电动机选择与节能分析
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【摘要】交流电动机采用变频调速已广泛用于需要调速的传动设备上，由变频器、交流电动机组成的变频调速系统比采用晶闸管、直流电动机组成的调速系统具有损耗小、效率高、维护检修方便、功率冈数高、无动态无功冲击等一系列优点，其静态、动态性能完全可以达到直流调速系统的各项指标。若满足电动机在基速以下恒力矩输出，基速以上恒功率输出的要求，电机电压和频率应保持一定的变化规律。
【关键词】电动机；节能分析；节能方法
引言
一、对普通电动机的使用分析
电动机是机械工程中不可缺少的主要驱动设备，它是将电能转变为机械能，驱动机械进行上下往复运动，从而完成空间转换工作。目前工程中用的电动机种类很多，但总体可以归类为Y系列“八极”和“六极”两种。
（一）普通型“八极”电动机。普通型“八极”电动机是一种转数低相对耗能大的电动机，且在大庆油田使用的最为广泛。它具有使用寿命长、耐高温、适应性强等优点。尤其是在负荷较重，平衡状况很不理想的时候，它略优于“六极”电机，它的缺点是转数降低，能耗偏大，在同等条件下无功比“六极”电机大，铜损大。
（二）普通型“六极”电动机。“六极”电动机在大庆油田使用的最为广泛。它的优点是耐高温、适应性强。在生产中与“八极”电机相比较为实用，它的缺点是不节能，在同等条件下承受的负荷低于“八极”电机，它的铜损和使用寿命低于“八极”电机。
二、普通电机使用变频器节能改造研究应用
变频器是把工频电源(50 Hz或60 Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制。整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域，例如电动机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬问断电。
（一）改造方法。将普通电机的定子重复利用，减少不必要的浪费，降低开支，在电动机的转子中重新镶入钕铁硼永磁材料，在经过外界磁场与先充磁后，可以在很长的时间内保持很强的磁场，同时对原定子的线圈进行重新处理。由于转子转速与定子旋转磁场完全同步，无转差损耗，且转子不需要外加励磁电源，无励磁损耗。因此功率因数高，启动力矩大，可将磁场的技术指标控制在设计要求的范围内，达到稳流稳压、节能的目的装机容量和普通电机相比降低45％。
1.改造后电机的特点：
(1)效率高。改造后的永磁同步电机无论是额定负载时，还是轻载时都具有较高的效率，可以达到94％一96％。
(2)功率因数高。改造后的永磁同步电机功率因数一般在0．94左右，因此，采用永磁电机可以取消补偿电容。
(3)启动力矩大，过载能力强。该电机具有较大的启动力矩(最大可达3．6倍)和较强的过载能力，因此对抽油机这种要求有较大启动力矩负荷来说，电机容量可以降低。一般来说，改造后的22 kw永磁电机可以代替45 kw普通电机，可以根据单井的负荷情况代替55 kW普通电机。
（二）用变频器后电动机保护问题当变频器发生故障或者情况要求进入工频供电时，通过可编程逻辑控制器，变频器自动完成或手动完成由变频状态切换至工频状态；如果在工频运行时，需再次投入新频运行，同样可以实现自动或手动完成由工频状态切换至变频状态。
常规电动机保护能够满足电动机处于工频运行工况时现场使用要求，而当电动机处于变频运行工况时，如果还是按照原来方法进行保护配置，那么保护功能的实现会受到影响，这主要是因为附加了变频器装置，在频率、相位上，变频器的输入和输出电流就没有任何的关系了。由此可见，对于使用变频器的电动机来说应该对电动机进行单独保护，而不应该将变频器纳入差动保护的范围。差动保护范围为变频器的输出端应该为始端电流互感器的位置，而不是非电源开关侧为始端电流互感器的位置，电动机的中性点侧应该为末端电流互感器的化置。电动机在变频运行工况时，一般情况，0．5～120 Hz为变频器输出频率范围，而15～50l-lz为现场实际调频运行范围。目前常用的微机保护装置进行数字采样计算都采用固定频率50 Hz，并且是根据行业标准设计的微机保护装置。目前变频电动机保护急需解决的问题是如何让微机保护装置能够适用于大范围频率；而需要解
决的难的问题是如何实时测量电动机运行频率。
（三）用变频器后的电动机选择
1.普通标准鼠笼型电动机。普通标准鼠笼型电动机与通用变频器组合，通常可以拖动风机、压缩机、水泵等类型的负载，也可以电力拖动起重机平移机构。转矩根据选型原则进行核算，主要电流和温升满足要求就可以了，V／f控制可以用于此类电动机，并且在特定条件下，矢量控制也可用于此类电动机。鼠笼型异步电动机应用面广量大，其降耗节能意义重大。降低起动过程能耗是重要方面之一，鼠笼型异步电动机的起动如果采用常规的起动方法，以直接起动的起动能耗最小，应合理选配性能及规格与负载特性及电源情况相适应的拖动电机，采用适当的起动方式，才能达到降耗节能的效果。
2.矢量控制专用电动机。转动惯量小、装配精度好、专门设计及零部件加工精度高的专用电动机系列比较适应矢量控制，并且适应矢量控制的电动机与它匹配变频器也是专用的。电动机的参数都是特定的，例如定转子电阻、激磁电抗和电流以及定转子电抗，对于矢量控制如何满足，需要供需双方共同协商进行确定。
3.转子为绕线型的电动机。该类电动机是不能作为设计的选型的，但是在设备进行改造时，为了能够利用正在使用的电动机，可以改成适用于变频调速需要的。将转子绕组短接变成鼠笼型这是改制的办法，而低频下起动，使起动电流不超过电动机额定电流的2倍，然后再过渡到需要的转速这是控制的办法。
（四）变频器控制的电动机的选型
对于不是很重要的场合，可采用通用电动机。对于比较重要的场合，可采用专用的变频电动机。所谓专用变频电动机除了具有低频冷却措施外就是其绝缘程度高，其线圈采用双层漆皮漆包线。
三、普通电机节能的方法研究
（一）合理选择电动机的类型、容量来节电
对于负载恒定、长期运行的机械，年运行时数多、负载功率大的设备，选用高效率的电动机拖动，节电效果很明显。对于短时工作的负载和断续周期性工作的负载，特别是经常起动带高转动惯量的负载，选用高效电动机并不会带来经济效益，而应选用专为这些负载配用的YH系列高转差率电动机。这种电动机的转差率比基本系列的大得多，一般在8％～14％的范围内，所以其转子电阻亦比Y系列或YX系列的大得多，YH系列的电能指标比基本系列的低得多，更不用说与YX系列相比了，这主要是转子电阻高而引起的。因此，才使它适应上述负载而获得既节能，起动性能又好的特有优点。
（二）合理选择电动机起动装置来节电
对于中、小型绕线型电动机可采用无刷无环起动器起动，它是一种起动平滑，不改变运行特性且不受粉尘干扰的起动设备，适合于11～60KW的高低压绕线型电动机。此类起动器是利用频敏变阻器的原理，利用铁磁性材料的频感特性来研制的，安装在电动机转轴上原来装集电环的位置，与转子同步旋转，省去了辅助起动装置。对于大型绕线型电动机，可采用液体变阻起动器，它是利用两极间的液体电阻，通过机械传动装置使极板的距离逐步接近，直至接触，达到串人转子回路的电阻无级变小最为零，实现电动机的平滑起动。其特点是起动电流小，对电网无冲击，热容量大，可连续起动5～10次，维护简单，使用可靠。
（三）合理选择电动机的调速方式节电
目前风机、泵类设备常用调节阀门或挡板开启度的方法来调节流量，电能浪费很大，而用电动机调速来调节流量，可使风机、泵长期在高效率状态运行，节电率可达30％～60％。在实际应用中可根据电动机、场地、调速要求等情况选择合适的调速方案。
（四）在条件许可的情况下，电动机提倡全压起动节电
现在一般大家都认为11kw以上的电动机都应采取降压起动方式。降压起动固然具有起动电流小、压降变化小的优点，但它与全压起动相比，存在着投资费用大、故障率高，起动转矩小和起功时问长等缺点，特别是采用降压起动的电动机，为了使其在起动过程中顺利地克服负载的静态反抗转矩，往往人为地加大了电动机的配套功率。选择电动机的起动方式时，要充分分析各方面因素，既要考虑到负载的特性，到底是长期轻载还是短时轻载、是重载起动还是轻载起动等，以及电源的容量、线路的压降等因素，还要把节能技术与电动机起动方式的选择结合起来加以考虑。
（五）合理选用电动机功率因数的补偿方法节电
绕线型电动机通常采用进相机补偿方式，进相机补偿分旋转式和静止式两种，由于旋转式进相机结构上的缺陷，所以目前主要采用静止式进相机补偿。鼠笼型电动机通常采用并联电容器就地补偿的方法，通过补偿可以降低电动机温升，提高功率因数到0.95左右，降低电流10％～15％，节电效果明显。应注意的是经常停用的电动机和多速电动机，经常反复开停、点动或堵转的电动机和双向转动或反接制动的电动机等，不宜进行就地补偿。
结论
电动机的节能一直是企业所关注的问题，各企业要根据自己实际使用情况，采取切实可行的节能措施，以收到良好的经济效益。普通电机改造后，可以消除发电状态，减少无益的能量吞吐损耗，又可大幅度提高功率因数，减少网损。根据理论分析，改造后电动机在抽油机上应用会更为合理，可以在很长的时间内保持很强的磁场，使转差率为零，达到同步运转，节能效果更好。
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