揭秘 | 严重影响电机能耗和运行的罪魁祸首

根据工信部数据，电机能耗约占整个工业能耗的65％以上，是名副其实的“用电大户”，因此电机及其驱动装置已经成为了工业生产流程中最重要且不可或缺的原动力。电机是否稳定且高效的运行，会直接影响企业的正常生产运营和经济效益，对于一些需要连续生产的行业尤甚。

但是随着工业自动化水平的不断提高以及电网变得越来越复杂，电能质量正在成为影响电机稳定高效运行的“拦路虎”。相信不少设备人都遇到过电机发热、振动、停机，甚至烧毁。且不少故障会时常出现，并不会因为维护、维修或者更换设备而消失。

一、三相不平衡

三相不平衡通俗的理解指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。但是实际上三相不平衡不仅与幅值有关，还和相位有关。按对称分量法可将电压或电流分解为正序分量、负序分量与零序分量。

怎么来理解呢？我们来举例说明：电流的零序分量实际上就是中性线（零线）电流，而正序和负序分量作用于电机，分别产生正序和负序定、转子电流，由此引起的负序磁场会产生负的机械功率。因此在同样的转差率下，电动机轴上的有用机械功率减少，运行效率降低。此外，负序磁场在定转子上引起额外的铁耗、铜耗和杂散损耗，致使电机总的损耗率增加。这样一减一增会引起电动机绕组过热，降低电动机的能效、可靠性和运行寿命，经济效益差。

一般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点。所以最新的国家标准规定（GB/T 755-2019）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%且零序分量不超过正序分量1%。

另外三相不平衡会导致电机转子主轴振动加剧，电动机定子电流的负序分量产生的旋转磁场在转子绕组中感应出的电流分量为二倍频，转子中二倍频电流与气隙合成磁场作用产生 100 Hz的交变电磁转矩作用于转子轴系。在电和磁的相互作用下，转子中二倍频电流分量又会在定子绕组中感应出3倍频分量。如此相互作用使得定子和转子绕组中产生了一定的高次谐波的电流分量(定子为奇次，转子为偶次)，所以相应的合成电磁转矩不可避免地出现k × 50 Hz( k = 2、4、6……) 交变电磁转矩，该转矩会使电机转子轴系产生振动。往往电机进线电压不平衡度与电流不平衡度成正比，与机组电机振动值也成正比。

二、谐波

谐波简单的讲就是配电系统中存在的高于基波频率（50Hz）的高频信号。我们日常称呼的谐波指的是频率为基波的整数倍的电量，比如3、5、7、9、11、13次谐波等，它们的频率分别是基波频率的3、5、7、9、11、13倍。

电网谐波对连接于电网中的电动机的影响表现为电流相对增大，导致发热或局部温升过高，长期的发热会使得电机的绝缘提前老化和损坏。一般来说，供电存在谐波的电动机，由于谐波引起的总损耗增加的百分比与由谐波引起的最高发热点附加温升的百分比大致是一致的。国内外的经验表明，如果3、5、7次谐波电压达到额定电压的10%-20%时，可导致电机在短时间内烧毁。由于电网谐波也能加剧电动机的磁饱和，这会增大相应的功率损耗和附加温升，都将不利于电动机的经济与安全运行。

三、电压暂降

电压暂降是指电力系统中某点工频电压的均方根值突然降低至额定电压的10%~90%，并在短暂持续10ms~1min后恢复到正常水平的现象。通常由于电力系统在运行过程中，遭遇雷击、短路故障重合闸、企业内外部电网故障和大型设备启动等而引发。加之目前大量电机由敏感的电力电子装置拖动（如变频器）或外部装置控制（接触器等），极易使部分电动机、变频器停止工作，造成企业连续生产的中断，严重的还会发生爆炸等设备和人身安全事故。

交流接触器是对电压暂降较敏感的控制类设备之一，电压暂降会导致其欠压跳脱。而变频器在电网发生电压暂降时，变频器输入端的交流电压突然降低, 直流侧电压大于交流侧电压瞬时值, 整流二极管截止, 负载消耗的能量由直流电容储能和电机转子的动能提供, 因此直流电压下降, 电机转速降低。当直流电压低于保护阈值时, 保护电路动作变频器跳闸进而导致下游的电机也停机。

因为许多电机及其驱动处于生产的关键位置，比如发电厂的一类辅机变频器，一旦出现故障跳闸, 可能造成机组MFT (主燃料跳闸)，这会对电网造成进一步的冲击，严重影响电网的稳定运行。

四、过电压和欠电压

电机一般在高于额定电压下运行时，由于铁芯饱和无功励磁电流增大，会导致电网功率因数降低，损耗增大铁芯发热并使电机寿命缩短，故经济效益差。反之，电动机在低于额定电压下运行时，转矩等特性下降，电流增大导致电机发热，出力减少效率下降，同样也不经济。

上述这些，其实都是电能质量的问题。

通过对工厂供配电系统进行电能质量“健康”检查，即可了解实际状况并采取相应的有效对策，以保证电机高效、经济、可靠、安全的运行。

来源 | 设备人