電動機技術論文(2)
電動機技術論文
電動機技術論文篇二
電動機節電技術淺析
摘 要：節能是當前世界各國都很重視的一個課題，電能節約是節能的一個重要方面。而電動機是使用最廣泛的電氣設備之一，所消耗的電能約占全部工業生產用電的60%，其節電問題顯得十分重要。做好電動機電能節約對提高企業的經濟效益及促進國民經濟的發展，具有十分重要的意義。本文從感應電動機電能節約、直流電動機電能節約、電動機的調速節電及提高電動機的功率因數幾個方面淺析了電動機的節電問題。
關鍵詞：電動機 節電技術 淺析
中圖分類號：TD637 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2014)04(b)-0111-02
能源是發展國民經濟的重要基礎，也是制約國民經濟發展的一個重要因素。因此，在加強能源開發的同時，必須大力降低能源消耗，提高能源的利用程度。電能是一種高價的二次能源，它只利用了一次能源的30%左右。工業用電約占全國電能消耗的70%以上，而電動機所消耗的電能約占全部工業生產用電的60%，其節電問題顯得十分重要。電動機的節電主要應從選用高效電動機、合理選擇和使用電動機、合理選擇調速方式以及提高功率因數幾個方面綜合考慮、采取措施。
1 感應電動機電能節約
對于感應電動機，電動機的損耗包括銅損、鐵損、機械損耗及雜散損耗。鐵損和機械損耗是固定損耗，不隨負載變化;銅損和雜散損耗隨電流平方變化，但雜散損耗所占比重很小。在運行中，當不變損耗等于可變損耗時效率最高。一般認為，標準電動機的最高效率設計在80%～100%額定容量間，高效電動機大致在額定容量時效率最高。感應電動機可可采取以下方法節電。
(1)選用合適的電動機，電動機的負載率不能低，通常在額定容量附近時效率和功率因數最高，使它具備與其拖動的生產機械相適應的負荷特性，能在各種狀態下穩定運行。在選擇電動機時應作比較。
(2)避免電動機空載或輕載運行。
(3)負載率在50%以下時通常可采用切換開關，將接線的電動機以接線方式運行。負載率降低時也可采用輕載節電器。節電器為一交流調壓器，可檢測負載狀態，自動降低電動機輸入電壓，降壓運行。由于感應電動機在一定負載下當端電壓降低時，轉速減低，且效率和功率因數升高，故可節電。但應注意，電機的輸出轉矩隨電壓平方而變化，電壓降低后的轉矩應滿足負載轉矩的需要，降壓后的電機功率應大于負載功率。輕載降壓運行一般適用于小容量電機。
(4)容量較大的電動機，在其額定容量大于負載需要且條件合適時，可采用感應電動機同步化的辦法，使其以同步電動機的方式運行，向電網輸出無功功率，改善電網功率因數。
(5)對于轉矩隨轉速平方而變化的負載，如風機、水泵等采用調速節電的辦法最為有效。
(6)對于電動機的輔助設備如交流接觸器、低壓配電盤等，選用節能型設備，減少配電裝置本身電耗。
2 直流電動機電能節約
直流電動機有良好的變速性能，只要改變磁通就可進行調速。所以直流電動機的節能主要在于電動機與運行特性相匹配，或對直流電源進行更換。從效率的觀點看，直流電動機的額定輸出越大，效率越高。當電機的可變損耗和不變損耗相等時，效率最高。通常直流電動機設計在負載率為70%～ 100%時效率最高。在一定的轉矩下，不論是電壓控制還是磁場控制，一般都在額定轉速時效率最高，轉速降低時效率下降。直流電源的效率以晶閘管供電為高(可達95%以上)，電動發電機組的效率較低(75%～90%)。
選擇電動機容量時使其運行的負載率在最高效率范圍內，一般接近于額定值。在單機制作極限內，因額定輸出大的電機效率高，通常選用單臺大型的電機有利。電機額定電壓的選定，在允許情況下以電壓高為有利，可以減小電纜的電能損耗和電壓降。可采取以下方法節電。
(1)直流電源選用晶閘管供電方式。
(2)電動機的負載接近額定容量。
(3)調速時，盡量避免采用在電樞串聯電阻的方式，因電阻上會引起較大電耗。應采用高效調速方式，如改變晶閘管供電電源的電壓和用斬波器調節直流電壓，這兩種方式的損耗都很小。在他激電動機上，用晶閘管改變勵磁電壓、改變磁通而調速，損耗也小。
3 同步電動機電能節約
同步電動機的節電主要在于調節其功率因數。與感應電動機相比較，它的轉速恒定不變，與負載大小無關;而它的功率因數是可調的，能在的情況下運行;在運行中還可以調節勵磁電流。若增加它的勵磁電流，同步電動機就在過勵狀態下運行，功率因數角超前;若減少它的勵磁電流，同步電動機就在欠勵狀態下運行，功率因數角滯后。使同步電動機在過勵狀態下運行，即在超前功率因數角情況下運行，從而改善電網的功率因數，節約電能。
4 電動機的調速節電
各種調速系統除可以調速外，有的還可以達到節能目的，這與采用的調速方式及負載特性有關。對于恒轉矩負載，有轉差損耗的調速系統不能達到節能目的，因為調低轉速時減小的負載功率為增加的轉差損耗所抵消;高效調速系統對各種特性的負載都能得到節能效果。對于轉矩隨轉速平方而變化的負載，調速節能的效果較好。
4.1 交流感應電動機的節電調速方式
(1)利用電磁轉差離合器的節電調速。
電磁轉差離合器原理結構如(圖1)所示，由電樞和磁極兩部分組成，磁極部分由磁極與勵磁繞組組成。電樞部分與電動機的轉軸聯接，以恒定轉速旋轉，是主動部分;磁極部分與機械負荷的轉軸相聯，是從動部分，轉速為。當勵磁繞組通入直流勵磁電流后，電磁轉差離合器的磁路里產生磁通，旋轉的電樞切割氣隙磁通，電樞中感生電流，這個電流與磁通作用產生電磁轉矩。因主動部分已有電動機帶動，從動部分隨主動軸的方向旋轉。電磁轉差離合器通過改變勵磁電流可隨意調整磁極的轉速，從而改變機械負荷的轉速。
利用電磁轉差離合器調速，在接近額定轉速范圍內(90%額定轉速以上)運轉時，效率比電流型變頻調速和直流電動機調速的效率都高，功率因數也高，節電效果明顯。這種調速方式特別適用于負荷轉矩隨轉速下降而減小的風機和泵類負荷及恒轉矩造紙機、皮帶機等負荷。但離合器存在摩擦轉矩和剩磁，因此在負荷轉矩低于10%額定轉矩時，可能使控制功能變壞，甚至失控，所以這種調速方式不適于轉矩與轉速成反比的吊車類負荷。 (2)利用液力耦合器調速，液力耦合器的原理結構如圖2所示，它主要有兩個帶有徑向葉片的碗狀工作輪組成。主動軸帶動的稱泵輪，帶動從動軸的稱為渦輪。兩輪對置，兩者之間保持一定間隙，兩個碗狀結構形成一個腔室―― 循環圓。當泵輪旋轉時并向腔室內充以工作液體，液體在泵輪內獲得動能，進入渦輪后，其動能變成機械能，從而帶動從動軸，實現功率傳遞。調節循環環內的液量，就可實現從動軸的無極調速，節約電能。這種方式適用于大功率的風機和泵類負荷。
三相繞線轉子感應電動機使用晶閘管串極調速，晶閘管串極調速的原理電路如圖3所示，繞線轉子感應電動機轉子電壓經二極管整流為直流電壓，在由晶閘管逆變器將(逆變器電壓)逆變為交流電壓，功率經變壓器反饋到交流電網。此時可視為加到電動機轉子繞組的電動勢，控制逆變角就可改變的數值，亦即改變了引入轉子電路的電動勢，從而實現了繞線轉子感應電動機的串極調速。這種調速方式可實現無極平滑調速，消除轉子串電阻調速時的電阻發熱，減小損耗，節約電能。
如采用常規的晶閘管串極調速，由于電流滯后電壓導通，不但電機本身需要吸收無功功率，而且逆變器也要吸收無功功率，從而使功率因數進一步降低，功率因數在0.4～0.6之間。而超前導通的晶閘管串極調速，是應用一種可關斷的晶閘管，在門極加正向脈沖電流能使其導通，加反向脈沖電流能使其關斷的器件。依靠此特性使電流超前電壓，從而可使功率因數提高到0.9以上，達到節電目的。
(3)利用變頻調速，感應電動機的轉速，改變電源的頻率可以調節交流電動機的同步轉速。當轉差率變化不大時，基本上與成正比。因此平滑改變頻率，即可平滑調節電動機的轉速，從而滿足機械負荷的要求，節約電能。
變頻調速對于鼠籠型和繞線轉子感應電動機都適用。這種調速方式具有優異的性能，調速范圍大，平滑性較好，變頻時電源電壓按不同規律變化，可實現恒轉矩或恒功率調速，以適應不同負荷的要求，現以得到廣泛應用。
4.2 直流電動機的節電調速方式
(1)晶閘管-電動機組調速方式
用晶閘管把交流電變成直流電，形成可變的電壓接在電樞上。調整晶閘管觸發脈沖的相位，可把輸出的直流電壓和電流控制在任意正負值上，從而轉速和轉矩都可以自由調節。這種調速方式，在主電路上沒有電阻，因此主電路沒有損耗，即使在低速范圍內損耗也不增加。另一方面，通過逆變器使電流極性反向，進行制動。制動能量全部反饋到交流側而回收(再生制動)，而且從全速到低速的整個范圍內均可進行制動。由此可知，從節電方面看，也是一種最佳的制動方式。其原理電路如圖4所示。
(2)晶閘管斬波器調速方式，將直流電源的恒定直流電壓變換為可調直流電壓的晶閘管裝置，稱為直流斬波器。直流斬波器以晶閘管作為直流開關，控制負荷電路的接通與關斷，使負荷端得到大小可調節的直流平均電壓。主電路沒有電阻，而且也可以再生制動，因此是一種節電的調速方式。其原理電路如圖5所示，這種調速方式起動平穩，調速特性好，節電效果顯著。
5 提高電動機的功率因數
提高功率因數也是電動機節電的重要方面。可采取以下方法提高電動機的功率因數。
(1)合理選擇電動機的容量。使負荷率在70%以上，可使功率因數相應提高。
(2)采用適當的調速方式。
(3)對負荷不足的電動機降低外施電壓。
①如果長期輕負荷運行的感應電動機，其定子繞組原為接法，可改接，使每相繞組電壓降為原來的，從而定子旋轉磁場也降為原旋轉磁場的，使電動機的鐵損相應的減小，電動機的功率因數提高。
②如果長期輕負荷運行的電動機，調換較小容量的電動機受條件限制，定子繞組又不變改為接時，則可將定子繞組分段改接，如(圖6)所示。使電動機定子繞組每相由原來的三個并聯支路改接為兩個并聯支路，使每段繞組承受的電壓減小，從而定子鐵心磁通減小，鐵損降低，功率因數提高。
(4)繞線轉子感應電動機同步化運行。
在繞線轉子感應電動機異步起動后，向定子繞組通入直流電進行勵磁，使其變為同步電動機運行。這樣可節約無功電能，甚至把感應電動機改為容性負荷向電網供給無功功率，使功率因數大大提高。
(5)減少電動機的空載損耗。
感應電動機的空載損耗主要是無功功率損耗，而各種生產機械在生產過程中又有不同的空載時間。對于空載運行時間超過5min的中小型電動機，應及時停機。當電動機在工作周期內反復出現上述情況，應安裝空載自停裝置，減小有功及無功損耗，提高自然功率因數。
(6)提高電動機的檢修質量。
感應電動機的檢修質量對功率因數影響較大，因此，在檢修電動機時應注意提高檢修質量，符合標準要求。
(7)采用同步電動機。
前面同步電動機節電已述。
綜合所述，要做好電動機的節電，應根據實際情況，綜合考慮，采取與之相適應的方法和措施，才能取得顯著的節電效果。
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