电机实验室主任谈：高效管理电机和变频器的技巧

客户一般在实验室中进行见证测试，这样可以让多名工程师参与其中。图片来源 ：Advanced Energy

作者：Michael Lyda

为什么电机和驱动系统的高效管理很重要？据估计，电机驱动系统所消耗的电量，约占世界发电总量的一半。电机驱动的负载可能占您设施能源账单的很大一部分。随着时间的推移，拥有高效的电机管理系统并利用变频器的节能机会可为您的工厂节省大量成本。

Advanced Energy 公司的电机实验室主任 Michael Lyda 在电机系统测试和管理方面有着丰富的经验，他最近向工程师们分享了如何简化电机管理实践、快速提高过程可靠性和降低能源成本的实践和技巧。

在理想的情况下，首先需要平衡电压。例如，如果您所在位置有三相 380V 电源， 则这些相位应平衡到至少 1% 或更好的范围内。相间电压越不平衡，对电机效率和长期可靠性的不利影响就越大。如果电机长时间在如此高的不平衡状态下运行，从长远来看肯定是要产生更多成本的。业界普遍的认知是“每 1% 的电压不平衡就会造成 7% 的电流不平衡”。当电压不平衡时，三相线中至少有一个电流可能会远远超过电机的额定值。

其次，电机应与负载对齐，以尽可能减少机械振动。这通常通过良好的轴对中来实现。拥有激光对准工具可能是您工具箱的一个很好的补充，特别是如果您在内部进行大量电机安装。否则，请验证服务提供商是否正在使用某种类型的精密对准工具。

第三，需要一个干净的电机环境。考虑到工业应用的苛刻环境，这并不总是可行的。但一般来说，只要确保电机没有污染物即可。如果电机有风扇，请保持风扇畅通无阻，以便空气可以适当地穿过电机以实现良好的冷却。如果您处于灰尘较多的区域，请经常清洁风扇叶片。当然，在执行任何类似操作之前， 请确保您的电机已断电。

第四，电机的环境温度很重要。如果电机铭牌上标明了最高环境温度，应确保应用符合规定。如果您看到环境温度始终高于电机铭牌上的额定值，则电机很可能需要对该 应用进行降额。

一般来说，与效率较低的电机相比，高效的电机将具有更多的铜和钢以及更小的风扇，尽管这只是一般而言。钢和铜的增加使电机的重量更重，更多的材料也意味着更多的钱，更高效的电机通常更昂贵。

高效的电机通常运行温度更低。人们可能会有一个常见问题，当设备上只有一个较小的冷却风扇时，如何让设备运行得更凉爽？答案之一是，由于绕组电阻较低，效率更高的电机可能会具有更低的工作电流。这意味着定子的功率损耗会更少。当然，更低的损耗也会带来更高的整体效率。

从长远来看，效率低下和功率因数低会让用户付出代价，而电机尺寸过大是整个行业的普遍问题。如果应用需要 15 马力的电机，采购人员有时可能会认为购买 20 马力的电机可能会使电机使用寿命更长，但通常情况并非如此。

▎用于测试的大型测功机。在该图中，与测功机相连的电机是一台 200 马力的发动机。

来自美国电气和电子工程师协会 (IEEE) 的调查显示，51% 的电机故障来自轴承的问题。例如润滑不足或者过度润滑，错误的润滑脂，错位或角度不对中，轴承振动以及过热等。

电机故障的另外一个主要原因是定子绕组问题，大约占比 16%。其特点是短路或开路，这些可能是由反复过载和电机过热引起的，从而导致绕组出现一些问题。

电机制造质量绝对会在电机可靠性和长期寿命方面发挥重要作用。作为维修人员，您可以做任何事情，但是如果电机在出厂时出现质量问题，它仍然可能会过早出现故障。

最基本、最有用的预防性维护技术之一可能是动用您的感官。例如，及时发现电机引线和电线的零件变色，感受电机的强烈振动和外壳上的过热，闻到机器发出的异味或烧焦味，以及聆听是否有过多或异常的噪音等。

热量会“杀死”电机。是什么导致电机发热？可能的因素包括环境温度高、风扇堵塞、冷却通风口堵塞、电机过载超过额定负载等。当然，也包括电机端子的电能质量问题。典型的电能质量问题包括电压不平衡、单相、相位下降或相对接近的非线性负载，它们会导致电压和电流失真，也被称为谐波。

维护人员的主要目标之一是防止故障。通过适当的电机维护来限制停机时间可以减 轻压力。

首先，我们需要检查一些机械条件。即使电机在安装时对准良好，在运行过程中各种因素也会导致未对准。如果电机本身开始发出一些响亮或奇怪的噪音，请将其关闭并验证对齐。您可以使用简单的直边验证平行对齐。要检查角度偏差，您可能需要一个伸缩式量规，并不是每个人的标准工具箱中都有。

▎尽管许多感应电机可能相似，但建造质量将决定可靠性和生命周期。电机构造检查可以分析电机构造的质量并就潜在改进提出建议。

其次，需要保持电机轴承的良好润滑。轴承故障是电机故障的主要原因。按照制造商推荐的间隔润滑电机轴承，并确保使用推荐的正确类型和数量的润滑脂。润滑驱动端轴承和非驱动端轴承。在添加润滑脂之前，确保润滑脂块是干净的，以免污染物进入润滑脂。

此外，还要检查风扇是否有障碍物，并确保任何时候都没有杂物进入风扇罩内。然后对于一些电气问题，请随身携带一个万用表来验证您的相间电压。如果您可以接触到电机端子，请检查平衡电压。

如果您将电机安装在接触器上，请定期检查接触器端子是否有积碳或污染物堆积，特别是像传送带或印刷机之类的应用。还要注意接触器上的电弧或随着时间的推移点蚀。如果您可以使用安培计或电流计，还可以使 用它们来验证电机导线上的电流强度。获得安培数读数后，将这些读数与电机铭牌满载安培数进行比较。

在电机断电的情况下，还可以检查电机的绕组电阻。电机应具有平衡的相间电阻。如果电机很热，并且您可能想将绕组电阻与原始制造商的值进行比较，那么您需要让电机冷却一段时间才能进行比较。

如果电阻不平衡，那么您可能需要使用 Megger 或其他工具进行一些介电测试。当然，对于所有这些，只有经过专业培训的人员才能完成维护程序并使用上述任何设备。

相关统计显示，一台电机在其使用寿命期间消耗的电力成本平均下来至少是其购买价格的 50 倍。电机采购价格仅占电机寿命成本的 2% 至 3%，剩下的一小部分用于维护和保养，而电机生命周期成本的绝大部分是用电量。

大约 80% 发生故障的电机被维修而不是更换，而只有一小部分最终用户在决定修理或更换故障电机时会考虑能源成本。

电机管理系统的主要组成部分包括三个方面：采购、运营和维护，最后做出维修还是更换的决定。一个好的电机管理系统可以帮助制造企业减少能耗、降低成本、增加产量和缩短停机时间。

对于采购，应该先制定采购规范。需要考虑生命周期成本，而不是只考虑初始成本。标准化的采购流程让您更轻松地订购所需的产品，总体上花费的时间也更少。采购人员需要经过专业培训。为您最关键的机器购买备件，建立备件库存。

对供应商进行资格预审，在某些情况下，甚至需要进行测试。电机效率是电机管理中的一个重要因素。如今，许多电机都受到效率监管，并且必须满足在法规中的最低效率要求。

电机铭牌上列出的效率数字不一定是它实际运行时的效率。它可以更高，也可能会更低，而很多经验显示，大多数时候它会更低。对您的电机供应商进行质量检查总是很好的，以确保电机制造质量和运行效率不会随着时间的推移而下降。

电机维护也是良好电机管理系统的一个重要组成部分。首先，确保您的供应商提供高质量的维修。与制定采购规范类似，您应该制定维修规范。任何经认可的维修计划的目标都是确保您的电机得到最高质量的维修， 并且所使用的过程是标准化的，可以对每台电机进行时时跟踪。

维修供应商通常会保留他们为您维修或翻新过的电机的记录，因此他们可以帮助您跟踪管理系统。与您的供应商保持开放的沟通渠道。一旦您拥有电机管理系统，可以跟踪电机故障以及能源成本与生产的关系，您就可以使用这些数字来更新和改进您的策略。

▎当电网供电给电机时，可以看到干净的正弦波。一旦将变频器添加到电路中，变频器的电容特性将导致系统中出现电压和 电流谐波。

变频器是一种用于调节电动机速度的装置。可以将电网电源连接到变频器的输入端子，然后将变频器的输出端子连接到电机。变频器在速度控制、过程控制、消除电机的高浪涌电流、在所有负载下保持高功率因数和增加节能潜力方面都非常有益。

但是，变频器也有一些缺点，包括额外的资本投资、系统中增加的谐波、可能由于错误编程而导致的误跳闸，甚至可能会缩短电机寿命。变频器并不适合所有应用。在开始添加变频器之前，请仔细检查您的应用要求。

如果变频器的编程或尺寸不正确，您可能会在应用中遇到麻烦的跳闸。而且，如果变频器的应用不当可能会缩短电机寿命。变频器导致电机寿命缩短的方式有很多。其中一种是使电机过热。根据实验室的经验，先在 60Hz 下，利用电网电源驱动电机，然后同样在 60Hz 下，让变频器驱动同一电机， 预计会出现 10 到 15 度的温升。

当您走进工厂设施时，如果使用了变频器，您可能会听到一些高音调的可听噪音。这称为开关频率或载波频率，对于工业应用中的标准商用变频器，通常为 2 到 20 kHz。这就是任何变频器与电机之间的连接，需要使用变频器专用电缆的原因之一。无论如何， 大多数变频器制造商都建议这样做，尽管专用电缆比标准电缆贵，但使用专用电缆有助于减轻噪音问题。

此外，变频器也不适合添加到高负载的应用中。变频器本身确实会消耗一些能量。如果您将变频器安装在电机上并且电机接近满载运行，则会为电路增加不必要的功率， 实际上会增加您的用电量。在这里添加变频器没有意义。当我们的应用负载为中等或较低，甚至有些负载低于 50%，但总体运行时间仍然很高。这是添加变频器比较好的时机，也是显着节能的绝佳机会。

由于变频器发送到电机的脉宽调制信号， 电机端子实际上可能会看到机器额定电压 3 到 4 倍的峰值电压。更高质量的变频器有助于减轻这种情况。当变频器和电机之间有很长的引线时，这个问题变得尤其严重，而这在工业设施中很常见。

如何减轻谐波和反射波问题？一种方法很简单，在变频器和电机之间使用较短的电缆。但这并不总是可行的。您还可以购买带有变频器的可选线路电抗器或负载电抗器。也有可用的滤波器可以为系统增加电感。添加滤波器和电抗器可以将谐波失真降低到更合理的水平，但您需要权衡利弊。

与电机寿命一样，变频器寿命取决于环境和运营条件。确保变频器在其规格书所规定的环境温度范围内运行，保持冷却通风口畅通，并确保风扇正常工作。需要注意的是，在运行过程中，变频器风扇可能会根据电流消耗情况反复打开和关闭。较高的电流会导致变频器散热器升温更多，因此在较低负载下，风扇可能不会启动。

问 ：是否有软件工具可以有效计算电机消耗的实际功率？

答 ：大多数测量设备都应配置某种类型的软件。我们在实验室中使用的 Yokogawa 高精度精密功率分析仪以及 National Instruments 数据采集硬件和 LabVIEW 软件。用于现场测量和验证的仪表，我喜欢使用 Fluke 355。它可以提供电压、电流和功率因数。它比标准的万用表贵，但您可以获得实际功率数据，可用于计算功率因数。

问 ：请谈谈变频器上的电机冷却风扇的问题。安装变频器会影响工厂功率因数吗？

答 ：在变频电机的铭牌上，会标明恒定转矩 (CT) 和可变转矩 (VT) 额定值。只要负载在这些限值范围内工作，就不需要额外的外部冷却。如果在这些转速 / 扭矩范围之外运行，应咨询电机制造商。安装变频器会增加 系统的电容，因此，如果目前主要是感性负载（即很多电机），则功率因数可能会因为添加变频器而得到改善。如果您的主要负载是照明、其它电容性电源或纯电阻性电源，那么变频器不会提高功率因数，甚至可能会使 情况变得更糟。

问 ：如果安装了冗余电机 / 泵，运行它们的最佳做法是什么？

答 ：如果配置了冗余或备用电机 / 泵， 可以与主电机 / 泵交替使用，以确保随着时间的推移，两台机器的磨损相同。每个电机 / 泵组合都可以轮流作为备用，然后选择您认为适用的任何时间间隔，比如每周、每月或 其它间隔。

问 ：在电机不运行时关闭电机是否有意义？频繁重启会造成磨损吗？

答 ：如果应用需要频繁重启，您可能不想完全关闭电机。在这方面，变频器和过程控制可以提供帮助。当不需要负载时，变频器会使电机减速停止，当需要时，变频器可以在没有极端浪涌电流（就像异步启动）的情况下为电机加速。

问 ：您提到过大的电动机效率低下。变频器能否克服这种负载匹配效率低下的问题？

答 ：对于可变负载应用，可以对变频器进行编程，以在较低负载工况下降低电机转速。根据相似定律，降低机器转速可以节省能源。但是，在新建项目中，变频器和电机应尽可能与负载匹配，以实现最大能效。请记住，较大的电机比较小的电机具有更高的感应电流。例如，如果应用是 5 马力，但使 用 10 马力的电机，则负载仅为 50%，这时您无法获得应有的效率，并且由于电流消耗的更多，所消耗的功率就会更大。

问 ：在变频器的线路侧测量时，会对功率因数产生什么影响？

答 ：变频器通常会提高系统的功率因数， 因为变频器的电容会“抵消”电机和配电线路的电感。如果变频器的规格合适且电机接近满载运行，则功率因数应该很高。然而，并非所有变频器都是完全匹配的。在实际应 用中也碰到多个变频器显示线路侧功率因数不佳的情况。