對它使用過程中，應(yīng)將它的負(fù)載和它的電機特性相匹配，避免意外情況的發(fā)生。在近十年來，中國大力推行電機在市場中的應(yīng)用，幾乎各行各業(yè)的設(shè)備都應(yīng)用了電機，特別是在化工、建材行業(yè)。

目前，國家對機械工業(yè)中電機的使用力度加大，相關(guān)組織也領(lǐng)導(dǎo)了研究小組研究電機的使用。截止目前，我國已有超過60種電機被淘汰了，并有20 多種新型電機被推行出。

3 電機的消耗功率

電機的消耗功率是指輸入功率或者說是實際耗電量，輸入功率是指將電能轉(zhuǎn)化為機械能或者是熱能的過程所做的功，而消耗功率一般是指電機消耗電能的快慢。

電機的功率分為視在功率、有功功率和無功功率。有功功率即是電機的消耗功率，包括一般產(chǎn)品使用說明上寫的輸出功率和機械損耗功率。

由于電機的電路是由導(dǎo)線組成的，所以它不存在純電阻電路，因此在計算它消耗的電能時，可以通過計算電流做的功來計算消耗的電能，即W=UIt。在做功過程中，電流做的功大部分轉(zhuǎn)化為了機械能，一小部分轉(zhuǎn)化為了熱能，在計算電機消耗的電功率時可以用P=W/t 或者P=UI 來表示。

4 電機的節(jié)能降耗

由于電機的工作效率低，導(dǎo)致在使用過程中損耗了大量電能。這些損耗主要包括鐵耗、定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗等，損耗程度的大小與電機的類型和運動狀態(tài)有關(guān)。我國電機做功的過程中損耗的電能，功率每提升1%平均節(jié)省200 萬噸原煤量，每噸原煤創(chuàng)造的價值都很可觀，更何況上百萬噸的原煤呢。這些損耗的電能如果能被運用起來，對社會的發(fā)展將會起到很大促進作用。但是我國在對電機的節(jié)能降耗技術(shù)方面從未停下過探索的腳步，從它的生產(chǎn)到現(xiàn)在，仍然不能有一類很節(jié)能且高效的電機出現(xiàn)。

4.1 傳統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)

在以往的電機使用過程中，電機的耗電量很高，但效果并不好，它的耗電量甚至超過了很多國家工業(yè)設(shè)備的用電量，因此在節(jié)能降耗問題上更迫切需要被解決此問題。

傳統(tǒng)的異步電機的啟動方式有3 種，包括自耦降壓式啟動、星三角降壓式啟動和全壓啟動。這3 種啟動方式中，全壓啟動方式消耗的電流最大，同時消耗的能量也最大，這對設(shè)備本身會產(chǎn)生一定的影響，會減少它的使用壽命；自耦降壓式電機和星三角降壓式電機雖然啟動電流比全壓啟動消耗的電流低，但是它的沖擊電流卻很大，很容易使設(shè)備出現(xiàn)故障。

4.2 現(xiàn)代的節(jié)能技術(shù)

（1）軟啟動技術(shù)。此技術(shù)是指依照之前設(shè)計好的程序，讓電機在降壓的環(huán)境中啟動，其特點就是將電流降低，來達到延長電機使用壽命的作用。大多數(shù)軟啟動器的調(diào)壓電路是由軟啟動器的晶閘管兩兩相反并聯(lián)而成的。在加入了啟動信號后，系統(tǒng)會發(fā)生延時，一般情況下會將這類技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)的自檢中，讓對晶閘管發(fā)出的信號進行統(tǒng)計和計算，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角大小來控制啟動器的輸出，從而來達到節(jié)能降耗的作用。

（2）節(jié)電器技術(shù)。雖然電機的應(yīng)用在工業(yè)中已經(jīng)很廣泛了，但它卻是耗電最大的電氣設(shè)備。通過研究顯示，電機在實際的工作過程中，并不是滿載運行的，而是滿速或者滿壓運行。但是有些電機它的負(fù)載波動較快，這就導(dǎo)致很多這類電機在運行過程中有很多時候都是空載運行。

對電機的運行特性研究中發(fā)現(xiàn)，電機負(fù)載較小的時候所做功的功率才是最低的，這時電能的浪費最大。要想使電機的輸出功率降低，就要使它兩端的電壓降低。通過這一原理，可以使節(jié)能器應(yīng)用在電機中，從而來達到節(jié)能降耗的作用。

4.3 電機節(jié)能降耗方法

4.3.1 改變電機的轉(zhuǎn)動速度。

在很多電機的運行過程中，電機消耗最大的原因是平均效率和最高效率相差較大。因此為了解決這一問題，需要先解決轉(zhuǎn)速的問題，可以通過控制變頻系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)速，只有這樣才能達到節(jié)能降耗的目的。

電機節(jié)能降耗的核心是變頻調(diào)速器，它是一個能將電機頻率和電壓改變的器械，通過電機的頻率和電壓的改變來改變電機的轉(zhuǎn)速，從而來達到節(jié)能降耗的目的。在降壓過程中，空載電流會減小，電機的總消耗也會跟著減小。

近十年，我國生產(chǎn)出了很多變頻產(chǎn)品，這說明我國對變頻產(chǎn)品的使用量越來越大，最初變頻產(chǎn)品剛推行出來時，因為它的技術(shù)和價格方面而不被社會人士認(rèn)可。但現(xiàn)在，我國的變頻技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進步，并被廣泛應(yīng)用在社會中，它不僅取代了最原始利用滑差來調(diào)速的方法，提高了電機的工作效率，也大大節(jié)省了能量的消耗。

4.3.2 定期保養(yǎng)電機器件

由于電機使用的領(lǐng)域很廣泛，不同領(lǐng)域所使用的電機類型也不同，所以潤滑需求也不同。在電機工作過程中，潤滑效果決定了電機做功的快慢，因此在對電機潤滑劑的選擇上有區(qū)別。例如，有些電機的轉(zhuǎn)動速度較快，在工作過程中散發(fā)出很多熱量，而潤滑劑在高溫條件下會蒸發(fā)，從而使?jié)櫥瑒舛冉档停虼诉@類電機應(yīng)選擇濃度較高的潤滑劑；有些電機會使用在酸堿性較大的環(huán)境中，因此在選擇潤滑劑時，在能保證電機其他工作部分正常工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，還要要求它具有抗腐蝕性。

5 結(jié)語

綜上所述，我國現(xiàn)在對電機的需求已經(jīng)越來越大，電機本身也面臨著許多改進的難題。從距離第一臺電機的制造到現(xiàn)在已經(jīng)過去了近兩個世紀(jì)。在這期間，我國從未停止過對電機改進的腳步，各個機構(gòu)都在研究如何使電機在工作過程中降低消耗。現(xiàn)在我國處于快速發(fā)展階段，節(jié)能降耗是我們國家乃至整個社會關(guān)注的重點，而電機又是使用最廣泛的一款設(shè)備，因此，在它的節(jié)能降耗方面，國家以及全國人民都很關(guān)注。