能效 | 电能质量对电机的影响

      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

      在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。

正弦波电压和电流波形与频谱

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

• 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。

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：

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。