监控感应电机节能

有限的自然资源和不断增长的全球能源需求，这是理所当然的，能源成本将继续增加。随着全球能源成本的上升，工厂提高设备运行效率的动机将随着时间的推移而复合。当局使用强制性手段(例如，法规)来强制执行节约，也使用补偿性手段(例如，特别费率)来奖励使用较少能源的用户。在任何一种情况下，减少能源消耗都会降低用户的底线成本。

为了有效地降低能源成本，工业设施应该首先评估它们的头号能源消耗罪魁祸首:电机。许多研究表明，工业设施中的电机消耗的能量是所有电气设备中最大的。根据美国能源部的数据，电机驱动设备占美国工业部门用电量的64%，每年消耗约2900亿千瓦时(kWh)。目前使用的最常见的工业电机类型是三相(多相)感应电机，其中90%以上是鼠笼式感应电机。

使用三相而不是单相电力系统提供了能量传输效率的指数增长。多相系统传输的功率计算为电压乘以每根导体中的电流，再乘以根号3(约1.73)，而单相系统传输的功率只是电压乘以电流。因此，三相系统传输的功率增加了73%，而导体只增加了50%。鉴于多相感应电动机在工业和商业领域的普遍存在，在电动机的使用寿命期间，多相感应电动机在能源和运行成本方面提供了巨大的潜在节省机会。

充分评估感应电机对您的能源账单的影响需要对电机的许多操作和电气参数有详细的了解。永久安装的监控设备是最有效的工具，在武器库，以减少能源消耗，特别是在电机。了解监控和评估哪些参数将有助于最大限度地节省能源。

监测汽车

设备内的每个电机的运行都与其他电机有一定程度的区别。这种独特性可能是由于多种因素造成的，包括:铭牌额定值、电压、负载/应用、占空比、环境、邻近负载、阻抗和使用年限。

对电机、其相关负载及其运行方式的了解越多，就越容易降低与该电机相关的能源成本。功率监控设备提供所需的实时和历史数据，以最高效率运行电机并最大限度地延长其使用寿命。这种装置可以临时安装，也可以永久安装，主要取决于电机负载的性质、电机和导体的可及性以及成本。

临时监测最适合研究非关键电机和那些不使用足够的能量来保证专用监测设备的电机。临时监测也可能有利于电力系统规划和事件排除。

虽然对每个电机进行永久监测可能不切实际，但对关键任务电机进行永久监测使操作人员能够在电机故障之前识别和避免问题，并且建议用于使用大量能量或位于偏远或无法到达的位置的电机。

永久安装的监控系统特别有用，因为它们能够在电机的使用寿命中捕获大量的实时和历史信息。通过监测电压、电流和温度，当今的监测设备可以提供感应电机许多方面的数据，包括:

• 电机端电压的质量
• 能源使用
• 加载问题
• 过度的自行车
• 起动特性，以及
• 环境考虑和维护。

影响电机能源使用的一个基本问题是其对预期应用的适用性。电机的设计是在其铭牌额定下最有效地运行。为特定应用选择错误的电机或在其推荐参数之外操作电机将降低电机的性能，给电气系统带来额外的损失。监测系统能够识别导致电机性能下降的许多症状，包括偏离各种铭牌参数。例如，图1说明了当电压偏离电机铭牌额定电压时发生的几种后果。

在哪里找到储蓄?

在电机端子处的电信号特征中蕴藏着大量关于电机运行状况的信息。有了电机的铭牌数据和这些电气特性，就可以量化给定电机的许多节能机会。基本电特性包括每个相位的电压、电流和频率数据。通过收集这些基本特征的数据，监测设备可以提供最大限度地节约能源所需的额外信息，包括:

• 功率因数
• 电压的变化
• 电压不平衡
• 电机负载(基于电流)
• 谐波失真，以及
• 频率偏差。

通过使用I/O模块，监控系统还能够测量和记录温度、启动次数、运行时间甚至振动，为操作指南、预防性维护和预测性故障分析提供指导。

功率因数改进

电机节能的第一个也是最明显的机会是功率因数校正。交流电力系统的功率因数是负载的“实际”功率与电路中“视在”功率之比。具有低功率因数的负载必须比具有高功率因数的负载消耗更多的电流，以获得相同数量的有用能量转移。大多数监控系统提供与理解功率因数直接或间接相关的广泛数据，包括:

• 排量功率因数(总和每相)
• 真功率因数(总功率因数和每相功率因数)
• 畸变功率因数(总和每相)
• 最小/最大功率因数
• 无功功率和能量
• 真正的力量和能量，还有
• 明显的力量和能量。

如图2所示，功率因数可以通过利用由电阻和电感元件组成的电流的多相感应电动机来节省能源。所述阻性元件包括负载电流和损耗电流;感应元件包括磁化电流和漏抗。可以通过使用电容器提供逆流来抵消感应电流分量。增加一个电容器并不影响电机的磁化电流或漏抗，但它在安装电容器的地方抵消了感应分量。随着电容的增加，功率因数角θ逐渐减小，直到达到单位功率因数(θ = 0)。在单位功率因数时，电力系统处于最大功率传输的最佳性能。请注意，在电路上放置过大的电容将导致领先功率因数(θ在这种情况下为负)，这可能导致严重的并发症。

第一个例子

三相感应电动机在0.78 (θ old = 38.73°)的功率因数下使用200a。

为了确保这些值是正确的，

通过在电机附近增加容性负载(通常是电容器组)，可以减少无功(电感)分量。容性负载在本质上也表示为无功负载，但它使用的电流与感性负载相异180度;因此，出现了抵消效应，如图3所示。适当尺寸的电容器组可以将功率因数从0.78 (θ旧= 38.73度)降低到0.95 (θ新= 18.19度)，仅基于功率因数的改进，电流就减少了约18%。通过电力系统的每千瓦时无功能量都会产生多余的线路损耗和更高的能源账单。永久安装的监控设备可以量化这些损失，并在设施内提供额外的节省机会。

提醒一句:大多数工业系统使用具有复杂相邻负载的电机(例如，非线性负载，如可调速驱动器)。由于电容器与复杂负载产生的其他频率相互作用，这些复杂负载类型可能对标准功率因数校正电容器的添加产生负面反应。建议用户仔细查看有关复杂负载类型和功率因数校正电容器之间相互作用的可用信息(也请参阅位移功率因数与真实功率因数)。

电压不平衡

电压不平衡(包括单相)是电机故障的主要原因，也是电机能量损失的主要原因。在满载多相感应电动机中，电压不平衡会产生不成比例的高电流不平衡，导致电机温升增加。这种增加的加热通过打破其绝缘缩短了电机的寿命。监测系统量化电压不平衡以达到电能质量的目的，但也可用于提供三相感应电动机端子电压不平衡造成的损耗的信息。图4显示了电压不平衡对电机效率的影响。

第二个例子

一台200马力的三相感应电动机在平均负荷80%的情况下，每年运行4500小时。假设电压不平衡可以忽略不计，在负载为80%时，电机的效率(η)为93%。然而，在审查监测系统的数据后，发现电机在一年中平均电压不平衡为3%。该设施的平均能源成本为0.13美元/千瓦时，平均需求费用为16美元/千瓦时。

如图4所示，效率降低约为3.5%，而新效率(η new)为89.5%(93% - 3.5%)。电压不平衡造成的损耗确定如下:

为了确定每年因电压不平衡造成的总成本，

在这种情况下，能量损失的成本是巨大的，并且由于设备内电压不平衡而暴露的额外电机进一步增加。此外，其他电压质量问题也会对感应电机的效率产生不利影响。在其额定标称电压的90%运行电机将导致大约2.5%的效率下降(见图1)。

在电机的终端谐波失真产生额外的电流，包括反旋转(负序)电流，降低电机的效率。即使系统频率的变化也会导致电机的能量损失。所有这些因素，以及本文中没有提到的更多因素，都是造成损失的原因，是减少业务支出的一种尚未开发的手段。

监测系统提供的历史和实时数据是定位不经济运行的电机的关键，但这些系统可以让您更轻松地确定问题的根本原因。监测系统还可以根据需要对补救措施进行评估，并对其进行修改以确保其有效。同时，可以很容易地确定给定解决方案的投资回报率(ROI)。

根据了解采取行动

永久安装的监控系统收集了大量的数据，可以仔细检查以节省汽车。一般来说，提高电机效率的措施也会增加电机的使用寿命。电气系统改进的投资回收期(包括安装监控系统的初始成本)可能相对较短，尤其是在多个电机受到影响的情况下。随着采取措施使电机尽可能接近其最佳参数，其影响将减少资本支出，减少过程停机时间，降低对配套基础设施的压力，当然，还可以降低运营费用，包括能源费用。

最后，监控系统的真正ROI是通过对收集到的信息采取行动来实现的。实现监视功能是第一步。通过主动能源管理——自动化、计量、监控和持续调试的概念——组织现在可以最终将当前的能源使用量减少15%到30%。

Jim Plourde是施耐德电气能源解决方案的全国业务发展经理。

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