揭秘 | 嚴重影響電機能耗和運行的罪魁禍首

根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，電機能耗約占整個工業(yè)能耗的65％以上，是名副其實的“用電大戶”，因此電機及其驅動裝置已經(jīng)成為了工業(yè)生產流程中最重要且不可或缺的原動力。電機是否穩(wěn)定且高效的運行，會直接影響企業(yè)的正常生產運營和經(jīng)濟效益，對于一些需要連續(xù)生產的行業(yè)尤甚。

但是隨著工業(yè)自動化水平的不斷提高以及電網(wǎng)變得越來越復雜，電能質量正在成為影響電機穩(wěn)定高效運行的“攔路虎”。相信不少設備人都遇到過電機發(fā)熱、振動、停機，甚至燒毀。且不少故障會時常出現(xiàn)，并不會因為維護、維修或者更換設備而消失。

一、三相不平衡

三相不平衡通俗的理解指在電力系統(tǒng)中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過規(guī)定范圍。但是實際上三相不平衡不僅與幅值有關，還和相位有關。按對稱分量法可將電壓或電流分解為正序分量、負序分量與零序分量。

怎么來理解呢？我們來舉例說明：電流的零序分量實際上就是中性線（零線）電流，而正序和負序分量作用于電機，分別產生正序和負序定、轉子電流，由此引起的負序磁場會產生負的機械功率。因此在同樣的轉差率下，電動機軸上的有用機械功率減少，運行效率降低。此外，負序磁場在定轉子上引起額外的鐵耗、銅耗和雜散損耗，致使電機總的損耗率增加。這樣一減一增會引起電動機繞組過熱，降低電動機的能效、可靠性和運行壽命，經(jīng)濟效益差。

一般3.5%的不平衡電壓可使電動機增加約20%的損耗，電機效率下降2-3點。所以最新的國家標準規(guī)定（GB/T 755-2019）對此作了嚴格的規(guī)定：電動機的供電電壓負序分量不應超過正序分量的 1%且零序分量不超過正序分量1%。

另外三相不平衡會導致電機轉子主軸振動加劇，電動機定子電流的負序分量產生的旋轉磁場在轉子繞組中感應出的電流分量為二倍頻，轉子中二倍頻電流與氣隙合成磁場作用產生 100 Hz的交變電磁轉矩作用于轉子軸系。在電和磁的相互作用下，轉子中二倍頻電流分量又會在定子繞組中感應出3倍頻分量。如此相互作用使得定子和轉子繞組中產生了一定的高次諧波的電流分量(定子為奇次，轉子為偶次)，所以相應的合成電磁轉矩不可避免地出現(xiàn)k × 50 Hz( k = 2、4、6……) 交變電磁轉矩，該轉矩會使電機轉子軸系產生振動。往往電機進線電壓不平衡度與電流不平衡度成正比，與機組電機振動值也成正比。

二、諧波

諧波簡單的講就是配電系統(tǒng)中存在的高于基波頻率（50Hz）的高頻信號。我們日常稱呼的諧波指的是頻率為基波的整數(shù)倍的電量，比如3、5、7、9、11、13次諧波等，它們的頻率分別是基波頻率的3、5、7、9、11、13倍。

電網(wǎng)諧波對連接于電網(wǎng)中的電動機的影響表現(xiàn)為電流相對增大，導致發(fā)熱或局部溫升過高，長期的發(fā)熱會使得電機的絕緣提前老化和損壞。一般來說，供電存在諧波的電動機，由于諧波引起的總損耗增加的百分比與由諧波引起的最高發(fā)熱點附加溫升的百分比大致是一致的。國內外的經(jīng)驗表明，如果3、5、7次諧波電壓達到額定電壓的10%-20%時，可導致電機在短時間內燒毀。由于電網(wǎng)諧波也能加劇電動機的磁飽和，這會增大相應的功率損耗和附加溫升，都將不利于電動機的經(jīng)濟與安全運行。

三、電壓暫降

電壓暫降是指電力系統(tǒng)中某點工頻電壓的均方根值突然降低至額定電壓的10%~90%，并在短暫持續(xù)10ms~1min后恢復到正常水平的現(xiàn)象。通常由于電力系統(tǒng)在運行過程中，遭遇雷擊、短路故障重合閘、企業(yè)內外部電網(wǎng)故障和大型設備啟動等而引發(fā)。加之目前大量電機由敏感的電力電子裝置拖動（如變頻器）或外部裝置控制（接觸器等），極易使部分電動機、變頻器停止工作，造成企業(yè)連續(xù)生產的中斷，嚴重的還會發(fā)生爆炸等設備和人身安全事故。

交流接觸器是對電壓暫降較敏感的控制類設備之一，電壓暫降會導致其欠壓跳脫。而變頻器在電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時，變頻器輸入端的交流電壓突然降低, 直流側電壓大于交流側電壓瞬時值, 整流二極管截止, 負載消耗的能量由直流電容儲能和電機轉子的動能提供, 因此直流電壓下降, 電機轉速降低。當直流電壓低于保護閾值時, 保護電路動作變頻器跳閘進而導致下游的電機也停機。

因為許多電機及其驅動處于生產的關鍵位置，比如發(fā)電廠的一類輔機變頻器，一旦出現(xiàn)故障跳閘, 可能造成機組MFT (主燃料跳閘)，這會對電網(wǎng)造成進一步的沖擊，嚴重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

四、過電壓和欠電壓

電機一般在高于額定電壓下運行時，由于鐵芯飽和無功勵磁電流增大，會導致電網(wǎng)功率因數(shù)降低，損耗增大鐵芯發(fā)熱并使電機壽命縮短，故經(jīng)濟效益差。反之，電動機在低于額定電壓下運行時，轉矩等特性下降，電流增大導致電機發(fā)熱，出力減少效率下降，同樣也不經(jīng)濟。

上述這些，其實都是電能質量的問題。

通過對工廠供配電系統(tǒng)進行電能質量“健康”檢查，即可了解實際狀況并采取相應的有效對策，以保證電機高效、經(jīng)濟、可靠、安全的運行。

來源?| 設備人