一文讲透电机效率
工作中经常解释与效率有关的概念和规律，索性专门开一篇把从头到尾捋清它。面向的人群较广，公众号编辑公式也麻烦，所以本期就是文字加极少张图表了。效率是电机输出的轴功率与输入的电功率之比，是评价电机的重要指标之一。在气候变化、双碳目标的大背景下，提升效率是电机行业永恒的追求。电功率是有功功率，所以效率高就意味着节能。功率因数影响的是视在功率，与节能没有直接的关系。输入功率与输出功率之差是损耗，损耗越小效率越高。工频运行的三相异步电动机，损耗通常可分为五部分：定子铜耗、定子铁耗、转子铜(铝)耗、 风摩(机械)耗和杂散损耗。定子铜耗与定子电阻、电流有关；定子铁耗通常包含空载杂散损耗，与硅钢片材质、叠压工艺、磁通密度和电源频率有关；转子铜耗与电机的输出功率和转差率成正比；风摩耗由轴承摩擦和旋转件的空气阻力产生，与电机转速有关；杂散损耗一般特指负载杂散损耗，与输出转矩成正比，也与电机的电磁设计、工艺方法和制造水平有关。总来的说，定子铜耗和铁耗是电机损耗的主要部分。可以看出，电机做好后电压额定时，定子铁耗和风摩耗与负载大小(输出功率)几乎无关，两者之和称为恒定损耗；定子铜耗、转子铜耗和杂散损耗随负载变化而变化，是可变损耗。显然，负载越大可变损耗随之增加。好的设计，是电机在额定负载时恒定损耗约等于可变损耗，这时电机有较高的效率。提高电机的效率，无非是从以上方面入手：加大体积，既可以增加电磁线截面积减小电阻，也可以增加铁心用量减小磁通密度，还可以降低电机温升选用小风扇以降低风摩耗；选用高牌号的硅钢片降低铁心单位重量的铁耗；选用铸铜或铜条转子减小转差率降低转子铜耗；改进和提高工艺水平降低负载杂散损耗。
如上图，在额定电压和额定频率下，电机的效率与输出功率之间的关系可用效率曲线表示。通常额定负载附近效率最高，随着负载的减小，效率逐渐降低。如果电机的额定效率足够高，那么效率随负载降低的程度就比较慢(若额定效率是99%，那么50%负载时效率一定大于98%，10%负载时效率一定大于90%)，原因请读者自行分析。实际上，电机厂家了解到，用户选择电机时留有一定的裕量，实际使用功率往往达不到额定功率。这样设计时会把最高效率点设置在75%负载附近，节能效果更好。如果运行时负载波动较大，用户可能更关心不同负载点效率的平均值，这其实是要求恒定损耗小一些。工频供电的永磁电机，基本适用异步电机的分析方法，但有两点不同：第一无转子铜耗（永磁体涡流损耗很小），综合其它因素后永磁电机的效率较异步电机高不少；第二定子铁耗和风摩耗不易分离（停电后转子旋转仍然有铁耗存在，所以永磁电机停机较快）。以上分析的是单台电机的效率，接下来讨论相同电磁负荷和电磁材料、相似结构和工艺制造水平时，不同规格电机之间的效率比较。为了突出主要矛盾，我们以定子铜耗和定子铁耗代表损耗。额定功率与额定效率之间的关系。额定功率3kW的电机，和额定功率300kW的电机相比，哪个效率高？我们都知道是后者。这是因为，电机的额定功率与电机的体积的4/3次方成正比，而损耗与体积成正比，即功率增加的比损耗快，所以功率越大效率越高。额定转速与额定效率之间的关系。我们知道电机常数，即电压、功率都相同时，转速越低，电机的体积越大。那么同样是90kW，额定转速150转的电机，和额定转速是1500转的电机，哪个效率高呢？因为150转的电机体积远大于1500转的，而电磁负荷相当嘛，所以150转的电机损耗也远大于1500转的。所以转速越低，效率也越低。当然也不是转速越高效率越高，通常来讲额定转速1500rpm的电机效率是最高的。这是因为第一高速电机不可避免的要提高额定频率，而即使磁密不变，频率越高铁耗越大；第二转速越高，风摩耗越突出。可能有读者要问，那为什么工频下2极电机(3000转)的效率低于4极电机(1500转)呢？除了3000转时风摩耗更大外，主要是因为2极电机的材料利用率偏低，它每极下的定子轭部面积大所以铁耗大，线圈端部连接线长所以铜耗大。额定电压与额定效率之间的关系。转速、功率都相同的话，额定电压380V的效率高，还是额定电压3300V的效率高？当然两种电机的制造工艺不同，有些不太好比较。不过我认为总的来说，低压电机的效率会高一些。因为电压越高，绝缘材料用量越多，降低了电磁材料的利用率，使得损耗会大一些。以上，看图说话。下图IE4电机的效率指标，可以很明显的看出相关规律。这个标准的额定电压是380/660V，高压电机的效率标准请各位自行查阅。
如上图，在额定电压和额定频率下，电机的效率与输出功率之间的关系可用效率曲线表示。通常额定负载附近效率最高，随着负载的减小，效率逐渐降低。如果电机的额定效率足够高，那么效率随负载降低的程度就比较慢(若额定效率是99%，那么50%负载时效率一定大于98%，10%负载时效率一定大于90%)，原因请读者自行分析。实际上，电机厂家了解到，用户选择电机时留有一定的裕量，实际使用功率往往达不到额定功率。这样设计时会把最高效率点设置在75%负载附近，节能效果更好。如果运行时负载波动较大，用户可能更关心不同负载点效率的平均值，这其实是要求恒定损耗小一些。工频供电的永磁电机，基本适用异步电机的分析方法，但有两点不同：第一无转子铜耗（永磁体涡流损耗很小），综合其它因素后永磁电机的效率较异步电机高不少；第二定子铁耗和风摩耗不易分离（停电后转子旋转仍然有铁耗存在，所以永磁电机停机较快）。以上分析的是单台电机的效率，接下来讨论相同电磁负荷和电磁材料、相似结构和工艺制造水平时，不同规格电机之间的效率比较。为了突出主要矛盾，我们以定子铜耗和定子铁耗代表损耗。额定功率与额定效率之间的关系。额定功率3kW的电机，和额定功率300kW的电机相比，哪个效率高？我们都知道是后者。这是因为，电机的额定功率与电机的体积的4/3次方成正比，而损耗与体积成正比，即功率增加的比损耗快，所以功率越大效率越高。额定转速与额定效率之间的关系。我们知道电机常数，即电压、功率都相同时，转速越低，电机的体积越大。那么同样是90kW，额定转速150转的电机，和额定转速是1500转的电机，哪个效率高呢？因为150转的电机体积远大于1500转的，而电磁负荷相当嘛，所以150转的电机损耗也远大于1500转的。所以转速越低，效率也越低。当然也不是转速越高效率越高，通常来讲额定转速1500rpm的电机效率是最高的。这是因为第一高速电机不可避免的要提高额定频率，而即使磁密不变，频率越高铁耗越大；第二转速越高，风摩耗越突出。可能有读者要问，那为什么工频下2极电机(3000转)的效率低于4极电机(1500转)呢？除了3000转时风摩耗更大外，主要是因为2极电机的材料利用率偏低，它每极下的定子轭部面积大所以铁耗大，线圈端部连接线长所以铜耗大。额定电压与额定效率之间的关系。转速、功率都相同的话，额定电压380V的效率高，还是额定电压3300V的效率高？当然两种电机的制造工艺不同，有些不太好比较。不过我认为总的来说，低压电机的效率会高一些。因为电压越高，绝缘材料用量越多，降低了电磁材料的利用率，使得损耗会大一些。以上，看图说话。下图IE4电机的效率指标，可以很明显的看出相关规律。这个标准的额定电压是380/660V，高压电机的效率标准请各位自行查阅。
GB18613是强制性的国家标准，规定了1000V以下工频电源供电的封闭式异步电机的能效限定值。标准分3个能效等级，1级最高3级最低，国内使用的电机最低要达到3级能效。
电机用于出口时，可参考IEC60034-30-1确定能效等级，国标GB32891.2是该标准的翻译版。实际上，GB18613中三相异步电机的效率指标就是参考的IEC标准，GB18613中的1、2、3级能效分别对应IEC60034-30-1中的IE5、IE4和IE3。其它如高压电机、自起动永磁电机、变极电机、短时或周期工作制电机及其它特殊用途的电机均有相应的标准，可能不同应用行业也有各自的标准，这些大都是推荐性的，与用户明确引用条款即可。接下来讨论变速的情况。这里的变速是指变频调速，变极调速和转子串电阻调速应用范围受限，且有被变频调速取代的趋势。为简单计，先讨论额定转速以下，恒转矩时效率随转速的变化情况。转速下降时，转矩不变，电流和磁密都不变，但铁耗会随频率的1.3次方降低；定子铜耗是否改变取决于定子的温度情况（当然频率对交流电阻也有一点影响），若冷却方式与转速无关，那么定子铜耗几乎不变；异步电机的转差率变化不大所以转子铜耗随输出功率成比例变小；风摩耗的变化与冷却方式密切相关，如果电机没有自冷风扇，风摩耗很小，可以忽略：综合评价为效率是缓慢下降的。额定转速以上一段范围内，电机可以恒功率运行。异步电机的电流变化不大，永磁电机的定子铜耗会大一些，因为需要增加直轴电流以平衡反电势；磁场变弱转差率加大所以异步电机的转子铜耗会增加；受磁密降低但是频率增加的影响，铁耗会稍小一点；风摩耗的占比较小：综合来看转速增加的相当范围内电机是可以处于高效区的。前已讨论转速不变负载减小时效率的变化规律，这样如果以横轴表示转速纵轴转矩，恒转矩-恒功率曲线以下的效率变化情况就可以大概明确了。电动汽车主驱电机通常还要既在恒功率点的左侧超速降功率运行，又要在恒转矩-恒功率曲线以上做短时运行，上限直至每个转速时的峰值转矩。把整个运行区域内效率相同的点连起来，形成若干条像海拔等高线一样的地形图，这就是电机的效率MAP图。
打赏
支付宝扫一扫
微信扫一扫
