电机特性曲线分析与电机节能

摘 要：论述如何根据电机特性曲线评价电动机是否工作在高效状态，并举了实际应用的例子
关键词：特性曲线；效率；节能
1引言
电机是工厂企业中消耗电能的主要设备，而三相鼠笼电机是使用最广泛的电机。电机的使用效率直接影响着企业的电力费用。然而，在众多工厂中，由于技术力量薄弱、缺乏测量手段、管理不到位、没有节能意识等原因，人们不知道使用的电机运行效率到底有多少。电机的效率不易直接测量，计算也较复杂。工厂企业又往往只有简单的仪表。本文介绍一个简单、直观的方法，根据简单的仪表初步判断一台电机的运行是否节能。
安彩集团大多数电机是Y系列低压鼠笼式三相异步电动机，由于同一系列的电动机在设计参数、制造工艺方面的共性，使得它们有相似的特性曲线。因此可以根据电机的特性曲线估计电机的使用状况。通过对大量不同型号的Y系列鼠笼电机进行测试，得出了平均特性曲线，并由此对电机的运行状况进行了粗略判断。
2 Y系列低压鼠笼式电机特性曲线分析
2.1电流一效率特性曲线
电流一效率特性曲线反映了电机效率随电流变化的特征。
通过对Y系列电机的分析可知：不同型号的电机额定状态下效率η值不同，η的最大值也不同，用η/η额定作为电机特性曲线的一个变量，得到如图1所示特性曲线，能够较好地适用于不同型号Y系列电机。
电动机的效率关系式：
 （1）
式中：η一效率；
P₂一输出功率：
P₁一输入功率；
∑P一电机总损耗。
∑P＝P_cu1＋P_eu2十P_Fe＋P_mec＋p_ad (2)
式中： P_cu1一定子铜耗；
P_cu2一转子铜耗；
p_Fe一铁耗；
P_mec一机械损耗；
p_ad一附加损耗。
空载时输出功率P₂=0，故η=0。当负载从零增加时，电机总损耗∑P增加较慢，效率曲线上升很快，直到随负载变化的损耗（P_cu1+P_eu2+p_ad）等于不变损耗（P_Fe+P_mec）时，效率达到最大值。如图1所示，电流标幺值I^*处于0.8～0.9附近，效率η达到最大值；I^*＞0.6时，η较高；电流标么值I^*＜0.6时，效率η开始迅速下降，直至到空载状态降到0。所以，在I^*＞0.7时可以得到较满意的效率，对于I^*＜0.7时可以考虑进行节能改造；对于I^*＜0.6的电机，应当进行节能改造。

在I^*=0.5附近及I^*＜0.5时，随I^*的变化，急剧变化，同时由于不同型号的电机实际的特性曲线不同，从图1所示的统一的特性曲线查取I^*≤0.5时的η会有较大误差。为此我们需要找到一个方法减少这种误差。
2.2效率特性曲线与功率因数
如图2所示，功率因数cosφ与效率，随负荷率η的增加有相似的变化规律。

异步电动机在电网吸取很大的无功电流来建立磁场，它在正常工作范围内几乎不变。在空载时I₁≈I_m，即定子电流近似等于励磁电流，功率因数很低，通常小于0.2。当负载增加时，定子电流I₁中的有功分量增加，使功率因数很快上升，当接近额定负载时，功率因数达到最大值，一般约为0.75～0.9。
根据功率因数与效率随负荷率有相似变化规律的特点，可以得到曲率变化不大的功率因数一效率特性曲线，如图3所示，由功率因数cosφ可以得到较准确的效率。由于功率因数可以通过仪表直接测量，由功率因数估计效率可以得到较满意的结果。

根据特性曲线发现当功率因数达到额定功率因数的93％时，效率能够达到额定效率的95%。此时电机的负荷系数β大约在0.6。低于此值时效率和负荷系数都很低，应该对电机进行必要的调整。
3应用实例
3.1原水泵4^#节能改造前后参数及工况（见表1）

该泵电机的I^*＜0.69，根据上面分析的结论，可以考虑对该水泵进行节能改造。同时又看到功率因未达到额定功率因数的93%，说明电机效率不高，需要对该水泵进行节能改造。
结合研磨原水管网情况分析，该泵通过调节泵出口阀门调节流量，出口阀门通常不能开展，该公司有必要进行节能改造，并拟定了两种改造的方法：(1)改用功率小的水泵及电机；(2)加装变频器。
由于方法(1)改造耗时长，工艺上不允许，而该公司有功率相当的变频器，决定采用方法(2)对原水泵进行改造。
改造后节能情况见表2。耗电量有所减少，按照每度电0.474元计算，年节约费用2.5万元。

3.2回用水泵2^#节能改造前后主要参数及工况
回用水泵2^#改造前情况见表3。该泵电机的I^* =0.71，说明电机运行在高效区。电机功率因数达到额定功率因数的100，此时效率约等于电机在额定负荷时的效率。但是电机效率高不等于这套供水系统效率高。该泵出口阀门经常处于节流状态，阀门开度很小，可以听到因节流产生的噪音。电机所做的功很大部分因阀门的节流损失掉了。

由于水泵、风机类负荷通过调节转速调节流量比通过改变阀门（风门）调节流量经济得多，所以对此例进行变频改造节能。
回用水泵2^#节能改造后节能情况见表4。在安装了变频器之后，耗电量减少．年节约普用16.4万元。

本例改造前电机将电能转化为机械能的效率很高，但是泵的机械能很大一部分由于阀门的节流而转化为热能，导致该送水系统的效率很低。
4电机节能改造注意事项
(1)本文所述估算效率的方法是在生产实践中总结出来的，虽然对初步判断电机运行效率切实可行，但是比较粗略，不适合需要精确计算效率的场合。如果有具体型号电机的特性曲线，就可以较为精确地查出电机的运行效率。
(2)在利用功率因数估计效率时，注意电机是否安装有对效率有影响的设备（如就地补偿装置），以免得出错误结论。
(3)本文所述方法用于估计电机效率，但电机效率高不等于使用该电机的设备效率高或该设备所在系统的效率高。比如一个用泵输送水的供水系统中，电机的效率高并不等于水泵的效率高，也不等于这个供水系统的效率高。如实例2中的电机效率已经比较高了，但是由于阀门的节流能耗，造成供水系统的效率低下。
(4)多机并联的运行方式是常用的输送液体、气体的方式。由于一台设备的开停或者阀门（风门）开度、转速等参数的变化，会造成同组设备运行工况的改变。在进行节能分析时，应该将多台设备统一考虑，不应孤立地看其中一台.

发动机的传动系统和机体结构决定了它所能输出的扭矩的最大值，而发动机单位时间可以消耗的燃料和能量转换效率决定了它所能够输出功率的最大值。
而你问题中最后得出的公式很重要。
根据那个公式，如果要保持恒定的功率，在转速很小的时候，扭矩将趋于无穷大，这显然是不可能的，这时只能输出最大的扭矩。直到达到一个角速度，在这个角速度下Pmax=Tmax*ω，这个角速度对应的转速被称为“基速”（Base Speed）。转速超过这个速度后，从公式可以看出由于最大输出功率的限制，随着转速的增加，扭矩的输出逐渐降低。

对于理想的发动机来说，从0速到 基速 这段区域被称为恒扭矩区，而从基速到最高转速被称为恒功率区。理论上，只有在发动机转速为基速时，才可以同时达到峰值功率和峰值扭矩的输出。
实际上，根据设计的不同，这一点会多少有所差异，从而导致了不能同时输出峰值功率和峰值扭矩。