节能技术

在二 十世纪七十年代，美国 国家航空和航天局的工程师开 发了一个降低能源浪费、节省 小型单相感应电机能源消耗的 技术。Frank Nola现在仍然是与节能领 域早期研究最密切相关的名字 。

各 个制造商开始在世界范围 内以各种形式推销该项技术， 但该技术仍有不足节能技术无 法为三相电机提供稳定可靠的 性能。许多工程师努力改变该 技术，因而在二十世纪八十年 代出现了许多关于三相电机的 专利申请。

节能概念一直是引人注目的 话题，特别是在预期节能量高 和降低运行成本潜力也高的情 况下。引入该技术是每一个推 销人员的梦想，但不幸的是， 该技术推销是基于在小型电机 上使用该技术得出的应用结果 。对潜在用户作出了许多承诺 ，但是节能前景的外推未在早 期得到验证，因而在实际应用 中预期的大规模节能效果无法 实现。

有许多关于感应电机性能的误 解，许多有关节能效果的宣称 都是基于以下假定，即感应电 机在满负荷以下运行时，其效 率必然低下。毫无疑问，在正 确的条件下，节能技术可以减 少感应电机所吸收的能量并提 供一定的节能效益。不过，有 关这些可能性回报的宣称通常 都是在使用小型电机得出的结 果的基础上作出的，或者这些 宣称包含了对三相电机进行功 率测量的错误方法论。

该项技术

节能的基本办法是监视电机的功率因数，并在功率因数降低时通过加大电压来加大功率因数。电机效率和电机功率因数是相互关联的，因而当电机效率降低时功率因数也开始下降。因此，节能办法将通过降 低电机铁损的方式发挥作用，从而改善电机效率。在某些电机载荷极小的情况下，节能办法还会减小磁化电流，并在磁化电流远远大于工作电流的情况下，还可以降低铜损。

感应电机

大型感应电机的高效率是固有特性据说某些感应电机在满负荷工作条件下效率最高可 达95%。在较小负荷下，电机效率 会有所降低，但在满负荷和半 负荷之间的效率降低极小。例 如，一个Brook Crompton 110千瓦电机（7G-UD315S类 型）在满负荷条件下的额定效 率为92%，在四分之三满负荷条件 下的效率为91%，在半负荷条件下 的效率为89%。

当轴负荷减小时，电流减小 ，达到电机磁化电流的最小值 。感应电机的磁化电流可在电 机的额定满负荷电流的20%和60%之 间变化，具体取决于电机设计 。当负荷减小时，电机的功率 因数也略微减小。以Brook Crompton 110千 瓦电机为例，在满负荷时的额 定功率因数为0.92，在四分之三 满负荷时的功率因数为0.91，在 半负荷时的功率因数为0.88。在 该例子中，半负荷时的潜在节 能效果非常小。如果我们假定 电机的最大效率将不大大高于 其额定满负荷效率，我们就可 以看出在理想条件下，可以实 现4%的半负荷效率增益，但是 由于使用节能器而产生的非正 弦电流的原因，这在实际应用 中是无法实现的。

感应电机的损耗

感应电机具有五个主要损耗部件：铁损、铜损、摩擦损失、风阻损失和声损。摩擦损失、风阻损失和声损是恒定的，与轴负荷无关，通常非常小。主要损失为铁损和铜损。铁损基本上恒定，与轴负荷无关，而铜损是一个大小为I³R 的损失，决定于轴负荷。铁损决定于电压，因而可以通过减小电压降低铁损。

对于具有90%满负荷效率的电机来说，铜损和铁损属于相同的数量级，铁损通常在电机满负荷时的总损失的25%到40%之间。

对于具有90%满负荷效率的电机来说，我们可以预计铁损为电机额定值的2.5%到4%之间。如果我们可以通过降低电压的方式把铁损降低为原来的一半，则相当于额定电机负荷的1%到2% 的铁损节省。对于在开式轴条件下运行的电机，消耗的功率主要是铁损，我们预计可以实现消耗能量的30%到60%之间的能量节省，不过，必须说明的是，这仅仅是额定电机负荷的大约1%到2%。

例如，一个东芝双极22千瓦D180M型电机声称具有90.9%的满负荷效率。该电机具有大约总损失的25%的额定铁损。这相当于22x.091x.25=大约500 瓦。在最佳情况下，可以把该损失降低一半，从而实现轻负荷时的250瓦能量节省。在开式轴条件下，这可能相当于电机所消耗能量的30%，不过这还仅仅是电机额定值的大约1%。

如果电机浪费的能量很小，则可节省能量也极小，而无论使用何种技术。

感应电机中的电流

流入感应电机中的电流由三部分构成，分别是磁化电流、损耗电流和负载电流。

磁化电流基本上是恒定的，仅与所施加的电压有关。磁化电流与供电电压之间有一个90 度的相位差，因而除了对电机的铜损有所影响外不会对任何功率载荷造成影响。磁化电流可使在电源处察觉到的功率因数减小。损耗电流和负载电流基本上都是功率载荷。对于一个给定的轴负 载，输出功率必须保持恒定。由于电机的端子电压减小，工作电流部件必须增加，以维持轴输出功率。（P=IxV ）因降低电压而升高的电流在许多情况下导致I2R 增加，而该增加值超过任何可能实现的铁损降低值。对于大型电机，磁化电流可最低为电机的额定满载电流的20%。

三相感应电机在负载低于50%时仍然具有很高的效率，并且经验证明，除非电机在远远低于最大效率的情况下运行，否则达不到节能效果（通常低于负荷25%）。东芝150千瓦4 极电机可以达到94.6%的满负荷效率，在75%负荷时效率为94.8%，50%时为94%，在25%负荷时效率为90.3% 。感应电机可以在大大低于满负荷的条件下仍然具有很高的效率，诸如此类的实例很多，在这种情况下使用节能办法就没有什么必要，对于在小型低效率电机上使用的情况除外。使用可 控硅整流器来降低施加在按减少负荷但仍然以高效运行的感应电机上的电压将会降低铁损，但是同样会导致电流增加以提供工 作输出。这种电流增加将增加由于电流调整而导致的铜损，从而抵消甚至经常超过铁损的减小值。这往往导致电机总损失的增加，也就是说，其效果与安装这一设施的初衷相反 。只有当电机效率已降低时，利用固态节能设备进行节能的潜力才得以实现。这通常需要显著降低功率因数，通常降到全电压工作条件下的0.4以下。

大型电机铁损率极低（通常为电机额定值的2%到6%），因而最大可实现节能量相对于电机额定值并不大。

表：三相四极东芝电机的效率和功率因数

千瓦	0.37	0.75	2.2	5.5	11	30	110	355
效率（%）	66.2	74	82.5	86.4	89.2	91.6	93.2	94.9
功率因数	0.69	0.83	0.84	0.85	0.86	0.88	0.91	0.88

极小型电机（特别是单相电机）的工作效率低许多而铁损高许多，因而节能潜力也大得多。

表：单相电机的效率和功率因数

 

千瓦	0.25	0.37	0.55	0.75	1.1	1.5	2.2
效率（%）	63	68	69	70	72	76	78
功率因数	0.6	0.63	0.66	0.7	0.74	0.84	0.86

测量技术

为了确定某一给定装置的节能量，确保采用适合和正确的测量技术是非常重要的。

三相感应电机采用功率因数在0.1到0.95之间的三线回路。必须使用三相功率测量技术来实现有价值的测量结果。在三相三线回路上测量输入功率的标准方法是，或者每相使用一个 单相功率表并计算结果，或者使用两个千瓦表，或者使用一个三相功率表。将单相测量结果乘以三可能会极不准确，特别是在轻载条件下。即使电流的不平衡程度可能相同，但轻载条件下的三相功率载荷 可能极不平衡。在使用两个功率表方法时，相位调整要非常小心，因为这可能会彻底改变测量结果。对正弦电流可通过将每相的电压、电流、功率因数相乘来进行测量，但条件是各相单独测量，并将各相的功率消耗相加而得出三相功耗值。

必须使用真正的积分功率表对非正弦电流或电压进行测量。公式P = VxIxpf 仅适用于连续正弦波电流和电压。将可控硅整流器或三端双向可控硅开关元件接入电路来控制电压会导致非正弦电流和电压，而在这种条件下，测量电流、 电压和功率因数对确定消耗功率是没有任何意义的。按照定义，功率是瞬间电压与一个或多个周期时段内安培乘积的积分。在电流流动的情况下，可控硅 整流器或三端双向可控硅开关元件被接通，导致此刻出现全线路电压。因此，在节能器的输入或输出上进行测量没有区别，但节能器上有一些损失，而这些损失将会显示在输入测量值上，而不会显示在 输出测量值上。通过测量单相电流、功率固数、施加于电机的输出电压然后将其相乘，这种方法无法测出电机的能耗，也得不到近似值。这些方法都会导致完全不合实际的结果。

最好在可控条件下利用真正的千瓦功率表或千瓦时功率表计量系统进行比较。转盘式千瓦时表是电费计算的依据，因此适合用于该用途。

电磁兼容符合性

为了获得CE标志，软起动器必须符合IEC60947-4-2标准。该标准要求在稳定状态运行过程中测试设备是否产生谐波。当非节能软起动器运转时，其可控硅整流器完全导通，不产生任何谐波，因而可相对容易地满足IEC947-4-2 标准的要求。与之不同的是， 当带有节能功能的软起动器运转时，电压受到控制，因而产生谐波。这违反了电磁兼容性要求，从而使软起动器失去了本可得到的CE 标志。

结论

毫无疑问，可以通过降低不以最大效率运行电机的电压的方式来降低铁损。当电机具有极高磁化电流时，电机基本上是在开轴条件下运行，此时可能出现铜损降低。在实践 中，对于部分荷载的电机来说，降低施加在电机上的电压将减小铁损，不过相应的负载电流增加会导致大于铁损减小的铜损增加，从而导致电机总功耗增加。

只有当铁损构成电机总能耗的明显部分，并且在铁损量相对于电机额定值十分可观时，才能实现真正有价值的功率节省。该技术仅能在小型、低效并主要是单相电机上实现有意义的结果。

不幸的是，人们由于缺少基本电机性质方面的知识和对三相系统功率计量的错误理解，结果导致种种推断和估算，而这些推断和估算完全曲解了应用该技术可实现的结果。仅仅被浪费的能量才可以被节省。大型电机比小型电机更为高效，但是在创造 潜在节能效果方面，该基本事实看来被忽视了。合理的测试将展示以下事实，就单个千瓦电机额定值的节能而言，小型电机的节能效果比大型电机好得多，该技术的潜在市场实际上仅限于小型单相应用场合。

节能技术能发挥作用的情况>

只有被浪费的能量方可被节省。