4.4 电动机
4.4.1 要点。
1.民用建筑中的常用电动机。民用建筑工程中常用拖动电动机的类型有交流鼠笼型异步电动机、变极多速三相异步电动机、线绕转子型异步电动机、直流电动机、同步电动机、无刷直流电动机、直线电动机、伺服电动机等。
交充电动机通过控制其端电压、转矩、转速、功率因数、传动效率节能；直流电动机通过控制其输出转矩、电压、速度节能。
2.节能控制原则：
1)电动机功半的选择，应根据负载特性和运行要求，使之工作在经济运行范围内。
2)异步电动机采用调压节能措施时，需经综合功率损耗、节约功率计算及启动转矩、过载能力的校验，在满足机械负载要求的条件下，使调用的电动机工作在经济运行范围内。
3)对机械负载经常变化又有调速要求的电气传动系统，应根据系统特点和条件，进行安全、技术，经济、运行维护等综合经济分析比较，确定其调速运打的方案。
4)在安全、经济合理的条件下，异步电动机宜采取就地补偿无功功率，提高功率因数，降低线损。
5)当采用变频器调速时，电动机的无功电流不应穿越变频器的直流环节，不可在电动机处设置补偿功率因数的并联电容器。
6)交流电气传动系统应在满足工艺要求、生产安全和运行可靠的前提下，使系统中的设备、管网及负荷相匹配，提高电能利用率。
7)功率在50kW及以上的电动机，应节独配置电压表、电流表、有功电能表，以便监测与计量电动机运行中的有关参数。
3.常用的节能措施及其适用场合。
1)在新建、扩健、改建项目中，应选择高效节能的电动机。
2)功率在200kW及以上的电动机，宜采用高压电动机。
3)当系统短路容量或变压搭容量相对较小时，大容量交流异步电动机宜采用恒频变压软启动器启动，改善启动特性。在电动机空载或轻载时还可根据功率因数的大小，控制晶闸管的导通角，提高功率因数，达到节电效果。
4)在技术改造、节能改造的项目中，当电动机处于“大马拉小车”状态且电动机的绕组接线条件允许时，可将电动机定子绕组由“△”改为“Y”形接法。
5)在技术改造、节能改造项目中，可将异步电动机同步化运行，提高系统功率因数。
6)电动机调速节电措施。
①交流电动机。改变交流电动机的定子频率、磁极对数、转差率可调节电动机的转速；异步电动机的电磁转矩与定子相电压的平方成正比，同步角速度与定子相电压的平方成正比，所以，调整电动机的端电压也可以调速；通过传动机械负载的离合器也可以调速。
常见的异步电动机的调速比为：调定子供电电压，外接饱和电抗器成晶闸管，调速比为3：1～10：1(转速闭环)；采用电磁转差离合器，调速比为5：1～10：1(转速闭环)；采用调速型液力耦合器，调速比为3：1～5：1：线绕转子电动机转子回路串电阻有级切换及斩波控制调速，调速比为1．5：1；线绕转子电动机静止串级调速，调速比为2：1～4：1；双定子绕组线绕转于电动机内反馈中级调速，调速比为1．6：1～2．0：1：鼠笼型电动机变换极对数，调速比为2：1～4：1；改变电动机电源频率，调速比为10：1或更大等。
变压调速、电磁转差离合器调速及线绕转子电动机转子回路串电阻调速系统，其全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路，较其他常见的调速方法效率低。变压调速一般采用双相晶闸管调压，适用于小于5kW的鼠笼型电动机及小于40kW的线绕转子电动机，节能率约20％，但存在高次谐波，调速范围为0.8～1.0。电磁转差离合器调速系统由电磁调速电动机及配套的控制器组成，适用于鼠笼型电动机，节能率约25％，单存在不可控区：转子回路申电阻调速系统，适用于线绕转子电动机，但不节能，故不宜用于调速，可用于驱动较频繁启动的负载。
线绕转子电动机串级调速、内反馈串级调速系统中，除转子铜损，变流装置本身的损耗外，大部分转差功率都转化成有用功率，效率较高。但系统结构较复杂，投资成本较高，有高次谐波，电动机必须是线绕转子电动机，影响该调速系统的应用范围。串级调速系统由绕线型异步电动机，晶体管串级调速装置(包括主回路、控制回路，整流系统、逆变系统)组成。6kV、10kV电压等级内反馈串级调速系统由具有双定子绕组的异步电动机及外配的变流器、启动柜、补偿柜组成。
改变极对数调速、变频变压调速系统中，转差功率只有转子铜损，电动机转速改变，其转差功率基本不变，效率高。改变极对数调速是有级调速，虽然电动机体积相对较大，却经济、可靠，容易实现，适用于鼠笼则电动机速度转换不频繁的场合，节能率约20％，但应指出的是变极转换开关易损坏。变频变压调速是无级调速，由鼠笼型电动机和变频装置组成，节能率约30％，可以构成高动态性能的交流调速系统以取代直流调速系统。虽然该系统的结构复杂，投资成本高，有高次谐波，但因其性能好仍得到广泛应用。
电梯，自动扶梯、吊车等恒转矩负载可选择变极对数电机，晶闸管交流变压、变频装置驱动方案，并可有选择地实现其调速功能要求。转子回路串电阻方案不宜用于调速，可用于不调速负载的启动(如吊车负载)。
②直流电动机。拖动恒转矩负载的直流电动机通过调电枢电压调速，拖动恒功率负载的直流电动机通过调励磁调速。
直流电动机的调速性能好、范围宽，能适应各种机械负载特性的需要。但直流电动机的效率低、耗能大、维护复杂，因此只在交流电动机不能满足负载调速要求刚才采用。
小容量直流电动机较单相异步电动机具有启动转矩大、调速性能好等优点，风机盘管风机广泛采用无刷直流电动机，利用调电枢电压实现无级调速，较单相异步电动机改变端电压的有级调速，具有显著的节电效果。
4.4.2 常用的交流异步电动机。
1.电动机的特点。
1)鼠笼型电动机：结构简单、制造容易、价格便宜、耐用、可靠、易维护、特性硬，启动和调速性能差，轻载时功率因数低，在变频电源供电下可平滑调速，为变极数多速电动机，可分级变速调节，但体积大，价格较贵。
2)线绕转子电动机：有集电环，较鼠笼型电动机维护量大，价格稍贵，但启动转矩大，启动时功率因数高，可进行小范围的短时速度调节，多用于电网容量小、启动次数多的机械，在建筑电气工程中的提升机、电梯中广泛应用。
2.电动机类型的选择。
1)恒负载连续运行、功率在250kW及以上，宜采用同步电动机。
2)除特殊负载需要外，一般不宜选用直流电动机。
3.效率及功率因数、电动机的效率及功率因数是其节能的重要指标，且随负荷率的高低变化而增加和降低。达到电动机的额定功率时效率取功率因数最高。
4.电动机的选择。
1) 一般原则。
①正确选择电动机的额定功率。电动机需满足负载所需的启动转矩；运行中不得超过其允许的工作温度；电动机在额定功率的75%～100%运行时效率最高，所以负荷率宜在0.8～0.9范围内。一般工程选用Y或Y2系列电动机，当有可能及技术经济合理时也可选用YX、YX2系列高效率电动机。
②选择采用通用变频器测速的鼠笼型电动机时，应留有适当的裕量，因定子电流中的高次谐波使电动机的电流增加和温度升高，功率因数和效率变差。
③普通鼠笼型电动机是空气自冷式，须考虑电动机的散热问题，当转速低于额定转速时，风扇散热能力变差，必须限制负载转矩，控制温升。
2)风机、泵类负载，宜选用普通鼠笼型电动机，电动机不宜在40％同步转速以下长期运行。
3)恒转矩负载拖动电动机的选择、若以连续运行时间超过10min或断续运行时暂载率超过40％确定的满负载长期运行，其转速在60％同步转速以上时，宜选用普通鼠笼型电动机；其转速在25％～60％同步转速之间，宜采用带有外部强迫风冷的鼠笼型电动机，即变频专用电动机。
4)线绕转子电动机的选择。当线绕转子电动机采用串级调速方案经常在低速条件下运行时，转子的铜损，铁损会增加，自冷风扇的冷却风量也随之减少，使电动机散热能力下降。此时电动机的额定功率应按下式选择：
式中：P——串级调速的线绕转子电动机的计算功率（kW）；
——串级调速的线绕转子电动机的额定功率（kW）；
——裕量系数，一般取值为1.15左右，对于长期低速运行，值需适当加大；
——按不调速时，线绕转子电动机的计算功率（kW）。
5)采用变频调速装置驱动的电动机选择：采用变频调速装置驱动的电动机启动电流小，500kW以下的电动机可选用380V电压等级的低压电动机，500kW及以上、800kW以下的电动机宜选用660V或10(6)kV电压等级。
4.4.3 静止式变压变频器的选用。
1.变频器的容量。变频器的额定容量(k·A)是指在额定电压及额定电流下变频器的视在功率，是变频器负载能力的一种辅助表达方式，选择变频器时需校核变频器的额定电流是否满足要求。
变频器的容量一般按额定输出电流、电动机的功率或额定容量选择：
1)变频器的额定输出电流(A)是其晶体管变频器所能承受的电流值。连续运行的总电流在任何频率条件下均不得超过变频器的额定电流。
变频器的额定电流选择见下式：
式中：
——变频器额定电流（A）；
——电流裕量系数，一般可取1.05~1.15，电动机持续负载率大于80%及启停频繁时取值1.15，其他取值1.05；
——电动机额定电流（A）。
注：国外产变频器容量有的以电动机的额定功率（kW）表示。该容量是依据其本国标准制定的，选用时应校核其变频器的额定电流是否满足要求。
2)风机、水泵类负载选择变频器的容量时，一般按电动机的额定功率选用。
3)恒转矩负载选择变频器的容量， 一般按将电动机的额定功率放大一级选用。
2.变频器的类型选择：
1)风机、泵类负载，TL∝n2 ，低速下的负载转矩较小，通常选用普通功能型控制通用变频器。
2)电梯、自动扶梯等恒转矩负载若采用普通功能型控制通用变频器，需加大电动机和变频器的容量以提高低速转矩，满足负载变化的需要。也可选用恒转矩控制的通用变频器，因恒转矩控制的通用变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，负载适应面宽，不怕冲击，具有推土机特性。
3)恒转矩负载若对动态响应性能要求较高，可采用矢量控制的通用变频器。
3.变频器选择时应注意的问题：
1)为尽量减少谐波污染可能造成的危害，变频器的电源侧宜设进线电抗器(为变频器的选配件)；变顾器的负载侧宜设输出电抗器(为变频器的选配件)；变频器的负载侧馈出线宜采用屏蔽电缆或线缆穿钢管敷设。
2)当变频器的电源电压等级与变频器的额定电源电压等级不符时，可在变频器的电源侧设电源变压器。电源变压器的容量按下式确定：
电源变压器的容量(kV·A) =变频器的输出功率／变频器输入功率因数×变频器效率
本公式中，当设进线电抗器时变频器输入功率因数取0.8～0.85；当不设进线电抗器时变频器输入功率因数取0.6～0.8；变频器效率取0.95；变频器的输出功率为所接电动机的总功率。
通常的工程经验是：电源变压器的容量一般拉变频器容量的130％选用。
3）当需解决风机类设备在设有运行时因外部气流影响可能处于自由低速转动、水泵因逆止阀泄漏倒转，电源从公网供电切换到由变频器供电时电动机不是处于静止状态、瞬时停电电动机自启动等问题时，宜选用有速度搜索功能(也称为再启动功能)的通用变频器。
4)当重要负载要求在瞬间断电、雷击瞬间低电压、电网电压波动(不是解列)等现象后，变频器能自动恢复正常工作时，宜选用有最小电压控制器(也称为直流欠电压控制器）功能或电源恢复正常后自动再启动功能(也称自动再启动功能)的变频器。
5)当要求避免变频器的某段特定频率易引发机械设备发生共振或电气电路振荡造成的变频器过电流保护、系统跳闸事故时，宜选用设有跳跃频率(也称回避频率)功能的通用变频器。
6)当要求PID控制调节风机，泵类的工况时，宜采用有PID控制器功能的通用变频器。
7)当变频拖动系统采用PLC控制器控制或需与BAS通信连接时，宜采用满足响应通信协议并具有通信接口的变频器。
8)对于6kV、10kV电压等级双定子绕组的绕线型异步电动机，可采用中型内反馈流调速三相异步电动机及其外配的变流拒、启动柜、偿柜构成的串级调速系统，此系统较普通串级调速有更高的节能效果，且取消了逆变变压器及相关的开关设备，通过内补偿提高了电动机的功率因数，有效抑制赌波对电网的污染。适用于6kV、10kV电压等级大功率、在有限调速范围场合的线绕转子电动机驱动的风机及泵类负载。
9)3kV、6kV、10kV电压等级笼型电动机的风机及泵类负载需要调速时，宜选用中压静止式变压变频器。
4.4.4 风机、水泵的节能。
1.节能原理。
1)风机、水泵的负载特性。
式中：
——风量（m³/s）、流量（m³/s）；
——风压（Pa）；
——轴功率（kW）；
——负载转矩（N•m）；
——转速（r/min）。
即：风机风量、泵流量的改变与转速成正比；风机风压、泵扬程的改变与转速的平方成正比；风机、泵的轴功率改变与转速、风机风量、泵流量的三次方成正比；风机、泵的轴功率在速度不变时与风机风压、泵扬程成正比。由于风机、泵的电动机的容量是按最大风量及风压、流量及扬程确定的，与空调系统实际需要存在较大的可调整空间，所以系统的设备需要按照风量、风压、流量、扬程等调节电动机的转速，从而改变电动机的输出转矩和输出功率，达到节能效果。
2）按离心式风机功率选择电动机。
式中：P——离心式风机电动机功率（kW）；
Q——送风量（m³/s）；
H——空气压力（Pa）；
——风机效率，约为0.4~0.75；
——传动效率，直接传动时为1；
k——裕量系数，见表4.4.4-1。
表4.4.4-1 离心式风机电动机裕量系数
3）按离心式泵功率选择电动机。
式中：P——离心式泵电动机功率（kW）；
——液体密度（kg/m³）；
Q——泵的出水量（m³/s）；
H——水头（m）；
△H——主管损失水头（m）；
——水泵效率，一般取0.6~0.84；
——传动效率，与电动机直接连接时，
=1；
k——裕量系数，见表4.4.4-2，当管道长、流速高、弯头与阀门的数量多时，裕量系数值适当加大。
表4.4.4-2 离心式泵电动机裕量系数
2.节能措施。
1)设定控制液位、时间，控制泵的启停。
2)调节风机、泵类风门(挡板)，阀门，控制风量、流量。
对于风机类、泵类负载，当流量在90％～100％范围内变化时，通过风门控制器、阀门控制器控制风门(挡板)、阀门的开度，与电动机调速的节能效果相近，不必采取电动机调速措施。
3)调速节能：
①电动机定子调压。交流异步电动机定子调压一般采用双向晶闸管调整电压实现无级调速，为转差功率消耗型的调速系统。由于风机、泵类负载转差功率损耗系数均较小，较适用于要求风量、流量在50％～100％范围内变化、平滑启动、短时低速运行的风机、泵类负载。
电风扇、风机盘管风机等采用单相交流异步电动机，一般采用串电阻调整电动机定子电压的有级调速方法。
②电动机变换极对数。风机是按满足风量的最大需求选用的，但实际运行并不固定在最大风量的运行状态。例如：地下车库送排风风机、兼作火灾时排烟的风机，平时排风风量不大，只在汽车尾气浓度超过定值和火灾时排烟才需要加大或在最大排风风量的工况下运行，所以采用接触器切换来改变变极电动机定子绕组接线，获得多个不同转速，改变风量，使风机平时低速运转。
电动机变换极对数调速方法适用于风量、流量在50％～100％范围内变化的场合。
③在转子回路连续调节等效电阻，线绕转子异步电动机在转子回路连续调节等效电阻，用转子电阻斩波调速法改变晶闸管的通断比率，实现无级调速节能、转子电阻斩波调速法是一种低效调速方法，适用于风机、泵类负载风量、流量在50％～100％范围内变化。电动机低速运转比关小阀门开度的耗电还节省得多。
④采用变频调速、静止串级调速，内反馈串级调速。当风量，流量在80％～100％范围内变化时；风量、流量变化大于50％～100％范围时，宜采用高效率的变频调速或静止串级调速，内反馈串级调速，不宜采用变压、转子回路串电阻、电磁转差离合器等低效率调速方法。静止串级调速、内反馈串级调速均属静止低同步串级调速，转差功率只能从转子输出，在同步转速以下调速，取代转子串电阻调速，适用于大功率风机，泵类的变速驱动。
供水泵类负载的控制普遍采用以压力或流量、速度为参量的双闭环控制系统。
YQT系列中型内反馈交流调速三相异步电动机是专门为风机、泵类调速节能设计的，可广泛用于风机、水泵的调速拖动，取代挡板、阀门调节，具有显著的节能效果。
⑤采用电磁调速电动机调速系统。电磁调速电动机调速系统由鼠笼型异步电动机，电磁转差离合器、测速发电机及晶闸管控制装置组成。电磁调速电动机适宜风量、流量在50％～100％范围内变化的小型风机、泵类负载的节能。YCTD系列低电阻端环电磁调速电动机较YCT系列电磁调速电动机效率高10％以上，宜选用YCTD系列低电阻端环电磁调速电动机。但此调速方案节能效果较低，且要求运行环境相对洁净。
⑥恒压供水系统的变频调速。民用建筑中用水量波动大，夜间几乎不用水，用水高峰时需多台水泵同时运行。供水系统宜采用一台泵调速的多泵恒压供水系统，可替代水塔、高位水池、无塔上水等供水方式。
⑦冷冻水变流量供水系统的变频调速。空调系统中，冷冻水的供给应随系统对冷量的需要而改变。若冷冻水泵恒速供水，会在消耗冷量少时造成浪费。所以冷冻水泵的电动机应随冷量需求量的变化改变转速，节约电能，在变流量冷冻水供水系统中，宜采用变频调速，控制冷冻水的流量。
⑧控制风机转速调节冷却风量。中央空调系统风柜风机通过调速调节冷却风量，调速的方法—般采用串电阻调节电动机定子电压的有级调速、变频无级调速、直流电动机(无刷直流电动机)无级调速等。
⑨风机盘管的风机电动机调速。小容量直流电动机较单相异步电动机具有启动转矩大调速性能好等优点，被广泛应用于驱动风机盘管的风机。风机盘管风机采用无刷直流电动机驱动，大大减轻了维护工作量，改善了运行环境，利用调电枢电压实现无级调速，较单相异步电动机改变端电压的有级调速，具有显著的节电效果。