電機高效節能技術(shù)是電機行業(yè)倍受矚目和快速發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù)。介紹了電機系統的節能潛力，從電極本體節能、變頻調速節能和電極系統節能三個(gè)方面介紹了目前的高效節能電機技術(shù)，并具體分析了幾種節能電機，最后簡(jiǎn)單介紹了各國推廣高效節能電機的情況。
　　1　引言
　　根據國際能源署電動(dòng)機工作組2006年7月的報告，通過(guò)改善電動(dòng)機效率結合變頻調速可以節約世界范圍內的7％的總電能。粗略統計改善電動(dòng)機的效率可以節約其中1/4～1/3的電能；剩余的部分來(lái)自系統整體性能的改善。IEC60034-30“單速三相籠型感應電動(dòng)機的能效分級”標準指出：全世界工業(yè)用電動(dòng)機消耗了總發(fā)電量的30%～40%，提高電機系統的效率，廣泛使用高效電機節能電極，是電力節能的重點(diǎn)和關(guān)鍵。據估計通過(guò)電機系統優(yōu)化其節能潛力可達到30%～50%以上。
歐盟的“提高高效電動(dòng)機和驅動(dòng)的市場(chǎng)份額”SAVEⅡ研究報告指出：工業(yè)用電動(dòng)機消耗電能已占工業(yè)用電消耗的73%。歐盟各工業(yè)部門(mén)電機驅動(dòng)系統消耗電能的比例為：泵類(lèi)22%，風(fēng)機16%，空壓機18%，制冷壓縮機7%，輸送機2%，其他電機為36%，即風(fēng)機、泵類(lèi)、壓縮機類(lèi)共占總消耗電能的63%。而據中國電監會(huì )2008年4月公布的數據，截止到2007年底，中國發(fā)電機總裝機容量已達7.13億千瓦，而電動(dòng)機的裝機容量已達10億千瓦以上。但據統計，國內市場(chǎng)銷(xiāo)售的高效電機只占電動(dòng)機銷(xiāo)售總量的1%左右，電動(dòng)機整體效率比國外先進(jìn)水平低20%-30%。因此我國電機系統節能潛力非常大。
　　2　工業(yè)電機的本體節能
　　縱觀(guān)世界各國的成功經(jīng)驗，電機系統節能都是率先從電機產(chǎn)品本體節能開(kāi)始。工業(yè)用電機分直流和交流二大類(lèi)，據Eu-25(2006)統計數據顯示，歐盟在用的工業(yè)電動(dòng)機中，交流電動(dòng)機占96.2%，直流電動(dòng)機占3.8%。在交流電動(dòng)機中，三相感應電動(dòng)機占87%，單相感應電動(dòng)機占4%，同步電動(dòng)機占5%，交直流兩用電動(dòng)機占4%，三相感應電動(dòng)機又分籠型和繞線(xiàn)型轉子兩種，但繞線(xiàn)型轉子感應電動(dòng)機使用較籠型感應電動(dòng)機少得多?；\型感應電動(dòng)機具有成本較低，可靠性好，維護簡(jiǎn)單，通過(guò)調速驅動(dòng)易于控制等優(yōu)點(diǎn)，且三相籠型感應電動(dòng)機消耗的電能占全部工業(yè)電動(dòng)機消耗電能的90%以上，因此，世界各國都將提高三相籠型感應電動(dòng)機的效率作為提高電機本體效率研究的重中之重。除此之外，近十多年來(lái)發(fā)展較快的節能電機還有稀土永磁電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機等。
　　2.1  高效三相籠型感應電動(dòng)機
　　高效(IE2)或超高效(IE3)的籠型感應電動(dòng)機與普通(IE1)電動(dòng)機相比有如下特點(diǎn)：
　　(１)效率高，IE2比IE1平均高3%，IE3比IE1平均高近5%左右。
　　(２)需使用更多高質(zhì)量的材料。IE2比IE1電機成本高25%~30%，IE3比IE1電機成本高40%～60%左右。
　　(３)由于運行溫度較低，電機壽命更長(cháng)，可降低維護成本。
　　(４)典型設計情況下起動(dòng)電流較大些。
　　(５)轉子慣量較大。
　　(６)額定負載下轉速較高，轉差率較小。
　　在許多電動(dòng)機的工作生命周期中，能量消耗量所占實(shí)際成本比電動(dòng)機采購成本高得多。且低效率電動(dòng)機比高效率電動(dòng)機維護費用更高，壽命更短，但高效節能電機難以通過(guò)市場(chǎng)行為得到大量推廣。究其原因主要是：高效電機需要花費更多的前期成本，而最終用戶(hù)沒(méi)有意識到高效電機壽命周期成本LCC(Life Cycle Cost)的節省，或沒(méi)有從中直接受益，因為預算管理設備資金的人不一定同時(shí)管理著(zhù)能源的使用。
　　2.2  稀土永磁電動(dòng)機
　　稀土永磁材料的磁性能優(yōu)異，它經(jīng)過(guò)充磁后不再需要外加能量就能建立很強的永久磁場(chǎng)，用來(lái)代替傳統電機的電勵磁場(chǎng)。稀土永磁電機不僅效率高，而且結構簡(jiǎn)單，還可做到體積減小，重量減輕。既可達到傳統勵磁電機所無(wú)法比擬的高性能(如超高效、超高速、超高響應速度)，又可以制成能滿(mǎn)足特定運行要求的特種電機，如電梯曳引電機、汽車(chē)專(zhuān)用電機等。稀土永磁電機與電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)相結合，更使電機傳動(dòng)系統的性能提高到一個(gè)嶄新的水平。
　　在工業(yè)領(lǐng)域，作為驅動(dòng)用的稀土永磁電機主要有異步起動(dòng)高效永磁同步電動(dòng)機、變頻供電的永磁同步電動(dòng)機。
　　稀土永磁電動(dòng)機的節能效果較為顯著(zhù)。首先，稀土永磁電機本體效率比變頻器供電感應電動(dòng)機高3%～5%，在電動(dòng)機轉速變化時(shí)，稀土永磁電動(dòng)機的效率變化相對感應電動(dòng)機小得多。如一臺軸功率為100kW的風(fēng)機，配置110kW的感應電動(dòng)機，在n′/nN=1時(shí)，電機效率為93%；在n′/nN=0.5時(shí)，電機效率降為84%；在n′/nN=0.3時(shí)，電機效率只有54%，而稀土永磁電機的運行效率始終保持在90%左右。
　　2.3  開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機驅動(dòng)系統
　　開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機驅動(dòng)系統(SRD)是20世紀80年代初隨著(zhù)電力電子，微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型交流無(wú)級調速驅動(dòng)系統，主要由開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(SRM)，功率變換器，控制器及位置和電流檢測器組成。SRD的運行需要在實(shí)時(shí)檢測的反饋量一般為轉子位置、轉速和電流等，然后根據控制目標綜合這些信息，給出控制指令，實(shí)現運行控制和保護等功能。轉子位置檢測環(huán)節是SRD的重要組成部分，檢測到的轉子位置信號是各相開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行正確邏輯切換的根據，也為速度控制環(huán)節提供速度反饋信號，該系統具有許多顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：
　　(１)電機結構簡(jiǎn)單、堅固、制造工業(yè)簡(jiǎn)單、可工作于極高速，工作可靠，能適用于各種惡劣環(huán)境甚至強振動(dòng)環(huán)境。
　　(２)損耗主要產(chǎn)生于定子，易于冷卻，可允許有較高溫升，從而能以小的體積取得較大的輸出功率。
　　(３)轉矩方向與電流方向無(wú)關(guān)，可較大限度簡(jiǎn)化功率變換器，其可靠性高，系統成本低。
　　(４)起動(dòng)轉矩大，大于額定轉矩2～3倍，起動(dòng)電流小(≤30%額定電流)，低速性能好。
　　(５)在寬廣的轉速和功率范圍內具有高效率；
　　(６)調速范圍廣，調速比大于20：1，調速平滑無(wú)級。
　　(７)在制動(dòng)和電動(dòng)運行時(shí)，同樣具有優(yōu)良的轉矩輸出能力和工作特性。因此，適用于頻繁起動(dòng)或頻繁正反轉運行場(chǎng)合，轉換頻率可達到1000次/h。
　　(８)負載特性好，穩定精度高，在負載大小變化時(shí)，轉速可保持不變。這些優(yōu)點(diǎn)使得開(kāi)關(guān)磁阻電機在家用電器、工業(yè)領(lǐng)域、伺服與調速系統、牽引電機、高轉速電機方面得到了一定的應用。
　　對于開(kāi)關(guān)磁阻電機，應充分利用它所具有的一些特有的優(yōu)越性能，如可運行于極高轉速，可頻繁起動(dòng)和頻繁正反轉，過(guò)載能力強，起動(dòng)轉矩大而起動(dòng)電流很小，可做到低轉速大扭矩，調速范圍很寬，且在寬廣的轉速和功率范圍內具有高效率等優(yōu)點(diǎn)，設計成滿(mǎn)足各種特殊負載特性的專(zhuān)用開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系列產(chǎn)品，以替代這些場(chǎng)合的其他電機，并到達高效節能的目的。
　　3　變頻調速節能
　　鑒于直流傳動(dòng)具有優(yōu)良的調速和啟動(dòng)性能，所以高性能可調速傳動(dòng)都采用直流電動(dòng)機，而約占電氣傳動(dòng)總容量80%的不變速傳動(dòng)則采用交流電動(dòng)機。70年代變頻器的問(wèn)世徹底打破了交直流傳動(dòng)按調速分工的格局，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的研究，變頻技術(shù)從晶閘管(SCR)時(shí)期發(fā)展到今天的大功率晶體管(IGBT，IGCT)和耐高壓大功率晶體管(HV-IGBT)時(shí)期；控制技術(shù)也發(fā)展到今天的矢量控制和直接轉矩控制，且已全數字化，其機械特性硬度能滿(mǎn)足具有一定硬性負載的調速要求現今交流變頻調速傳動(dòng)裝置已有很好的運行特性，并可作為現場(chǎng)級與自動(dòng)化級連接在一起，應用更靈活，通信更自由，對供電系統也可實(shí)現無(wú)干擾，應用范圍幾乎涉及到整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。
　　變頻調速技術(shù)用于節能，目前用得最多的是對風(fēng)機、泵類(lèi)負載設備的調速節能。這一方面是因為風(fēng)機、泵類(lèi)系統消耗了工業(yè)電動(dòng)機用電的 40%左右；另一方面是由于風(fēng)機、泵類(lèi)負載的轉矩與轉速的平方成正比，在選型裕量過(guò)大和需減少風(fēng)量(流量)時(shí)，變頻調速的節能效果尤其顯著(zhù)；另外，在使用風(fēng)機泵類(lèi)設備的大部分場(chǎng)合，對變頻調速的控制精度，動(dòng)態(tài)性能要求不高，變頻器的成本相對較低，控制較簡(jiǎn)單，便于推廣。
　　4　電機系統節能
　　電機系統節能通常是指從電機起動(dòng)開(kāi)關(guān)開(kāi)始直至拖動(dòng)的裝置產(chǎn)出產(chǎn)品(流體)能量的最終消耗。它包括電機起動(dòng)開(kāi)關(guān)、供電饋線(xiàn)，電機速度控制裝置，電動(dòng)機、聯(lián)軸器(或其他聯(lián)結方式如齒輪聯(lián)結、皮帶聯(lián)結、蝸輪蝸桿聯(lián)結等)、拖動(dòng)裝置(泵、風(fēng)機或壓縮機等)、拖動(dòng)裝置產(chǎn)出的產(chǎn)品(一般為液體和氣態(tài)流體)、輸送管線(xiàn)、終端負載