1前言
    近幾年來，隨著中國經濟的高速發展，能源成為了制約中國經濟發展的一個重要問題，節約能源保護環境也被國家提到議事日程。電機的能源消耗占整個能源消耗的60％～70％。各種節能措施被廣泛應用，其中變頻器在風機水泵等方面得到了廣泛的應用，但由于變頻器價格高，有些場合并不適合調速或調速將會給生產帶來負面影響等原因限制了變頻器的應用。
    相控電機節電器（實際上就是根據電機負載率通過可控硅降壓）逐漸成為各節能廠家積極介入的重點。相控電機節電器的主要特點是：(1)不改變受控電機的轉速；(2)可以實現軟啟動，降低啟動電流；(3)減少電磁損耗；(4)安裝調試簡單；(5)投資成本低。
    目前市面上有許多這種類型的節電器，廠家介紹只要負載率在70％以下，就可以有較好的節電率，根據負載率的大小，節電率可達到20%～50%。但在實際應用中卻發現有很大的差距，而且應用的范圍也并不像介紹的那么廣泛，其中主要是與節電率的計算方法和節電的可能性有關。
    2節電率計算方法
    中國節能產品認證管理委員會發布的《電力省電裝置節能產品認證技術要求》中對電機輕載調壓節電器節電率計算作了明確規定。
    2.1試驗接線原理（見圖1）

    2.2節電率剛量計算方法[1]
    在接入節電器前后，必須保持負載電機轉速不變。
    (1)不接入節電器（即閉合旁路開關K）旁路運行，記錄lh（時間的長短可根據負載的周期來確定）電機的用電量W；
    (2)接入節電器（即斷開旁路開關K），電機進入節電狀態，記錄lh的用電量W′。
    節電率計算公式為
       

    從圖1中可以看出，電度表是安裝在節電器電源的進線端，因此節電器木身的能耗也計算在內。但有個別廠家是將電度表安裝在節電器后進行測量，這樣旁路時負載的用電量和電度表接在節電器的前端是一樣的，但計算節電率時卻有區別，主要是將電度表安裝在節電器后沒有將節電器本身的損耗計入，從而使計算的節電率偏高。
    3相控電機節電器的節能原理
    3.1節電必須使電機的電流和功率因數的乘積減少
    由于電機在輕載或空載運行時，電機電流主要是勵磁電流，這時功率因數比額定負載時低。相控電機節電器就是通過測量負載的功率因數，在電機輕載時通過降低電壓、減少勵磁電流，從而達到節能的目的。
    根據三相電機功率公式 要降低功率消耗可以通過減少電機的U、I和cosφ來實現。從圖1可以看出，實際上由于電度表安裝在節電器的前端，因此測量的電壓實際上并沒有變化，因此要減少功率消耗，電機電流和功率因數的乘積一定要下降，才能節電。由于在降低電壓、減少勵磁電流的同時，功率因數會上升，因此，電流降低的程度一定要大于功率因數上升的幅度，才能實現節能。
    3.2電機效率、節電率和負載率之間的關系
    從相控電機節電器的原理來說，節電主要是降低電機在低負載時的空載損耗，因此，空載損耗所占比例的大小就直接影響節電率的高低。
    (1)電機效率越低、電機的損耗就越大，則電機的節電空間越大
    電機銘牌上的額定功率PN為軸功率，效率77N為額定輸出功率時的電機效率，而額定工況小，電機從電網吸收的功率尸總等于電機的軸功率與總損耗藝PN之和，即
    P＝P總×ηN                 (2)
    P總＝PN十∑PN               (3)                             
    電機的總損耗與額定功率和效率的關系為
   

    (2)電機功率與效率的關系
    以Y系列電機為例，電機越小、效率越低；電機越大、效率越高。同樣功率的電機轉速越低、效率越低，轉速越高、效率越高。圖2為Y系列電機功率與效率的關系曲線（電機效率是將同功率不同極數的效率平均得到）。

    (3)電機節電量與效率之間的關系
    從圖2可以看出，電機功率越小，效率越低，損耗越大。電機運行時的損耗，主要由以下幾方面的損耗組成：鐵損、銅損、機械損耗、雜散損耗（包括風損）等。由于采取輕載調壓節電主要是減少電機在輕載時的功率損耗，從而提高電機效率。由此可見，效率越低，空載損耗越大的電機，采取調壓節電的空間就越大。
    3.3節電率與負載率之間的關系
    3.3.1效率與負載率之間的關系
    異步電動機的運行特性用曲線表示如圖3所示。

    電動機運行特性定義β=P2/PN，即電動機負載與額定負載的比值，橫坐標為β。
    由圖3可以看出：
    (1)轉速只是隨負荷的增加略有下降；
    (2)電流和轉矩隨負荷的增加呈指數曲線上升；
    (3)效率和功率因數隨負荷變化呈拋物曲線變化，有一個最大值點。
    由圖3的效率曲線可以看出，當P<0.5時效率隨負載的降低急劇下降，這是因為空載損耗在總損耗中所占比例較大造成的�？蛰d損耗的主要成分是鐵損和機械損耗，二者幾乎不隨P變化，稱為不變損耗。因為銅損和雜散損耗隨電流的增加按平方關系增加，故稱為可變損耗。增加電機輸出功率，即P的上升，效率最初明顯呈上升趨勢。當P達到一定值后，效率達到最大值，若進一步增加輸出功率，效率反而從最大值開始下降，這是因為此時可變損耗的增加速度超過了輸出功率的增加速度。從理論上講，可變損耗與不變損耗相等時效率達到最大值。
    3.3.2節電率與負載率之間的關系
    負載率越低，空載損耗所占的比例就越大，調壓節電率就越高。但要達到最好的節電率，還取決于調壓幅度。雖然降壓可以降低鐵耗，而當電壓降到一定程度之后，若繼續下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗，因此要取得最好的節能效果，必須有一個合理的調壓系數。不同負載率P下的調壓系數由下式可以確定[2]：
   

式中 ∑PN一電動機額定負載時的有功損耗，kW；
     P0一電動機的空載損耗，kW；
     K一計算系數，K= (P0－PM)/∑PN；
     PM一電動機的機械損耗，kW；
     β一電動機的負載系數，β=（P2/ PN）×100%；
     P2一電動機的輸出功率，kW；
     PN一電動機的額定功率，kW.
    輕載電機在采用降壓節電措施后，節省的有功功率為
   

    由式（6）可以看出，由于KU<1，β2×(1－1/KU(2)<0，則負載率R越小，節電量越大，節電率越高。負載率為R時，電機輸入的總功率為

式中K0一空載損耗占額定功率的比例D；
    K1一現場測量的電機輸入功率與額定功率之比。
    則節電率為
       

    圖4是以Y160L－4為例：Pn = 15kW，η=88.5%，K=0.25，K0=0.038計算出的一組節電率曲線。

    由圖4可以看出，對應不同的負載率，都有一個最好的調壓系數，而且如果降壓太多，非但不能節能，而且還會使能耗增加，圖4中節電率為負就是很好的說明。
    3.4在實際應用中如何計算負載率
    根據定義，負載率是電機軸輸出功率與電機額、定輸出功率之比，即β=P2/PN。由于在實際應用中，直接測量P2有一定的難度，因此P2可以通過測量空載損耗和電機電流計算得到。異步電動機在額定電壓下的空載電流約為額定電流的20%～50%，空載損耗約為額定功率的3％～8%。在節能測試現場，我們一般測量的為電機的輸入功率，可通過以下公式計算得出： 
   

式中K0一空載損耗占額定功率的比例；
    K1一現場測量的電機輸入功率與額定功率之比。
    因此節電率公式也可從式（10）推出：
       

    此公式與電機功率的大小無關。
    例如：一臺Y160L一415kW電機，ηN=88.5%，K0=3.8%，K1=25% (K0可以通過查詢國家標準得到，K1由實際測量得到)。將以上參數代入式(12)，得β＝20.8％。
    從圖4可以看出，當負載率β=20.8％時，最佳調壓系數為0.6，這時節電率可以達到5.9%。
    4綜合節電
    (1)由于在實際應用中，我們所測量的都是電機實際節約的有功功率，對于減少無功所減少的有功損耗不便于直接測量，計算方法如下：
   

式中 △PQ一節省無功所減少的有功功率；
     KQ一無功經濟當量，當電動機直連電機母線
     KQ=0.02～0.04，二次變壓取KQ = 0.05～0.07，三次變壓取KQ=0.08～0.10。
    (2)其次，由于電壓降低，電機負載不變，轉差率增大，電動機輸出功率也會有所減少，因此在實際測量過程中，節約的有功會比理論計算的要偏大。
    由于電動機的轉距與電壓平方成正比，若電動機的轉矩不變，則轉差率近似地與電壓的平方成正比。在采取降壓節電時，只要轉差率不超過電動機的臨界轉差率，將不會對電機運行產生影響。
   

    由于電壓下降，轉差率增加，因此輸出功率會有所減少。
   

式中△Ps一因轉差率增大所引起的輸出功率的減少量。
    5結語
    從以上分析可以石出，電機輕載時采取降壓節電是可行的，而節電率的高低取決于電機的效率、負載率以及負載特性，因此我們在對電機進行降壓節電改造時，認真分析電機的運行特性有利于估算節電率，并將有利于成本的控制和回收。