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能效 | 电能质量对电机的影响

浏览量:226   / 时间:2022-05-23

      众所周知,“双碳”目标已升级为国家战略,而占全社会总用电量的64%、占工业领域耗电量75%的电机(数据来源于中国电器工业协会),是节能减排的关键着眼点。

      电机作为名副其实的“用电大户”,其主要通过用电效率(电能转化为机械能的效率)来直接影响电网损耗。随着技术的进步和产业的升级,非线性、冲击性负荷得到了较为广泛的应用,这大大降低了配电网的电能质量,产生了诸如三相不平衡、谐波、电压波动等电能质量问题。对于电机而言,这些问题会降低其能效,增加电机的损耗。


谐波对电机能效的影响

      50Hz或60Hz的配电系统中,电能并不是令人满意的正弦波,往往存在不同程度的波形畸变。通常,电气设备的运行可能看起来正常,但在一定的条件组合下,谐波的影响增强,会产生损害结果。

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正弦波电压和电流波形与频谱

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畸变的电压和电流波形与频谱

      谐波引起的更高频率电压分量在交流电机的定子会产生额外的损耗,同时会提高定子和定子周围线圈的运行温度。而非正弦电压则会进一步导致谐波电流在电机的绕组中传导。


  • 正序谐波

正序谐波(谐波次数 4、7、10、13 等)产生的磁场和电流旋转方向与基波相同。


  • 负序谐波

(谐波数字 2、5、8、11、14 等)产生的磁场和电流的旋转方向与基波相反。


  • 零序谐波

零序谐波(谐波数字 3、6、9、15、21 等)则没有产生可用的转矩,但会产生额外损失。


       因此对于电机而言,谐波会产生局部过热、振动,导致能耗增加,从而降低电机的整体能量转换效率。国标《GB/T 755-2019 旋转电机定额和性能》也规定:电机的供电电压谐波因数(HVF)不超过0.02。另外,还需要考虑谐波引发的电机温升导致的降额运行问题。


三相不平衡对电机能效的影响

现实中的配电系统很少拥有完美的三相平衡负载,其具有单相负载和阻抗差异,这就使得电压或者电流的不平衡普遍存在。

三相不平衡通常用负序和零序分量的比例定义。在对称的三相系统中,由对称分量法可分解出零序、正序、负序三种对称的分量。由于电机一般没有中性线,所以在电机内不存在零序电流,零序电压和零序磁场。

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当三相电压不平衡时,正序电压在定、转子形成正序电流,产生的电磁转矩为正,是驱动力矩。负序电压在定、转子形成负序电流,产生的电磁转矩为负,起制动作用,使总的电磁转矩减小。这会引起额外的温升和效率损失,从而导致起动性能和过载能力下降

一般来说3.5%的不平衡电压可使电动机增加约20%的损耗,电机效率下降2-3%。所以国标《GB/T 755-2019 旋转电机 定额和性能》对此作了严格的规定:电动机的供电电压负序分量不应超过正序分量的1%(长期运行),且零序分量不超过正序分量1%。




电压波动和闪变对电机能效的影响

      电压波动是明显偏离额定值的快速电压变动,而闪变是指电压波动造成灯光闪烁的人眼视感反应,也属于一种电压波动现象。因此,本质上电压波动与闪变是同一类问题。

电压波动定义表达式:

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电压波动

      根据现有仿真和研究的结果,电机的能效会受到波动幅值与频率的影响,这均引起了附加损耗,如果受到两者的交互性影响,则附加损耗会进一步增大,导致效率下降。


总结

总体而言,以上三种电能质量问题中三相不平衡对电机能效的影响最大,接下来是谐波,电压波动与闪变的影响最小,但是均会增加电能损耗,影响电机的经济运行。

因此有必要加强电机供电质量的技术管理工作,定期开展电机供电线路的稳态电能质量的测试工作。对于谐波、三相不平衡等电能质量指标超标或处于较高水平时,需要查明原因,及时采取对策及改善措施,将其限制在能够保证电机高效、经济运行的范围内。