電動機被廣泛地應用于各個領域，電動機的用電量在世界各國的總用電量中都占有相當大的比重。在中國，電動機的用電量已經(jīng)占到社會總用電量的60％以上。

為滿足不同機械設備傳動和動力的需要，我國小型電動機產(chǎn)品品種已發(fā)展到一百四十余個系列，六百多個品種，五千余個規(guī)格；廣泛用于化工、石化及煤炭工業(yè)的小型防爆電動機已生產(chǎn)一百三十個系列、兩千余個規(guī)格，其中02系列、Y系列、Y2系列和YX、YX2系列是中國電動機應用市場的主要組成部分。

根據(jù)中國電器工業(yè)協(xié)會電機分會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2001年中國大、中、小型交流電動機市場總容量約為4.4萬兆瓦，其中大型電動機占7.3％，中小型電動機占92.7％，小型電動機占總量的71.5％，中型電動機占總量的21.2％。在這些品種中，小型電動機是中國電動機市場的主導產(chǎn)品。

我國已具備生產(chǎn)高效電動機的技術條件(YX、YX2、Y2E等高效系列)，但由于市場條件不夠成熟，產(chǎn)量和市場容量都較小。1998年高效電動機市場主要是出口美國符合NEMA標準的電動機，產(chǎn)量比例還不到2％。1999年高效電動機市場為2％；2000年為4.7％；2001年也只有6.5％。其中70％以上為出口，用于中國市場的產(chǎn)品很少。

電動機能效水平的提高對于節(jié)約能源、環(huán)境保護以及資金節(jié)約都具有重要意義。我國2001年實際發(fā)電量為1.5萬億千瓦時，其中約有50％的電能由電動機轉換成機械能，因此，電動機的輸入電能為7325億千瓦時，如果電動機效率提高2％，就可節(jié)約146億千瓦時的電能，相當于兩個100萬千瓦電站的年發(fā)電量，從而可以大大減少一次能源的消耗和二氧化碳的排放，并可相應節(jié)省電站建設的投資和電動機用戶的電費支出，因此電動機能效水平的提高有著重要的社會意義和經(jīng)濟意義。

高效電機的節(jié)能

由于世界各國的電動機用電量都占到了其全國發(fā)電量的大部分，所以提高電動機的效率對節(jié)約電能意義重大。

那么，怎樣才算是高效電動機呢？它的指標又是多少呢？在我國，人們通常所指的高效電動機是高效率三相異步電動機，也就是效率水平達到或超過國家標準所規(guī)定的節(jié)能評價值的電動機。其總損耗比Y系列電動機降低20％～30％，效率提高2％～3％。

在美國，按照美國“全國電氣設備制造商協(xié)會標準”規(guī)定，高效電動機要比標準電動機效率提高2％～6％，損耗下降20％～30％。此外，美國還出現(xiàn)了超高效電動機，其效率高于上述標準的電動機0.8％～4％。

企業(yè)應用的異步電動機，依工作狀況可分為頻繁啟動、間斷工作和連續(xù)工作三類。為了提高電動機的運行效率，要盡可能使生產(chǎn)機械在各種狀態(tài)下所需要的能量與電動機輸入能量相等，有效利用電能。在設計制造部門，要設法降低電動機內部的功率損耗，提高電動機效率。功率和功率因數(shù)高是高效節(jié)能電動機的主要特點。

一般常規(guī)電動機的效率曲線是不平坦的，隨負載的減小，效率降低幅度較大，使用中的電動機，都在低于額定效率下運行。因此，高效節(jié)能電動機應滿足以下幾點：

(1)按額定功率計算，功率損耗應減少30％。

(2)效率曲線應盡可能平坦。

(3)軸的中心高和額定尺寸，應符合國家標準規(guī)定。

高效節(jié)能電動機，用料較多，成本較高，因此只有在負載率和利用率較高使用條件下運行，才能在較短時期內回收投資。

高效電動機的運用

高效電動機較佳的節(jié)能效果是將其應用于連續(xù)工作定額、負載穩(wěn)定且無特殊要求的設備上，特別是用于負載率較高(如70％以上)和連續(xù)運行時間較長(如年運行時間在3000小時以上)的設備上。

機械設備配套是電動機的主要用戶類型。高效電動機在機械配套中主要分布在泵、風機和氣體壓縮機上，其次是石化設備、石油設備、礦山機械和冶金機械等。

另外，九大工業(yè)行業(yè)用電共占全社會總用電量的35％，其中，化工、建材、電力和冶金是耗電大戶，同時也是節(jié)能潛力較大的市場，而且電動機的用電量占全企業(yè)用電量的68.9％。從各行業(yè)的電動機使用情況來看，主要是Y／Y2系列電動機，還有相當部分的JO系列電動機，YX高效電動機則主要應用于石油和城市給排水行業(yè)。

從行業(yè)的需求來看，石油、石化、化工、紡織、電力、給排水等行業(yè)對高效電動機應有一定的市場需求。耗能越大，節(jié)能潛力就越高，高效電動機應用也就更廣泛。由于石化、化工和紡織行業(yè)耗能大，電動機長期連續(xù)運轉，所以，它們是使用高效電動機較多的行業(yè)；石油工業(yè)、電力工業(yè)和城市給排水次之。

電機的調速節(jié)能

在20世紀70年代以前，工業(yè)應用的電力拖動設備大多數(shù)采用交流電動機的恒速拖動，所以很久以來，在工業(yè)生產(chǎn)中大量應用的風機、泵類等需要進行流量調節(jié)控制的電力拖動系統(tǒng)中，人們不得不保留交流電動機的恒速拖動，采用擋板和閥門來調節(jié)風速、流量、壓力等。這種原始方法不僅增加系統(tǒng)的復雜性而且還造成能源大量浪費。

隨著電力電子技術、微電子技術及控制理論的發(fā)展，作為交流調速中心的變頻調速技術得到了顯著的發(fā)展，而且已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)的各項領域。

以風機水泵為例，根據(jù)流體力學原理，流量與轉速成正比，風壓或揚程與轉速的平方成正比，所以軸功率則與轉速的立方成正比。理論上，如果流量為額定流量的75％，使感應電動機轉速控制在額定轉速的3/4運行，其軸功率為額定功率的42％，與采用擋板或閥門調節(jié)相比，可減少58％的功率；如果流量下降到額定流量的50％，使感應電動機轉速在額定轉速的1／2運行，其軸功率為額定功率的1／8，與擋板或閥門調節(jié)相比，可減少7／8的功率。由于調速轉差功率損耗和控制裝置的附加功率損耗都比調速減少的功率損耗小得多，實際節(jié)電效果是相當明顯的。因此，調速技術應用在負載率偏低和流量變動較大的風機和泵類等流體設備的電力拖動上可獲得顯著的節(jié)電效益，這也是風機和泵類為什么是調速技術節(jié)電應用的重點對象的主要原因了。

變頻調速系統(tǒng)的優(yōu)點

變頻器容易實現(xiàn)對現(xiàn)有的交流電機進行調速控制。在工業(yè)生產(chǎn)中，如電廠、礦山和冶金、石油、化工、機械、電子、建材、紡織、輕工等許多行業(yè)大量存在需要電機變速及軟起動的場合。根據(jù)全國第三次工業(yè)普查公布的統(tǒng)計數(shù)字，我國風機水泵壓縮機類通用機械總裝機容量為1.6億千瓦，其中風機約為4900萬千瓦，水泵約為1000萬千瓦，年耗電3200億度，占全國耗電總量的1／3，占工業(yè)用電量的40％，在國民經(jīng)濟中舉足輕重，節(jié)能潛力很大。特別是1998年1月1日我國實施的《節(jié)約能源法》第四章第三十九條(二)款明文規(guī)定：“逐步實現(xiàn)電動機、風機、泵類設備和系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，發(fā)展電機調速的電力電子技術……提高電能利用率”。而且實踐證明：通過變頻調速來取代利用閥門、擋板控制，節(jié)電效果明顯，特別是對于大中容量交流電動機拖動的風機、泵類系統(tǒng)，若采用變頻調速，節(jié)電效果更加明顯，而且回收投資期短，一般為1～2年。

調速范圍大而且連續(xù)

變頻調速系統(tǒng)通過連續(xù)改變變頻器的輸出頻率來實現(xiàn)轉速的連續(xù)變化，使電動機工作在轉差較小的范圍，電動機的調速范圍較寬，運行效率也明顯提高。一般來說，通用變頻器的調速范圍可達1∶10以上，而高性能的矢量控制變頻器的調速范圍可達1∶1000。

容易實現(xiàn)正、反轉切換和構成自動控制系統(tǒng)

在電網(wǎng)電壓下運行的交流電動機進行正、反轉切換時，只需改變相序即可實現(xiàn)。如果在電動機尚處高速時就進行相序切換，電動機內將會產(chǎn)生較大的沖擊電流，甚至有燒毀電機的危險。而在變頻調速系統(tǒng)中可以通過改變變頻器輸出頻率先使電動機降至低速，再進行相序切換。這樣切換電流可以比較小，電動機的功耗和發(fā)熱也都減小了許多。另外變頻器有接口同其他設備一起構成自動控制系統(tǒng)。

起動電流小，可用于頻繁起動和制動場合

異步電動機直接起動的起動電流通常為額定電流的5～6倍，電機損耗較大，所需電源容量也很大，因此不宜頻繁起、停。采用變頻器對異步電動機進行驅動時，可以將變頻器的輸出頻率降至很低時起動，電動機的起動電流很小，因而變頻器輸入端要求電源配置的配電容量也可以相應減小。另外它還可以采用變頻器來實現(xiàn)電氣制動。制動時變頻器的輸出頻率先逐步減小，負載所存儲的機械能將轉換為電能回饋到變頻器，通過一定的制動回路將這部分能量或者以熱能形式消耗掉，或者回饋給電網(wǎng)。因此變頻器驅動交流電機調速系統(tǒng)可以工作在頻繁起動和制動場合。

結構簡單、運行安全可靠

變頻調速系統(tǒng)中異步電機結構簡單、堅固耐用，而且通常不需再用齒輪箱等其他變速裝置，保養(yǎng)、維修都比較簡單，可根據(jù)工作環(huán)境的不同，選擇不同的異步電機，而變頻器通常不需改變。因此，變頻調速系統(tǒng)能應用于易燃、易爆、腐蝕等惡劣環(huán)境中。

鑒于以上所列出的變頻調速的部分優(yōu)點，在交流電機的調速技術中，變頻調速是應用面較大、效率較高的。交流變頻調速是當代電力電子、微電子、自動控制、傳感器、電機等多種先進技術集成起來的一項高新技術。

近20年的理論發(fā)展和應用實踐表明，它的調速性能好、節(jié)能明顯，是電氣傳動的發(fā)展方向；它的應用面寬，為企業(yè)節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率、較終為提高經(jīng)濟效益提供了技術的和物質的手段。因此各工業(yè)發(fā)達國家都把發(fā)展交流電動機變頻調速作為技術進步、提高效率和節(jié)省能耗的一大措施。已經(jīng)應用這種技術的單位都取得了很好的節(jié)電效益。

變頻調速系統(tǒng)的投資成本和利潤

投資于節(jié)能項目，到底有沒有效益，回收期是長是短，這是所有投資者都非常關心的問題。這個問題的答案是肯定的。但是，鑒于近20年來推廣應用變頻器的經(jīng)驗與教訓，有些問題還需要討論。這些問題的解決和投資量相關，實際上直接涉及投資的成本、利潤和回收期。節(jié)能、節(jié)電是長期的，投資回收后的效益也是絕對的，關鍵是合理的回收期應該如何確定。投資者應該有信心，也應該知道項目風險之所在。

(1)系統(tǒng)越簡單，設備投資額就越少，并不是技術越先進越好。

對于中、小型交流電動機拖動的普通風機、水泵等系統(tǒng)，不需要精確地調節(jié)轉速，如果變頻器與電動機之間距離很近，低壓變頻器就能夠正常工作。

如果輸出量不需要調整但起動頻繁，可以購置軟起動器，以減少起動制動過程的能耗，這樣投資也比較少。要根據(jù)系統(tǒng)的實際工況選擇較合理的調速方案和較經(jīng)濟的系統(tǒng)設備。

(2)變頻調速系統(tǒng)是有較多諧波的非線性、非正弦工況，它會在電動機上引起電應力，致使電動機的工作壽命下降。在某些重要應用中，采用變頻調速專用電動機是必要的，特別是在1～10千伏的電壓中。較大功率的情況下，或者在變頻器同電動機之間的饋電電纜很長的時候，應選用專用電動機，或者選用輸出為正弦波的專用變頻器。這種成本的增高是必要的。

(3)變頻器運行中的諧波還對電網(wǎng)造成污染，尤其是較大功率的電動機調速系統(tǒng)，輕的破壞電網(wǎng)的電力品質，嚴重的會引起供電變壓器或電力電容器燒毀，甚至爆炸。而且諧波引起的畸變無功加重，系統(tǒng)的功率因數(shù)下降，將按電網(wǎng)規(guī)定承受大額罰款。對于低電壓中、小功率變頻器，采用有源功率因數(shù)修正環(huán)節(jié)也是有必要的。人們不能在慶賀節(jié)約有功功率的時候，大量消耗無功功率；更不能在成功節(jié)能的時候，破壞了電力系統(tǒng)的安全。一定要考慮周全采取正確的治理措施。

(4)許多家用電器的電動機調速，電動機功率只有幾十瓦或幾百瓦，較大的單機1～2千瓦。在這樣的情況下，采用常規(guī)的三相交流異步電動機實施變頻調速，其成本偏高，不見得是較好的節(jié)能調速方法。在這里調速成本比較低的永磁無刷電動機或改進的開關磁阻電動機能派上比較大的用處。

(5)采用交流電動機變頻調速系統(tǒng)后，不僅能取得節(jié)能效益，往往還會形成產(chǎn)量上升、質量提高、勞動生產(chǎn)率增加、環(huán)境改善等綜合效果。所以在統(tǒng)計系統(tǒng)利潤的時候，也要看其綜合效益。作為用戶，常常是因為有更大的非節(jié)能效益的存在，才有更大的決心和動力來實施變頻調速的技術改造。用戶應該在這個時候尊重客觀規(guī)律，同時還要治理諧波等電力公害。

總而言之，采用交流電動機變頻調速節(jié)能系統(tǒng)，能否在較短期間回收投資，要看綜合投資與綜合效益(利潤)的總體考慮。變頻器的價格大致在每千瓦800～1500元。

為使這樣一項高效節(jié)能技術長久地運行，一些配套技術和產(chǎn)品應計入成本。該省錢的地方應該省下來，不該省錢的地方則應該果斷地花出去。正確的“技術——經(jīng)濟”綜合決策，正是推廣應用交流電動機變頻調速節(jié)能技術的困難所在。讓我們在互相借鑒的實踐中，不斷總結經(jīng)驗教訓，增強對這項技術的深入認識，使其迅速地推行到節(jié)能的*。

電動機變頻調速技術

為達到提高生產(chǎn)效率和節(jié)約能量的目的，必須正確選擇系統(tǒng)配置，特別是選擇這種系統(tǒng)中的電動機和變頻器，它涉及可靠性、性能和價格三方面的因素。

變頻調速系統(tǒng)主要包括異步電動機、變頻器、控制環(huán)節(jié)、負載及傳動機構。

在選擇電動機時不僅要考慮驅動機械負載和使其加速所需的電機容量，還應根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境選擇相應的電機防護等級。另外，由于這時電機不是由電網(wǎng)供電，而是由變頻器供電(即在變頻調速運行時，大部分時間里該電動機不是工作在該電機設計制造的額定工況)，會帶來諧波、電磁干擾，也許會出現(xiàn)局部過電壓、過電流等問題。同時讓變頻器盡量減少諧波、電磁干擾等帶來的影響也是應該考慮的。

電動機的正確運用

合理選擇和使用電動機，確定較佳運行方式降低電動機的能量損耗是提高電動機運行效率的較基本的方法。在選用電動機時，應首先選擇電動機形式和功率及各種技術參數(shù)，使它具備與其所拖動的生產(chǎn)機械相適應的負載特性，能在各種狀態(tài)下穩(wěn)定地工作。

電動機功率的選擇

電動機的額定輸出功率在理論上講通常是按較大負載選定，而實際上，部分電動機的輸出功率是周期性變化的。電動機的功率損耗大部分為銅損耗，銅損耗與負載電流的平方成正比，當功率因數(shù)為一定時，則與輸出功率的平方成正比。所以，要想知道包括銅損及負載需要的電動機輸出功率，只需計算出負載的均方根植。

對負載率低于50％的電動機，應按經(jīng)濟運行原則選擇電動機功率。如未經(jīng)分析計算就將負載率低于50％的電動機換小，有可能使電動機的效率反而降低使電能損耗增加。

確定電動機需要的輸出功率時，應注意以下兩個問題：

(1)對計算功率所需要的有關參數(shù)值(如摩擦因數(shù)、負載、速度、風量、風壓等)，所留容量不要過大。

(2)所選用的電動機應滿足負載所需要的啟動轉矩、較大轉矩和較大負載。

對于運行的電動機，應測定負載率。一般異步電動機的額定效率和功率因數(shù)，是按負載率在75％～100％范圍內考慮的。

對于低壓、高壓的中型電動機系列，還存在一個電壓等級的合理選擇問題，只要選擇適當，則在保證電動機性能的前提下，能達到節(jié)能省損的效果。

我國三相異步電動機常用的電壓等級有：220伏、380伏、3000伏和6000伏等。500伏以下稱為低壓，500伏以上稱為高壓。，對于低壓、高壓的電動機，凡是供電線路短、電網(wǎng)容量允許，且啟動轉矩和過負載能力要求不高的場合，以選用低壓異步電動機為宜。因為這種電動機力能指標高，利于節(jié)電；價格便宜，減少一次性投資，維護方便，采用一般低壓電器即可。

當然對于那些供電線路長、電網(wǎng)容量有限、啟動轉矩較高或要求過負載能力較大的場合，應該以選用高壓電動機為宜。

電動機負載特性的選擇

異步電動機用途很廣，它所拖動的負載種類很多。根據(jù)負載特性，合理選用電動機，對于提高設備運行時的安全可靠性和節(jié)能具有實際的意義。

電動機的運行特性受它所拖動機械負載特性的影響。有些機械，如大部分風機、鼓風機、離心機、壓縮機等，要求較小的啟動轉矩，但啟動后所要求的拖動轉矩隨轉速的上升而增加，因此通常選擇一般機械特性的電動機。

另外一些機械，如往復式空氣壓縮機、帶負載的傳送機等要求有較大的啟動轉矩，故常選用高轉差率的機械特性的電動機。這種電動機也適用于沖擊負載或要求頻繁啟動的負載，如沖床、油井泵和起重機械。所以要想滿足節(jié)能、安全運行的標準就只有電動機的機械特性和它所托動的負載特性合理匹配。