影響電機系統運行效率因素的分析

(黑龍江省節能監測中心，哈爾濱 150001)

0 引 言

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

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

電機系統節能，基本有兩方面：一方面要求構成系統的每一部分，在完成系統所賦予的特定工作任務之外，均要降低損耗提高效率，進而提高整個系統效率；另一方面則要求各部分參數匹配協調，使得整個系統效率最佳。

1 電機系統的應用現狀

電機系統的應用范圍十分廣泛，其用電量約占工業系統總用電量的75%左右，占我國總發電量的60%以上。目前，電機系統在應用過程中較為關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，也就是系統的角度來分析系統需求、系統匹配、系統效率等，這也是目前電機系統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企業中可以看到其直流電機調速系統是如下方式設計的：如圖2所示。

由于存在能量轉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速運行模式是一種能耗較高、效率較低的系統控制方式。

2 影響電機系統運行效率的因素

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

2.1 電能質量對電動機效率的影響

電能質量問題引起電機系統運行效率較低，有以下幾種情況：

2.1.1 電壓問題(電壓不穩定，過、欠壓)

根據國家標準GB755-2008《旋轉電機定額和性能》的規定，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系，將與不同負載率時，以鐵耗為主的不變損耗和定/轉子繞組電流損耗為主的可變損耗的比例有關。電壓不穩定、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系，因此在線路設計時應盡量避免三相不平衡現象。

2.1.3 功率因數偏低問題

由于我國電力設計系統在工廠供電的設計規劃中習慣采取冗余設計，導致電機系統整體運行功率因數偏低，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。

2.1.4 瞬變和浪涌問題

瞬變和浪涌現象對電動機存在負面影響。可以用壓敏電阻和MOV器件對系統的瞬變和浪涌進行吸收。

2.1.5 高次諧波問題

電網的高次諧波(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熱。

諧波問題對于變壓器、配電系統效率也有一定影響，特別是變頻器驅動電機時，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；一般高起動轉矩的轉子電阻較大，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，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，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。