优化电动机效率的方法

广泛公布的估计表明，由电动机驱动的系统消耗了美国生产的电力的一半以上，以及许多工厂所用电力的 70% 以上。 ¹ 现在能源和运营成本非常高，提高电机效率比以往任何时候都更有意义。

许多设施发现将其电机效率策略分为三个阶段是有意义的：

• 总体评估
• 立即改进
• 长期

本文简要概述了第 1 步，并提供了有关第 2 步的详细信息。即将发布的文章将提供第 3 步的详细信息。

优化电动机效率的方法

第一阶段：评估
以下是运动评估涉及的内容：

1. 调查并记录您的设施中有多少台电机、使用年限、马力和额定值，以及控制级别。
2. 确定最高和最关键的负载。
3. 对于那些关键设备，使用功率记录仪来评估它们的能耗（功耗）。

这将为您提供设施中电机的一般能耗图。

第 2 阶段：立即改进
您可以立即进行两种改进。

1. 单位和单位操作的变化
2. 维修

对装置的更改可能包括用更高效率或更大尺寸的型号更换一些电机，为其他电机添加控制以达到合适的输出尺寸，以及根据需求和效用率重新安排哪些电机运行。

要确定这些更改中的任何一项是否对您的设施有意义，请使用电机效率计算器，例如美国能源部的 MotorMaster+。它可以帮助您计算每个电机和每个效率步骤的节省。

否则，您应该对打算继续运行的所有电机进行三个检查点：

1. 电压不平衡
2. 当前不平衡
3. 功率因数

如果测试显示这三个变量中的任何一个存在问题，那么纠正这些问题可以立即提高效率。从逻辑上讲，您还应该将这些测试纳入长期定期维护中，以维持您在此阶段所做的任何短期改进。

电压不平衡
电压不平衡是衡量三相系统各相之间电压差的指标。为获得最佳电机性能，相电压应相等或非常接近相等。电压不平衡除了会导致电机性能不佳外，还会缩短电机寿命。

电压不平衡是平均最大电压变化除以三相平均电压的 100 倍。此计算以百分比形式产生不平衡。美国能源部 (DOE) 提供了以下示例： ² 如果测得的线电压为 462 V、463 V 和 455 V，则平均值为 460 V。因此，电压不平衡为：

[(460 – 455) x 100] ÷ 460 =1.1%

总体而言，电压不平衡应小于 1%，绝不能超过 5%。标准 EN50160 要求公共耦合点的电压不平衡小于 2%。美国电气制造商协会 (NEMA) 的规范要求电机负载低于 5%，但建议电机端子处的电压不平衡不超过 1%，并且电机降额以获得更高的百分比。 ³

应使用电能质量分析仪定期在电机端子上测量电压不平衡，以验证电压不平衡低于 5%。此外，定期热检查可能会发现开关设备、断开装置或电机接线盒中的高电阻连接，这会导致电压不平衡。电压不平衡的其他可能来源包括有故障的功率因数校正设备、不平衡或不一致的电源电压、不平衡的变压器组、单相负载分布不均、单相接地故障或配电系统初级开路。

应由经验丰富的电工或电力专家进行修正。首先检查可调速驱动器的电源电压（如果系统中使用了）。此外，检查工厂的公用事业输入和系统的变压器输出。如果在这些“电源”处找到平衡的相位，那么最好的方法是从电机开始，系统地返回到初始电源，即公用事业的电力供应。

潜在的节省和投资回报率： 计算总体节省量的最佳方法是使用软件工具，例如 MotorMaster+。下面是基本计算的工作原理，如果您知道以下内容（示例值出现在括号中）：

• 电机负载 (100%)
• 马力（100 马力）
• 运行时间（每年 8,000 小时）
• 负载名义不平衡时的效率 (94.4%) ⁴
• 实际不平衡和负载时的效率 (93%)
• 1 马力转换为 0.746 千瓦

使用提供的样本值，采取纠正措施后的年度节能 (AE) 为：

AE =100 hp x 0.746 kW/hp x 8,000 hr/yr x (100 ÷ 93 – 100 ÷ 94.4) =9,517 kWh

如果电费为每千瓦时 0.05 美元，则每年节省的美元 (AS$) 为：

AS$ =9,517 kWh x $0.50/kWh =$476/yr

在工业环境中，许多电机可能由同一个不平衡电源供电。因此，潜在的节省将远远超过单个电机，实际节省的成本取决于负载、运行时间、马力等。

最后，请记住，当电源不平衡时，电机会运行得更热；大约是电压不平衡平方的两倍（2 x % 电压不平衡）。例如，在 2% 的电压不平衡下，电机的温度会升高 8 摄氏度。工作温度每升高 10 摄氏度，电机绕组绝缘的寿命就会减半。

当前不平衡
电流不平衡是衡量电机在三相系统每条腿上汲取的电流差异的量度。纠正电流不平衡有助于防止过热和电机绕组绝缘劣化。每条腿的平局应该相等或接近相等。电流不平衡的原因之一是电压不平衡，这会导致电流不平衡与电压不平衡本身不成比例。当在没有电压不平衡的情况下发生电流不平衡时，寻找导致电流不平衡的其他原因（例如绝缘故障或相接地短路）。

电流不平衡的计算方式与电压不平衡相同。它是平均最大电流变化除以三相平均电流的 100 倍。所以，如果测得的电流为30安、35安和30安，则平均值为31.7安，电流不平衡为

[(35 – 31.7) x 100] ÷ 31.7 =10.4%

三相电机电流不平衡度不超过10%。

测量电流不平衡应由经验丰富的电工或电力专家参与。与电压不平衡一样，应使用电能质量分析仪在电机端子上定期执行。使用同一台电能质量分析仪可以同时进行电压和电流两种不平衡测量并保存。

纠正当前的不平衡可能包括以下任一或所有策略：

• 如果不平衡是供电的结果，功率因数校正装置可以解决问题。
• 如果问题出在电机本身，例如由于绝缘故障或相接地短路，请仔细权衡您的选择。决定修理（倒带）电机还是更换新电机是困难的。根据美国能源部 ⁴ ……
  • 重绕几乎总是会降低电机的效率和可靠性。考虑诸如重绕成本、预期重绕损耗、新电机购买价格（标准和节能型号）、电机尺寸和原始效率、负载系数、年运行小时数、电价、公用事业回扣的可用性和简单的投资回报等变量标准。
• 在大多数情况下，如果出现以下情况，请购买新电机：
  1. 故障电机的功率小于 40 马力且使用年限超过 15 年，尤其是之前已重新上链的电机，
  2. 电机是小于 15 马力的非专业电机，或
  3. 重绕成本占新电机成本的 50% 以上。

在后一种情况下，提高效率和可靠性应该会提供快速的投资回报。

潜在的节省和投资回报率： ROI 有两种形式——节能和长期生产节约（防止电机故障和停机）。可能的实用回扣也开始发挥作用。

节能可能难以确定，尤其是在选择重绕解决方案时。最终倒带损耗未知，直到倒带后。

如果您决定购买新电机，请使用 MotorMaster+ 软件计算您可以从更换中获得的年度节能效果 (AS$)。您需要以下信息： ⁶

• 电机额定马力 (hp)
• 负载系数（L =满载百分比÷ 100）
• 年营业时间（小时）
• 平均能源成本（C =$/kWh）
• 现有电机效率（标准值，百分比）
• 新电机的效率等级（Eee，百分比）
• hp 到 kW 的转换系数 (0.746)

鉴于此信息，

AS$ =hp x L x 0.746 x hr x C x [(100 ÷ Estd) – (100 ÷ Eee)]

一般而言，高效率电机的效率比标准效率电机高约 1%，而且节能通常会导致不到 18 个月的投资回收期。与现有的重绕装置相比，新型高效电机的效率将提高 1% 以上。

功率因数
不良功率因数是由某些类型的设备操作产生的，并导致公用事业公司收取罚款。评估所有主要电路和负载（包括电机）的功率因数。功率因数越接近 100% 或“1”越好（电力公司通常会对功率因数低于 95% 收取罚金）。提高功率因数将：

• 减少电费
• 增加电力系统容量
• 降低电压降

功率因数 (PF) 是由感性负载（带线圈的负载）引起的，例如电机和变压器。它表示为百分比或数字，100% 或 1 是理想的。功率因数是实际（工作）功率（千瓦 kW）与视在（总）功率（千伏安 kVA）的比率。视在功率是有功功率和无功功率的组合（千瓦 kVAR）。

无功功率的增加会导致视在功率增加，从而导致功率因数降低。因此，降低无功功率会提高功率因数，这通常是一件好事。

最好使用电能质量分析仪测量功率因数。开始之前，先了解一下：

• 您的公用事业公司如何为低功率因数或 VAR 收费
• 公用事业公司表示您每月的平均功率因数
• 您的需求费用是多少
• 公用事业公司如何测量功率因数或 VAR：峰值间隔或平均值？

目标是识别导致滞后无功功率的负载，并制定提高功率因数的策略。 ⁶

从服务入口开始，公用事业公司在此监控其数据并检查各个负载。电能质量分析仪可让您找到特定记录周期内的平均功率因数。

使用以下策略校正功率因数：

• 减少或减少空转或轻载电机的使用
• 避免在高于额定电压的情况下运行电机
• 用节能型号替换出现故障的标准电机
• 在受影响的电路中安装电容器以降低无功功率

潜在的节省和投资回报率： 使用来自公用事业和调查的信息来计算您的储蓄。假设您的电力公司对您的功率因数每低于 0.97% 的 1% 增加 1% 的需求费用。如果您的功率因数每月平均为 86%，那么您的操作比 97% 阈值低 11%（97% 减去 86%）。如果您的需求费用为每月 7,000 美元，那么您通过功率因数校正可避免的年度成本等于：

（11% x 每月 7,000 美元）x 12 个月 =9,240 美元

后续步骤
在您结束您的即时电机效率调查时，请评估您的长期维护实践并开始在那里进行更改。在定期检查中包括这些相同的电压和电流不平衡检查。还要考虑定期检查连接和接地、非设计电压和绝缘电阻，以获得额外的长期性能改进。

本文由福禄克公司提供。要了解有关此主题的更多信息，请访问 www.fluke.com。

注意事项
¹ 情况说明书：“优化您的电机驱动系统”。 汽车挑战 文档。 Motor Challenge 是美国能源部 (DOE) 的一项计划。有关更多详细信息，请访问 http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices。

² 电机系统提示表 #7（2005 年 9 月）：“消除电压不平衡”，一个能源提示 – 电机系统 为美国能源部的工业技术计划编写的文件。

³ 在实验室外确定电机的效率很困难，需要大量的劳动力和设备。此外，±1% 的效率将显着影响计算出的成本节省。 （参见电机系统提示表 #2（2005 年 9 月）：“现场估算电机效率”，能源提示 – 电机系统 为 DOE 的工业技术计划编写的文档。）当负载百分比已知时，MotorMaster+ 4.0 软件会根据可用数据自动选择负载效率。

⁴ 情况说明书：“优化您的电机驱动系统”。

⁵ 来自 DOE 的情况说明书：“Buying an Energy Efficient Electric Motor”，一份电机挑战文件；问题 5：“节能电机何时具有成本效益？”

⁶ 请参阅 DOE 的情况说明书：“降低功率因数成本”，电机挑战 文档。