生产企业节电及电机基础知识简介
1、文章引言
能源是经济社会可持续发展的基本保障与物质基础，我国工业快速发展应秉持节能和降低温室气体排放的基本理念。随着我国“双碳”目标的设立，电能作为高品位的二次能源，将担负起我国能源结构转变终极目标的角色。
无论什么类型的企业，只要生产运营就需要用电。如何节电是生产经营过程中绕不开的话题。个人感觉企业节电的重要性，可以从以下两个方面概述：
从企业高质量发展角度，工厂节约电能是节约能源及降低温室气体间接排放的重要组成部分，是企业降本增效的重要举措。从员工的自身发展角度：有志于提升技能的优秀员工，希望获得一个可以参考的自身发展方向，未来成为节能领域或精益管理的技术专家。
文章编写将始终坚持：“抛砖引玉、构建思路；通俗易懂，理论与实际相结合”的思路；且适合于企业节能及温室气体控排管理
人员，以及为企业开展节能或温室气体“控排”领域技术服务的咨询技术人员参考。
我只是知识的搬运工，所有知识都是来自前辈学者的论述，我仅仅是汇总陈述，并加入了个人长期现场工作过程中的一些体会，请允许我在此，向那些长期从事节能工作的前辈们致敬。
第一部分 企业节电基本框架
2、理论框架
⑴节约用电内涵
节约电能是节约能源的重要组成部分，其根本目的是节约电能用量。节约用电量的内涵其实包含两层含义：第一是合理用电，降低损耗，提高电能利用率。第二是经济用电，以较少且必要的投入，产出更多合格优质的产品，降低单位产品（产值）耗电量。而支撑节电目标实现所采取的措施和方法就是：节电技术。（概括起来就是“一减一增”，即恒定输入电能前提下，减少损耗，增加产出）
⑵设备能效对标
那么如何才可称为合理用电？目前电气设备的运行是否经济？我们首先需要进行对标分析，也就是参考目前国家、行业、地方以及相关标准中的具体要求。明确自身设备运行的状态和能效水平。
这里列出了一些合理用电与经济用电的标准，我们需要持续收集相关标准，并有针对性地对本公司电气设备运行效率进行研究和分析。
当然，除了以上标准外，还有其他相关标准，企业需要按照相关程序要求持续进行收集，并根据自身情况进行适用条款识别，并开展合规性评价。相关标准可以查询：全国标准信息公共服务平台：https://std.samr.gov.cn/gb/gbQuery，查找其标准现行版本。
⑶系统节电思路
我在另一篇文章《关于企业系统性节电的思考》有详细论述，读者可以进一步阅读。
①系统性思路
系统性节电，是以系统的观点审视工厂或企业的节电工作，主要涉及：
第一，将节电和节电技术开发应用，贯穿于工厂机电设备的合理选择、优化用电、运行管理、设备改造的全过程。（LCA理念-纵向）
第二，将节电和节电技术的开发应用贯穿于生产工艺用电系统、供配电系统和用电管理系统构成的工厂用电全系统中。（工厂全系统-横向）
我们应该站在更高的角度，以系统工程的视角，合理配合其他化石能源的高效利用，对企业工厂用电全系统、全过程实施相应的节电技术，才能使企业获得整体最优效益，这是企业节电的发展方向。
这里应该特别注意的是，不能因为一种节电技术的引入，而导致系统边界外其他系统的能耗增加与能效升高，这就是所谓的“能源泄露”，这是我们不希望看到的。比如，为了降低风机的能耗，提升能效，我们更换了风机，或者调整了风机的运行参数，导致了风压和风量发生变化，使得后端燃烧设备的运行偏离既定过剩空气系数，导致燃烧不充分，进而引起化石燃料消耗增加或者浪费。导致这些问题的原因，可能是在节能技术改造之前没有，以大系统的观点进行策划，也就是没有统筹考虑问题。
②多维度节电
目前根据企业节电工作自身发展规律，实践中，节电工作已经从单体设备节电向全过程、全体系两个方面形成了系统节电。下图中显示了系统性节电的相关技术工作框架，本文后续将针对部分具体工作内容进行讲解。
第二部分 企业节电基础知识
这里我想先谈一下体会，我在之前的文章中，提到“拿来主义”。这个“拿来主义”是在特定的应急情况下，从专业技术角度，快速“利用”某领域的“技术原理”以解决实际工程问题，不要求您会拥有精湛的数学功底可以去推导和验算，我们要的是解决现场实际问题。但是从企业更换设备、技术改造、建设信息系统等等角度，如果还是本着“拿来主义”，“会用即可”和“不求甚解”的思路是不可取的。把设计改造、更换设备等工作完全推给设备供应商或者设计院，这其实并不合适。因为企业是负责运行的，运行阶段在设备全生命周期内占很大比重。企业需要这方面人才与供应商，和设计院进行深入沟通，将运行阶段可能出现的问题，进行全面统筹考虑，避免出现一些后续问题。毕竟设计单位或者设备供应商为了能试车和调试成功，可能采用惯常图纸，或增加阈值，而并不会基于节能问题，在运维阶段考虑过多（人家不负责管理）。
3、用电负荷分析
⑴负荷及负荷曲线综述
每一个企业，或者工厂，自身都应该开展年度、季度和月度的用电负荷变化分析。毕竟结算一级电表都是安装了的。请注意，有些企业可能已经安装了电能管理系统，生成这样的报表可能非常简单。但是我想提醒的是，电能管理系统所反映出来的数据和信息，是基于您所在工厂的电能计量水平，包括计量级别、电表精度、运行状况等等。目前有一些电能管理系统，生成一条负荷曲线很容易，但是合理分析曲线的变化，找出波动原因，这些系统可能并不“擅长”，还需要结合生产实际以及设备运行状态进行综合分析。具体的用能情况分析还需要不断下沉到具体重点用电设备。当然，这可能涉及到系统的优化升级以及“专家系统”范畴了，这也是用电管理信息化和数字化化发展的一个方向。
企业的用电负荷情况，通常用负荷曲线与负荷率进行描述。负荷曲线是企业用电情况最直观明了的表现形式。用电负荷计算不仅仅用在最初工厂电气设计规划，也可以作为企业节能技改时的电能利用情况评估环节。比如要签订节电合同能源管理项目，首先就需要了解项目企业的用电负荷情况，节能服务公司往往都是去供电局调取该企业过往的用电负荷进行分析，来测算节电量，进而约定效益分成方式。但是从优化管理角度，企业层面的用电负荷曲线，属于整体信息，不能显示细节问题，各企业还需要根据生产线或者工艺流程建立不同车间、不同工段、以及重点高电耗设备的负荷曲线，以实现精细化管理。
除了上边描述的作用外，在工厂电能管理中负荷曲线还有以下作用：
A 通过工厂历史负荷曲线，可以观察和预测某一时间段内的符合需求情况，便于企业对电能的科学管理和规划，并为生产用电计划的编制提供依据。
B应用负荷曲线发现最大负荷产生的时间和原因，用以调整工厂整体负荷；也为设备选型提供依据。
C按照负荷曲线确定电力变压器投切台数，以实现变压器经济运行。
D负荷曲线还可以为制定设备检修计划和考核设备利用率提供参考。
⑵ 负荷及负荷曲线概念
首先回顾一下电力负荷的概念：电能用户的用电设备在某一时刻向电力系统取用的电功率的总和，称为用电负荷。
电力负荷曲线按照负荷对象分，可以分为工厂负荷曲线，车间负荷曲线以及设备负荷曲线等。按照绘制方法，可以分为逐点连成的负荷曲线以及梯形负荷曲线。按照负荷的功率性质分，可以分为有功负荷曲线和无功负荷曲线。
一般，企业会记录总配电室中电能表每小时间隔的电量，可以比较方便绘制曲线。
下图中，横坐标表示时间，纵坐标表示此时用电负荷值，那么该曲线与坐标轴围成的图形面积就是工厂用电设施设备消耗的电能。（显然我们用梯形图更便于运算）
一般企业日电力负荷曲线是最常用的，而使用P30绘制的负荷曲线可以用以确定计算负荷（时间为30min间隔的梯形负荷曲线）。绘制负荷曲线，这是在考虑发热效果（一般设备30分钟设备就达到稳定发热运行）的情况下，一般的时间间隔。
工程上一般认为，北方夏天有165天，冬天有200天，一年365天，而南方夏天200天，冬天165天，一共一年也是365天，全年一共8760小时。常用的负荷曲线还包括：年负荷持续时间曲线和年每日最大负荷曲线。
4、电机基础知识
⑴ 现状及应对
随着技术的飞速进步，电机本身主体节能改造空间已经比较有限，或者说必要性不强，大多数情况是直接更换。目前电机节能主要关注的是以电机的科学选用、软启动、调速、无功补偿及电机系统等为核心的节能控制技术。
那么如何更换？如何选择适合的电机，既能满足工艺要求，又能够达标节电？这就需要：首先了解电机能效与节能基本理论。然后根据国家、行业、地方的法律法规及标准，或者公司自身建立的节能法律法规标准数据库，选择满足准入标准或者更高能效的电机。
⑵ 企业具体工作
一个企业的电动机数量非常多，如何管理？可以考虑以下几个方面：
A开展电机能效节能相关培训，培养相关人员能力。
B建立公司级别的法律法规及相关标准数据库，并将各标准中的条款进行识别。
国家标准管理委员会www.sac.gov.cn，强制标准可免费阅读，推荐性标准可以查询。
C开展“合规性”评价。建立公司淘汰电机或其他机电设备名录，高效设备名录，制定未来淘汰更新计划，评估低效设施设备改造可行性。
⑶ 电机基础知识
以下是电机结构图，直观易懂，先有个印象：
以三相异步鼠笼电机为例，异步电动机是利用定子三相绕组通入三相平衡电流，在电动机空气隙中产生旋转磁场，磁场转速与转子转速存在转速差（所谓异步），此时切割磁力线，产生感应电流，产生转矩，电机转子开始旋转。
⑶ 关于电机名牌
每台电动机都有一块或多块铭牌，该铭牌标注着重要的技术参数信息。企业应该对其建立档案，避免名牌发生磨损或损坏，而无法掌握相关技术参数的情况发生。不要小看这个问题，我去过很多现场，有相当数量的电机存在这样的问题。无论是企业技术人员，还是咨询人员，通过这些参数，可以较为快速地，了解电机的技术参数，以评估其运行状态，为设备能效评估和节能措施策划提供重要依据。如果电动机安装在设备之内，或与设备组成了一个整体，不易看见铭牌，企业可要求设备供应商提供并安装在整体设备可见处。
异步电动机铭牌参数，通常包括：型号、额定功率（标称功率）、额定电压、额定电流、额定频率、额定转速、额定效率、功率因数、防护等级、出线标识（接法）、绝缘等级和额定工作制等。电机型号，主要由产品代号、规格代号和特殊环境代码构成。产品代号：包括电动机类型代号、电动机特点代号和设计序号构成。电动机类型代号：Y表示异步笼型电动机，T表示同步电动机。电动机特点代号是表示电机性能、结构或用途而采用的汉语拼音字母，如：YB表示隔爆异步电动机，YR表示绕线异步电动机。规格代号，表示基座号、几何尺寸、或者功率、转速和级数等。
举例：
型号：YE3-315L-4的电动机代号意义为：Y系列，E高效率，3表示第三次改型设计。315基座中心高度为315mm，L是长铁芯，4是四极电机。
我们通过铭牌上的额定效率（选型效率），并对比国家标准GB 18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》即可判断电机能效。而实际运行效率需要进行实测。当然，现场能源诊断过程中，有经验的咨询人员，完全可以根据其他技术参数对其目前实时运行状态进行判断。
根据国家标准GB 18613-2020。Y315已经淘汰（不加字母和E的基本就是淘汰的）；YE2-315，虽然没有被淘汰，已经达不到新标准三级水平，新建项目中不允许使用；YE3-315可达到新标准三级；YE4-315可达新标准二级；YE5-315为新标准一级。
⑷ 基本技术参数
额定功率：额定工况下运行时的输出机械功率，是轴端的输出功率，表示该电机出力大小，表示电动机容量，单位是千瓦。（不等于从电源吸收的功率）电机效率曲线上，一般电机的最大效率点一般出现在额定功率0.7-0.9倍的位置，该点时电机损耗最小。下图是电机损耗示意图。
从图中可以看出，电动机从电源吸收的功率为输入功率P1，其扣除定子铁损PFe和绕组铜损PCu1后，能量转化为电磁功率Pem，然后扣除转子铜损PCu2后，再扣除机械损耗Pmec以及其他附加损耗Pad，电机最终向外界的输出功率为P2
额定电压：电动机在额定运行状态下，定子绕组上应加的线电压值。660V以下的三相异步电动机称为低压电动机，额定电压为1KV及以上的三相异步电动机为高压电动机。
一般规定，电机工作电压不应高于额定值的5%，电压高于额定值时，磁通增加，转子励磁电流增加，电流大于额定电流，绕组发热。电压低于额定值时，负载不变时，输出转矩减少，转差率增加，励磁电流增加，转子铜损增加，根据定子与转子的电磁关系，转子电流增加，定子电流（线电流）也会增加，所以导致电机会发热；同时，电压下降附加杂散损耗也会增加，故电压下降使总损耗增加，只有轻负载情况下，电压下降时总损耗才能下降，效率才能提升。
额定电流：额定运行时，电机的线电流，即额定电压、额定频率并输出额定功率时定子绕组的三相线电流，用以表示电机输出额定功率时负载的大小，单位是安培。
（一般情况下（如四极电机），感应电机的空载电流（铁耗电流）是额定电流的20%-30%之间，极数越多，空载电流所占额定电流比例越大<哈工大电机学>）选择电机是可以参考空载电流，空载电流越小，气隙越小，也相对节能。启动电路为什么会达到额定电流的5-7倍？电机启动时，转子静止，此时定子绕组形成的旋转磁场高速旋转，转差率达到最大的1，转差率与转子感应电动势成正比，必然在转子上形成较大的感应电流，由于定转子之间的电磁关系，定子绕组上电流也会增加，也就是使得电机接线电流增加。
效率与功率因数
效率η等于电机满载输出的机械功率与输入电功率的比值，通常以百分数表示。无论Y接还是△接，电动机额定功率计算计算公式为：
这里的额定电压UN和额定电流IN都是线电压和线电流。cosφN是电机输出有效功率与视在功率的比值，反映了电机运行时从电网获取无功功率的大小，表明电动机属于感性负载。三相异步电机功率因数相对较低，轻载或空载时更低，应该避免“大马拉小车”现象，选用合适的电动机，避免浪费电能（具体分析见“功率三角形”）。
额定类型（工作制）
电机的额定类型是其承受负载情况的说明，就是电机的允许运行方式，表明电动机能够持续承受负载的能力，这是选择电机的基础。一般额定类型分为：
S1连续工作制：风机水泵等。S2短时工作制和S3断续周期工作制等。一般我们使用的电机均为S1连续工作制，接通三相交流电后，可以连续地，长时间使用。
⑸ 能效影响分析
① 电压变化对电动机运行能效的影响分析
对于一个工厂来说，保证电压合格的范围内，电压变化对电机能效有如下影响：
1）适当降低（不能过多）电动机配电电压（5%以内）可以节电，反之升高配电电压（5%以内）则增加电能损耗。
2）负载不同时，电压变化对电机效率具有影响。重载时适当提高电压，可以提高效率，这里需要结合电机系统综合分析。
② 三相供电电压不平衡对电动机能效的影响分析
一般情况下，配电网三相负载往往是不太对称的，配电系统中的三相电压不平衡，如某一相电压偏低或偏高，会导致电动机三相电流不平衡（配电三相不平衡是主要原因），从而影响电动机正常工作。
规程规定，三相电压不平衡度应小于1.5%。当三相供电电压不平衡时，在异步电动机中会产生三相不平衡电流，该电流可分解为正序、负序和零序电流。当三相电压不平衡时，负序电流增加，增加了定子和转子的铜损。有资料显示，3.5%的不平衡电压将引起电动机总损耗增加20%，效率下降3-5%。
③ 其他因素对电动机能效的影响分析
频率和谐波对电机效率也会有影响，由于篇幅原因，这些将在后续变频调速和电能质量部分进行详细介绍。
注意：
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