2024年3月23日发(作者：机芳洲)

关于电动机节电的技术分析

电机班——姚驰宇

电动机作为将电能转化为机械能的一种转换装置，在各个领域得到了广泛应用，电动

机消耗的电能约占全国总用电60%～70%。电动机节电应以节约用电和提高电动机的综合

效益为原则，合理选择并控制电动机的运行，使其处于经济运行状态，另外，对电动机进

行节能改造，降低电动机的能量损耗，从而提高电动机的运行效率。

第一部分 电动机的能量损耗

电动机能量损耗主要包括恒定损耗、负载损耗及杂散损耗。

1.恒定损耗

恒定损耗是指电动机运行时的固有损耗，它与负载电流大小无关，包括铁芯损耗和机

械损耗。

（1）铁心损耗

P

Fe

（含空载杂质损耗），主要指主磁场在电动机铁心中交变所引起的涡

流损耗和磁滞损耗，其大小取决于组成电动机的铁心材料、频率及磁通密度，与输入电压

U的平方成正比。铁耗一般占异步电动机总损耗的20%～25%。

（2）机械损耗

P

fW

,通常包括轴承摩擦损耗及通风系统损耗，对于绕线式转子还存在电

刷摩擦损耗。轴承摩擦损耗正比于转速的平方，通风损耗正比于转速的三次方。机械损耗

一般占总损耗的10%～50%。

2.负载损耗

负载损耗主要是指电动机运行时，转子、定子绕组通过电流而引起的损耗，包括定子

铜耗

P

Cu1

和转子铜耗

P

Cu2

，其大小取决于负载电流及绕组电阻值，铜耗约占总损耗的20%～

70%。

3.杂散损耗（附加损耗）

杂散损耗

P

s

主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其他金属

部件内所引起的损耗，杂散损耗约占总损耗的10%～15%。

第二部分 电动机的经济运行

1.电动机经济运行

电动机经济运行是指电动机在满足生产机械运行要求时，以节能和提高综合经济效益

为原则，选择电动机类型，运行方式及功率匹配，使电动机在效率高、损耗低、经济效益

最佳状态下运行。

2.效率特性

电动机的效率与输出功率

P

2

之间的关系称为效率特性，它是异步电动机的一个重要性

能指标。

效率等于输出功率

P

2

与输入功率

P

1

之比，即





P

2

P

2



P

1

P

2

P

，

PP

Cu1

P

Cu2

P

s

P

Fe

P

fW

（2-1）

其中，铁损耗

P

Fe

和机械损耗

P

fW

基本不变称为固定损耗；定子损耗

P

Cu1

、转子损耗

P

Cu2

和

杂散损耗

P

s

随负载变化称为可变损耗。当固定损耗和可变损耗相等时，电动机的效率最高，

此时电动机的负载率为经济负载率。

由以上分析可知，异步电动机的功率因数和效率都是在额定负载附近达到最大值，因

此选用电动机时，应使电动机容量与负载容量相匹配，若电动机容量选择过大，电动机长

期处于轻载运行，投资、运行费用高，不经济。电动机容量选择过小，将使电动机过载而

造成发热，影响其寿命，甚至损坏。

第三部分 节电方法

1.降压法节电

1.基本原理

由前面的理论可知，当电动机的固定损耗和可变损耗相等时，其效率为最高，此时的

电动机的负载率为经济负载率。电动机在低负载率运行时，可利用降低电源电压的方法降

低电动机的损耗。

电源电压降低后，将对电动机的各种损耗产生影响。

设电动机的额定电压为

U

N

'

U

，降低电源后的电压为，

U

'

2

PP

Fe

()

U

N

（2-2） 则降压后铁心损耗为：

'

Fe

可见，降低电源电压后铁耗降低与电压的平方成正比。

1s

2'

P

fW

P

fW

()

1s

N

（2-3） 降压后机械损耗为：

由于降压后转差率的变换小，可认为机械损耗变化不大，可以忽略不计。

电源降压后转子的有功电流近似为：

'

I

W

I

W

U

N

U

'

（2-4）

U

'

II

Q

U

N

（2-5） 电源降压后的无功电流为：

'

Q

则电动机降压后的总电流为：

''

I'I

W

I

Q

22

（2-6）

降压后电动机的铜耗为：

PIR

=

'

Cu

'

2

(I

2

W

2

U

N

U

'

2

U

'

I)R

2

U

N

（2-7）

2

Q

2

电压降低后，电动机的铜耗随电压降低的程度而变化，电压降低到合适的值时，铜耗

也相应降低,由此可见在一定的条件下适当降低电源的供电电压可以减小电动机的总的有

功损耗。

2.降压实现的方法

可以通过调节变压器的分节头、加装自藕变压器、电抗器、电容器可控硅调压器、电

压自动调节装置等。

3.△--Y转换节电法

△一Y转换法即是通过检测电动机的负载率，当负载率低于一门限值时，将电动机的接

线由三角形转换为星形接法，相当于将电动机的电源电压由380V降低到220V．此时铁耗

下降2／3。由于电动机的转矩与电压的平方成正比，且转速基本不变，故电动机的最大输

出功率降低到原来的l／3。当负载率升高时，则转换为三角形接法，此时电动机由额定电

压供电，输出功率恢复到额定值。这种转换方法为分级降压，只有两档，并且结构简单、

可靠，无谐波电流对电网的污染和电机绕组杂散损耗的增加，特别适用高、低负载率交替

工作的情况。

2.变频调速器节电法

1.变频调速器的原理

原理：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为某一频率的电能控

制装置。我们现在使用的变频器主要采用交一直一交方式。先把工频交流电源通过整流器

转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。

我们知道交流电动机的同步转速表达式为：

n

60f

1

(1s)

p

（2-8）

变频调速器是通过改变供给电动机的电源频率来改变电动机的转速，其中,

f

1

为供电电

源的频率，p为电动机的极对数，s为转差率，因此，改变

f

1

可以改变电动机的转速。

2.变频调速器的应用

变频器节能主要的体现就是风机和泵。

风机、泵的控制：一般的风机、泵控制为交流电机工作在工频，按额定转速转动，风

量、水量等的大小由一个阀门来控制，如果要求风量(水量)很小的情况下就使对应的风道

阀门关小，这样风量(水量)很小的时候电机仍然工作在额定功率。采用变频调节,调节变频

器输出给电机的频率，降低电机转速来控制风量，即使将变频器使用的损耗包括在内也同

样省电。例如：水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即P=Kn，其中P为水泵消耗功率：

3

n为水泵运行时的转速；K为比例系数。变频调速和智能控制技术可以使水泵运行的转速随

流量的变化而变化，最终达到节能的目的。用阀门控制水泵流量时，部分有功功率被损耗

浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。如果采用降低电机转速的方式进行

控制，就避免了消耗在阀门的有功功率。这样，在转运同样流量的情况下，仅需要输入较

低的功率，获得节能效果。

3.异步电动机变频调速的运行方式分析

为保证电机的性能和材料的有效利用，在调速时只要保持好

U

1

/f

1



常数，就可以保持

电机气隙磁通不通，就可实现恒磁通变速调速，也即恒转矩调速。电源电压和频率成比例

下降，异步电机变频调速的运行方式即为电压和频率的关系。设电压调节比

a

u

U

1

/U

1N

；

频率调节比

a

f

f

1

/f

1N

f

1N

U

1N

(,

U

1

为实际调节频率和调节电压)。为额定频率和额定电压；

f

1

、

a

则控制方式可用

a

u



=F(

f

)表示。近似恒磁通运行,根据在异步电动机中，由电机学知识可

知

E

1

C

E



m

f

1

（2-9）

E

1N

C

E



mN

f

1N

（2-10）

式中,

C

E

2



W

1

K

W1

——电势常数； （2-11）

其中，W

1

K

W1

——定子每相绕组的等效匝数；Φ

m

及Φ

mN

为任意频率时每极磁通和额

定频率时的每极磁通。

在一般情况下，定子绕组的漏阻抗所引起的电压降与电机的端电压相比可以忽略，即

U

1

和E

1

可以认为近似相等，则

U

1

≈

E

1

C

E



m

f

1

（2-12）

U

1N

≈

E

1N

C

E



mN

f

1N

除得

（2-13） 两式相



U

1

f



m

•

1

U

1N



mN

f

1N

（2-14）

由于近似恒磁通控制的磁通可以看成



m





mN

，所以有

（2-15）

即 α

u

=α

f

（2-16）

此即为电压和频率成比例的控制方式。

根据电机学可知，异步电机的转矩公式是

T=C

T



m

I

2

cos



2

em

'

（2-17）

式中，C

T

——转矩常数；I——转子每相电流的折算值；

cos



2

'

2

——转子侧功率因数，一般可视为常数。

由于风机类负载的性质是转矩和转速的平方成正比，即

T

em

=nT

N

2

（2-18）

因此当磁通近似不变时，由式( 3-23 )及式( 3-24)可得

I∝T

em

∝n， （2-19）

2

'

2

如把转子电流近似视作电机电流，则这种方式的电流和转速平方成正比。随着转速的

降低，电流急剧减小，虽使导线利用不足，却使铜耗大大减小。因此，比较适用于负荷重

的场合，由于电流大，铜耗大，降低铜耗对提高效率有利。

电机交流变频凋速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动

技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效频、高功率因数

和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

变频器能将50Hz的工频交流电变换成频率连续可调(通常为0～400Hz)的交流电。采用变

频器供电，启动稳定出力，完全改变电动机原有的满载、空载周期性变化的工作方式，而

是工作于恒定负载状态。这样，电动机的转速可降低到原来的40％～70％，大大改善了电

动机的工作条件，提高了电能的利用率，一般变频凋速器的有功节电率在30％～50％以上。

第四部分 电动机节电的组织措施

电动机的节约用电既是一个技术问题，也是一个组织问题，因为必须注意以下一些工

作。

1.新购电动机，应首先考虑选用高效节能电动机，然后再按需要考虑其他性能指标，

以避免事后再来进行节电改造，浪费人力和物力。

2.对于一些效率和功率过低的电动机应停止使用，更换新的高效电动机。

3.对全体工人进行有针对性的节电方法培训。

在日常生活中，这些节电的方法和措施可以分别采用，也可以多项采用，随着科学技

术的不断发展，人们对电动机能耗节电工作的认识也会不断增强，一些新的节电的方法也

会不断产生。

2024年3月23日发(作者：机芳洲)

关于电动机节电的技术分析

电机班——姚驰宇

电动机作为将电能转化为机械能的一种转换装置，在各个领域得到了广泛应用，电动

机消耗的电能约占全国总用电60%～70%。电动机节电应以节约用电和提高电动机的综合

效益为原则，合理选择并控制电动机的运行，使其处于经济运行状态，另外，对电动机进

行节能改造，降低电动机的能量损耗，从而提高电动机的运行效率。

第一部分 电动机的能量损耗

电动机能量损耗主要包括恒定损耗、负载损耗及杂散损耗。

1.恒定损耗

恒定损耗是指电动机运行时的固有损耗，它与负载电流大小无关，包括铁芯损耗和机

械损耗。

（1）铁心损耗

P

Fe

（含空载杂质损耗），主要指主磁场在电动机铁心中交变所引起的涡

流损耗和磁滞损耗，其大小取决于组成电动机的铁心材料、频率及磁通密度，与输入电压

U的平方成正比。铁耗一般占异步电动机总损耗的20%～25%。

（2）机械损耗

P

fW

,通常包括轴承摩擦损耗及通风系统损耗，对于绕线式转子还存在电

刷摩擦损耗。轴承摩擦损耗正比于转速的平方，通风损耗正比于转速的三次方。机械损耗

一般占总损耗的10%～50%。

2.负载损耗

负载损耗主要是指电动机运行时，转子、定子绕组通过电流而引起的损耗，包括定子

铜耗

P

Cu1

和转子铜耗

P

Cu2

，其大小取决于负载电流及绕组电阻值，铜耗约占总损耗的20%～

70%。

3.杂散损耗（附加损耗）

杂散损耗

P

s

主要由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其他金属

部件内所引起的损耗，杂散损耗约占总损耗的10%～15%。

第二部分 电动机的经济运行

1.电动机经济运行

电动机经济运行是指电动机在满足生产机械运行要求时，以节能和提高综合经济效益

为原则，选择电动机类型，运行方式及功率匹配，使电动机在效率高、损耗低、经济效益

最佳状态下运行。

2.效率特性

电动机的效率与输出功率

P

2

之间的关系称为效率特性，它是异步电动机的一个重要性

能指标。

效率等于输出功率

P

2

与输入功率

P

1

之比，即





P

2

P

2



P

1

P

2

P

，

PP

Cu1

P

Cu2

P

s

P

Fe

P

fW

（2-1）

其中，铁损耗

P

Fe

和机械损耗

P

fW

基本不变称为固定损耗；定子损耗

P

Cu1

、转子损耗

P

Cu2

和

杂散损耗

P

s

随负载变化称为可变损耗。当固定损耗和可变损耗相等时，电动机的效率最高，

此时电动机的负载率为经济负载率。

由以上分析可知，异步电动机的功率因数和效率都是在额定负载附近达到最大值，因

此选用电动机时，应使电动机容量与负载容量相匹配，若电动机容量选择过大，电动机长

期处于轻载运行，投资、运行费用高，不经济。电动机容量选择过小，将使电动机过载而

造成发热，影响其寿命，甚至损坏。

第三部分 节电方法

1.降压法节电

1.基本原理

由前面的理论可知，当电动机的固定损耗和可变损耗相等时，其效率为最高，此时的

电动机的负载率为经济负载率。电动机在低负载率运行时，可利用降低电源电压的方法降

低电动机的损耗。

电源电压降低后，将对电动机的各种损耗产生影响。

设电动机的额定电压为

U

N

'

U

，降低电源后的电压为，

U

'

2

PP

Fe

()

U

N

（2-2） 则降压后铁心损耗为：

'

Fe

可见，降低电源电压后铁耗降低与电压的平方成正比。

1s

2'

P

fW

P

fW

()

1s

N

（2-3） 降压后机械损耗为：

由于降压后转差率的变换小，可认为机械损耗变化不大，可以忽略不计。

电源降压后转子的有功电流近似为：

'

I

W

I

W

U

N

U

'

（2-4）

U

'

II

Q

U

N

（2-5） 电源降压后的无功电流为：

'

Q

则电动机降压后的总电流为：

''

I'I

W

I

Q

22

（2-6）

降压后电动机的铜耗为：

PIR

=

'

Cu

'

2

(I

2

W

2

U

N

U

'

2

U

'

I)R

2

U

N

（2-7）

2

Q

2

电压降低后，电动机的铜耗随电压降低的程度而变化，电压降低到合适的值时，铜耗

也相应降低,由此可见在一定的条件下适当降低电源的供电电压可以减小电动机的总的有

功损耗。

2.降压实现的方法

可以通过调节变压器的分节头、加装自藕变压器、电抗器、电容器可控硅调压器、电

压自动调节装置等。

3.△--Y转换节电法

△一Y转换法即是通过检测电动机的负载率，当负载率低于一门限值时，将电动机的接

线由三角形转换为星形接法，相当于将电动机的电源电压由380V降低到220V．此时铁耗

下降2／3。由于电动机的转矩与电压的平方成正比，且转速基本不变，故电动机的最大输

出功率降低到原来的l／3。当负载率升高时，则转换为三角形接法，此时电动机由额定电

压供电，输出功率恢复到额定值。这种转换方法为分级降压，只有两档，并且结构简单、

可靠，无谐波电流对电网的污染和电机绕组杂散损耗的增加，特别适用高、低负载率交替

工作的情况。

2.变频调速器节电法

1.变频调速器的原理

原理：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为某一频率的电能控

制装置。我们现在使用的变频器主要采用交一直一交方式。先把工频交流电源通过整流器

转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制四个部分组成。

我们知道交流电动机的同步转速表达式为：

n

60f

1

(1s)

p

（2-8）

变频调速器是通过改变供给电动机的电源频率来改变电动机的转速，其中,

f

1

为供电电

源的频率，p为电动机的极对数，s为转差率，因此，改变

f

1

可以改变电动机的转速。

2.变频调速器的应用

变频器节能主要的体现就是风机和泵。

风机、泵的控制：一般的风机、泵控制为交流电机工作在工频，按额定转速转动，风

量、水量等的大小由一个阀门来控制，如果要求风量(水量)很小的情况下就使对应的风道

阀门关小，这样风量(水量)很小的时候电机仍然工作在额定功率。采用变频调节,调节变频

器输出给电机的频率，降低电机转速来控制风量，即使将变频器使用的损耗包括在内也同

样省电。例如：水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即P=Kn，其中P为水泵消耗功率：

3

n为水泵运行时的转速；K为比例系数。变频调速和智能控制技术可以使水泵运行的转速随

流量的变化而变化，最终达到节能的目的。用阀门控制水泵流量时，部分有功功率被损耗

浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。如果采用降低电机转速的方式进行

控制，就避免了消耗在阀门的有功功率。这样，在转运同样流量的情况下，仅需要输入较

低的功率，获得节能效果。

3.异步电动机变频调速的运行方式分析

为保证电机的性能和材料的有效利用，在调速时只要保持好

U

1

/f

1



常数，就可以保持

电机气隙磁通不通，就可实现恒磁通变速调速，也即恒转矩调速。电源电压和频率成比例

下降，异步电机变频调速的运行方式即为电压和频率的关系。设电压调节比

a

u

U

1

/U

1N

；

频率调节比

a

f

f

1

/f

1N

f

1N

U

1N

(,

U

1

为实际调节频率和调节电压)。为额定频率和额定电压；

f

1

、

a

则控制方式可用

a

u



=F(

f

)表示。近似恒磁通运行,根据在异步电动机中，由电机学知识可

知

E

1

C

E



m

f

1

（2-9）

E

1N

C

E



mN

f

1N

（2-10）

式中,

C

E

2



W

1

K

W1

——电势常数； （2-11）

其中，W

1

K

W1

——定子每相绕组的等效匝数；Φ

m

及Φ

mN

为任意频率时每极磁通和额

定频率时的每极磁通。

在一般情况下，定子绕组的漏阻抗所引起的电压降与电机的端电压相比可以忽略，即

U

1

和E

1

可以认为近似相等，则

U

1

≈

E

1

C

E



m

f

1

（2-12）

U

1N

≈

E

1N

C

E



mN

f

1N

除得

（2-13） 两式相



U

1

f



m

•

1

U

1N



mN

f

1N

（2-14）

由于近似恒磁通控制的磁通可以看成



m





mN

，所以有

（2-15）

即 α

u

=α

f

（2-16）

此即为电压和频率成比例的控制方式。

根据电机学可知，异步电机的转矩公式是

T=C

T



m

I

2

cos



2

em

'

（2-17）

式中，C

T

——转矩常数；I——转子每相电流的折算值；

cos



2

'

2

——转子侧功率因数，一般可视为常数。

由于风机类负载的性质是转矩和转速的平方成正比，即

T

em

=nT

N

2

（2-18）

因此当磁通近似不变时，由式( 3-23 )及式( 3-24)可得

I∝T

em

∝n， （2-19）

2

'

2

如把转子电流近似视作电机电流，则这种方式的电流和转速平方成正比。随着转速的

降低，电流急剧减小，虽使导线利用不足，却使铜耗大大减小。因此，比较适用于负荷重

的场合，由于电流大，铜耗大，降低铜耗对提高效率有利。

电机交流变频凋速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动

技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效频、高功率因数

和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

变频器能将50Hz的工频交流电变换成频率连续可调(通常为0～400Hz)的交流电。采用变

频器供电，启动稳定出力，完全改变电动机原有的满载、空载周期性变化的工作方式，而

是工作于恒定负载状态。这样，电动机的转速可降低到原来的40％～70％，大大改善了电

动机的工作条件，提高了电能的利用率，一般变频凋速器的有功节电率在30％～50％以上。

第四部分 电动机节电的组织措施

电动机的节约用电既是一个技术问题，也是一个组织问题，因为必须注意以下一些工

作。

1.新购电动机，应首先考虑选用高效节能电动机，然后再按需要考虑其他性能指标，

以避免事后再来进行节电改造，浪费人力和物力。

2.对于一些效率和功率过低的电动机应停止使用，更换新的高效电动机。

3.对全体工人进行有针对性的节电方法培训。

在日常生活中，这些节电的方法和措施可以分别采用，也可以多项采用，随着科学技

术的不断发展，人们对电动机能耗节电工作的认识也会不断增强，一些新的节电的方法也

会不断产生。