电动机降压节电运行时的损耗及效率分析

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[摘 要] 分析了降压运行对电动机各种损耗的影响，并试验研究了电动机轻载时降压节能运行的效率。得出在轻载时，电动机降压运行能较多地提高效率，节能效果明显；且负载率越低，效率提升空间也越大。

[关键词] 异步电动机 降压运行 损耗 效率

引言

异步电动机拖动同一负载时，运行电压不同，其功率损耗也将不同，从而运行效率不同。在工农业生产中，有相当大一部分中、小型电动机常常运行于轻载，从而造成电动机运行效率低下。应用较多的一种切实可行的节电方法就是，在轻载时合理地将电机进行降压运行，这样就会降低电动机的励磁电流，从而降低铁损耗和吸收的无功功率，可以改善电动机的功率因数和提高运行效率，达到节能的目的。

1 异步电动机等效电路及总功率损耗

异步电动机的T形等效电路如图1所示。图中Rm、Xm、Io为励磁电阻、电抗和电流，R1、X1、I1为定子每相电阻、电抗和电流，R2’、X2’、I2’是转子参数（折算至定子侧的值），而R2’（1-s）/s则是代表机械功率的附加电阻。

众所周知，异步电动机的总功率损耗∑P=Pcu1+Pcu2+PFe+Pmec+Pad，其中Pcu1、Pcu2为定、转子铜损耗，PFe、Pmec、Pad分别为铁损耗、机械损耗和附加损耗。而PFe、Pcu1、Pcu2在总损耗中占主要地位，此三项是决定电动机效率的主要因素。

2 降压运行对电动机损耗的影响

2.1 降压运行使电动机铁损降低

正常运行的异步电动机，其转子转速接近于同步转速，转差频率只有1～3HZ，旋转磁密相对于转子来说很小，因而转子铁损耗很小，可以忽略不计，故在此只考虑定子铁损。

定子绕组相电动势E1=4.44f1N1kw1Фm，如果忽略定子阻抗压降，则每极磁通为：

式中f1、U1分别为定子电源频率和相电压，N1、Kw1为定子绕组每相串联匝数和绕组系数。

因为电动机铁损与磁密的平方成正比，则由式(1)可知，铁损与相电压的平方成正比。当电动机相电压从额定电压U1N降低到U1x下运行时，其降压比ku=U1x/U1N，设额定电压下电动机铁损为PFeN，则降压运行时的铁损降低为

2.2 降压运行使定子铜损增加

如果电动机定子相数为m1，则电动机输出功率P2= m1ηU1I1cosφ。在P2一定的情况下，当U1变化时，定子相电流I1、功率因数cosφ、效率η均跟随变化，且I1跟随变化的趋向是：U1增大时I1将减小，U1降低时I1将增大。

设定子额定铜损耗为Pcu1N，则当电动机负载不变，从额定电压U1N降低到U1x下运行时，相应的运行相电流I1x>I1N,此时的铜损增加为

2.3 降压运行时的转子铜损

参见图1，异步电动机转子铜损可表示为

式中Pe为电动机电磁功率，可见电动机转子铜损耗实际上就是其电磁功率的s部分。

2.3.1 额定电压下转子铜损与负载率的关系

（1）当U1=U1N、负载率β=1，此时的转子铜损即为额定铜损Pcu2N，大小为Pcu2N=sNPeN≈sNP2N。式中sN、PeN、P2N分别为电动机的额定转差率、额定电磁功率和额定输出功率。

（2）当U1=U1N、β＜1时，因为在β＜1范围内电动机机械特性近似直线，有s=βsN+s≈βsN。此时的转子铜损耗为Pcu2=sP2≈βsN・βP2N=β2sNP2N =β2Pcu2N。可见，电动机的转子铜损与负载率的平方成正比。

2.3.2 降压运行使转子铜损增加

电动机的电磁转矩T=CTФmI2cosφ2，式中CT为转矩常数、I2为转子电流、cosφ2为转子电路功率因数。对于恒转矩负载，T=常数。又由式(1)知Фm∝U1，所以转子电流与运行电压成反比，则有I22∝1/U12。

因此，在β≤1范围内，电压降低到U1x下运行时，转子铜损耗增加为

2.4 运行电压对机械损耗和附加损耗的影响

定、转子齿槽的相对运动以及磁场中的高次谐波分量，在定转子铁芯中产生附加损耗Pad。小型异步电机满载时Pad约为输出功率的1～3；而在大、中型电机中约为0.5。Pad与电动机负载率的平方成正比，与运行电压的平方成反比，当负载率β一定时，由于运行电压的降低，将使附加损耗增加。由于轴承磨擦及通风引起的机械损耗Pmec与运行电压基本无关。

3 电动机轻载降压运行时的实验研究

在额定电压下电动机负载变轻时，输出功率减小，Pcu2随之降低，但PFe、Pme、Pad基本不变，由于励磁电流未变，Pcu1降低并不多，因此电机效率大大降低。如果适当降低电机端电压，则磁通减小、励磁电流下降，PFe将随端电压的降低而大大降低，使总损耗降低较多，从而使电机效率回升，达到节电的目的。

为研究轻载时电动机降压运行的节电效果，对某11kW电动机（额定电压380V、Δ接法）进行试验。带不同负载时，分别测试其在额定电压下运行和按图2调压曲线降压运行的效率，效率曲线见图3。容易看出，降压运行能较多地提高效率，尤其是轻载时节能效果明显，负载越轻调压运行时效率提升越多。

4 结语

(1) 运行电压降低，电动机铁损减小。在负载率一定的情况下，运行电压降低时，电动机定子铜损、转子铜损、附加损耗将增加。

(2) 在实际运行中要重视电动机运行电压的调整，在合适的电压下运行是提高电动机运行效率、节能降耗的有效手段。试验表明, 电动机轻载时降压运行能较多地提高效率，节能效果明显。对同一电机而言,负载率越低,其运行电压可以降得更低,效率提升空间也越大。

参 考 文 献

[1]王毓东主编.电机学[M].杭州:浙江大学出版社,1990.

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