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6.1 负载需求是根本
6.1.1 供需相抵就节能
6.1.1.1 负载需求与电动机功率
拖动系统是否具有节能潜力，归根到底，要看负载所消耗的功率是否有减小的可能。如果负载消耗的功率始终等于最大值的话，根据能量守恒的原理，是不可能有节能潜力的。
在图6-1a所示的拖动系统中，负载消耗的功率PL是每时每刻都在变化的，如图b中之曲线②所示。但电动机始终以额定转速运行，其输出功率几乎不变，等于额定功率，如图中之曲线①所示。由图知，在绝大多数时间里，电动机的输出功率比负载实际消耗的功率大得多。这部分多余的功率是有可能节约下来的。
图6-1 从负载需求看节能潜力
6.1.1.2 全速运行的浪费实例
在许多情况下，负载全速运行是一种浪费，举例说明如下：
（1）空气压缩机在工频运行的情况下，当储气罐的压力由于用户用气量减小而偏高时，必须通过泄载阀泄放掉部分空气，如图6-2所示。
图6-2 空气压缩机的泄载
这里在，负载消耗的功率PL取决于用户用气量的多少。一般说来，用户用气量是时刻在变化的。而电动机的输出功率PM和空气压缩机产生压缩空气的能力却始终不变，储气罐里的压力必将因空气过多而偏高。
为了保持储气罐里的压力稳定，必须把多余的压缩空气通过泄载阀泄放掉。
显然，这泄放掉的压缩空气实际上构成了能源的浪费，拖动系统就存在着节能空间。就是说，如果通过调节电动机的转速来调节产生压缩空气的能力，被泄载阀泄放掉的压缩空气就可以被节省了下来。
（2）锅炉的给水泵，当锅炉向用户提供的热水流量QU不断变化时，锅炉汽包里的水位应保持恒定。这就要求锅炉汽包的进水流量QG2能随QU而变化。
但水泵在工频运行的情况下，其输出流量QG1不能改变。为了保持汽包里的水位恒定，从水泵的输出流量QG1中分出一部分ΔQ通过回流阀返回到贮水罐中，如图6-3所示。调节回流阀的开度，就改变了回流量，进而达到调节锅炉汽包的水位的目的。
图6-3 锅炉给水泵的回流调节
在这里，负载消耗的功率PL取决于用户对热水流量QU的需求，是时刻变化的。而电动机的输出功率PM和水泵的供水流量QG1是不变的。显然，通过回流阀返回的流量ΔQ是一种浪费。如果通过调节电动机的转速，来调节锅炉汽包进水流量QG2的话，回流装置就可以省去了。就是说，拖动系统是存在着节能空间的。
（3）车间温度与湿度的调节
在图6-4所示的车间调温、调湿装置中，鼓风机、引风机和水泵用于调节车间的温度与湿度。当所有的风机、水泵都全速运行时，风机的风量和水泵的流量都是通过阀门进行调节的。
图6-4 车间的调温与调湿
这里，风机和水泵的输出功率大体上与它们的输出流量成正比，但各电动机的输入功率却变化不大。因此，也具有相当大的节能空间。
6.1.2 降低转速也节能
6.1.2.1基本分析
因为电动机的输出功率和转速有关：
PM=
（6-1）
式中： PM ——电动机轴上的输出功率，kW；
TM ——电动机的电磁转矩，N·m；
nM ——电动机的转速，r/min。
式（6-1）表明，只要电动机的转速下降了，系统消耗的功率也就下降了。所以，能否使拖动系统的平均转速下降，便是是否具有节能空间的基本标志。
6.1.2.2 节能实例
为方便起见，在下面的分析中，转矩、转速和功率都用相对值表示：
TX*= 
（6-2）
式中： TX* ——转矩的相对值；
TX ——电动机的输出转矩，N·m；
TMN ——电动机的额定转矩，N·m。
nX*= 
（6-3）
式中：nX* ——转速的相对值；
nX ——电动机的转速，r/min；
nMN ——电动机的额定转速，r/min。
PX*= 
（6-4）
式中： PX* ——功率的相对值；
PX ——电动机的输出功率，kW；
PMN ——电动机的额定功率，kW。
（1）恒转矩负载
图6-5 恒转矩负载减速后的功率
如图6-5所示的带式输送机，当电动机在额定转速（nX*=1.0）下运行时，如果负载转矩等于额定转矩（TX*=1.0）的话，则电动机的输出功率等于额定功率（PX*=1.0），如图6-5a所示。
如果平均转速下降至nX*=0.6的话，则输出功率为PX*=0.6，与额定转速时相比，节约电能为ΔPX*=0.4，即节能达40%，如图6-5b所示。
（2）二次方律负载
图6-6 二次方律负载减速后的功率
如图6-6所示的风机,当电动机在额定转速（nX*=1.0）下运行时,负载转矩等于额定转矩（TX*=1.0）,风机所消耗的电功率等于额定功率（PX*=1.0），如图6-6a所示。
如果平均转速下降至nX*=0.7的话，则负载转矩减小为：
TX*=0.72=0.49
而输出功率则减小为：
PX*=0.73≈0.35
与额定转速时相比，节约电能为：
ΔPX*≈1.0-0.35=0.65
即节能达65%，如图b所示。
6.2 调速方法要讨论
6.2.1 选好方法多节能
拖动系统的节能潜力还和调速方法有关。举例说明如下：
6.2.1.1 机械调速
图6-7 机械调速的浪费
机械调速以齿轮调速的变速箱为主，如图6-7a所示。近年来，也出现了一些机械无级调速的装置。由于拖动电动机始终以额定转速运行，所以，根据能量守恒的原理，其最大输出功率不变。如调速机构的损失功率忽略不计的话，则任何机械调装置的有效转矩线都具有恒功率特点，如图6-7b中之曲线②所示。这种特性如用来拖动如金属切削机床一类在相当大的转速范围内具有恒功率特点、且必须停机调速的负载，是比较合适的。但如用来拖动恒转矩负载时，就不尽人意了。如图6-7b所示，曲线①是恒转矩负载的机械特性，负载转矩等于TL，曲线②是变速箱输出轴的机械特性。当转速下降至nX时，变速箱输出轴的有效转矩上升至TMX’，比负载转矩TL大很多，拖动系统实际上处于大马拉小车的状态。
6.2.1.2 G-M直流调速系统
图6-8 龙门刨床的直流调速系统
老式龙门刨床刨台的拖动系统大多采用直流发电机—电动机调速系统（G-M系统），如图6-8所示。刨台由直流电动机MD拖动，MD由直流发电机G1供电，G1由交流电动机MA拖动。
在这个系统中，由于能量转换环节较多，故效率较低，说明如下：
假设，异步电动机MA的效率为：
ηA=0.9；
直流发电机G1的效率为：
ηG=0.8；
直流电动机MD的效率为：
ηD=0.8。
则拖动系统的总效率为：
ηΣ=ηAηGηD
=0.9×0.8×0.8=0.576
上面的计算还没有包括励磁发电机消耗的功率，可见，拖动系统的效率是很低的。
6.2.2 功耗大了不节能
6.2.2.1 机械特性与能量图
图6-9 机械特性与能量的关系
为了便于说明问题，假设负载是恒转矩的。则电动机消耗的功率为：
PM=
=ξnM （6-5）
式中：PM ——电动机消耗的功率，kW；
TM ——电动机的电磁转矩，N·m；
nM ——电动机的转速，r/min；
ξ ——比例常数。
图6-9a中的曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是负载的机械特性，Q1为工作点。这时，电动机的转速为n1，电动机的转矩TM1与负载转矩TL1相平衡：
TM1=TL1
式中： TM1 ——电动机在转速为n1时的转矩，N·m；
TL1 ——负载的阻转矩，N·m。
则电动机消耗的功率为：
PM1=
=ξnM1
式中： PM1 ——电动机在转速为n1时消耗的功率,kW。
从能量的观点看，电动机转子转速n1之所以低于同步转速n0，是因为转子有各种损失功率ΔP1（铜损、铁损、机械损失等）的缘故。如果没有功率损失的话，转子的转速本来是可以达到同步转速的。或者说，从定子传递给转子的总功率（称为电磁功率）是和同步转速成正比的：
PM0=
=ξnM0
式中：PM0——电动机的转子得到的电磁功率，kW；
nM0 ——电动机的同步转速，r/min。
转子实际消耗的电功率与电磁功率之差，等于损失功率：
ΔP1=PM0-PM1
式中： ΔP1——损失功率，kW。
根据上述关系作出的能量图如图6-9b所示。
6.2.2.2 转子串入电阻后的能量图
图6-10 转子串入电阻后的能量图
绕线转子异步电动机转子串入电阻后的电路如图6-10a所示，机械特性如图b所示。图中，曲线①是电动机的自然机械特性，曲线②是负载的机械特性，拖动系统在额定转速下的工作点如图中之Q1点，转差为Δn。
转子回路串入电阻后，如2.1.2节所述，其临界转矩不变，而临界转差则增大，机械特性如曲线③所示。在负载转矩不变的情况下，工作点移至Q2点，电动机的转速降为n2，输出功率减小为PM2，如图c所示。
但同步转速未变，故电磁功率也未变，仍为PM0。而转差则增大为Δn2，相应地，损耗功率增大为ΔP2。显然，所增加的损耗功率就是消耗在外接电阻中的功率。
6.2.2.3 电磁调速电动机的能量图
图6-11 电磁调速电动机
（1）电磁调速电动机的基本特点 电磁调速电动机的基本结构如图9-11a所示，它相当于两级异步电动机：
第一级即为普通的异步电动机，同步转速为n01，转子的转速为n1，功耗为ΔP1，与图6-9完全相同；
第二级的旋转磁场由第一级的转子带动直流磁场形成，转速为n1，磁场的强弱可通过改变调节器的输出电压（通过电位器RP）而得到调节。
第二级的转子转速即为输出轴的转速n2，n2的大小与直流磁场的强弱有关：
调节SR→调节励磁电流→调节第二级转差Δn2’→调节转速n2。
第二级转差Δn2’的大小为：
Δn2’=n1-n2
式中：Δn2’——第二级转差，r/min；
n1——第一级电动机的转速，r/min；
n2——输出轴的转速，r/min。
第二级的功耗为：
ΔP2’=TL1Δn2’/9550
式中：ΔP2’——第二级功耗，kW。
由于转差Δn2’较大，转子切割直流磁场的速度较快，故转子电流大，功耗也大。
（2）功耗分析
总的功耗ΔP2为ΔP1与ΔP2’之和：
ΔP2＝ΔP1＋ΔP2’
式中：ΔP2——电动机的总功耗，kW。
电磁调速电动机由于可以通过调节直流磁场和转速反馈来实现无级调速，这是它比绕线转子异步电动机优越的地方。但就功耗而言，两者几乎是相等的。所不同的是：绕线转子异步电动机通过外接电阻限制了转子电流，并消耗了能量；而电磁调速电动机的第二级功耗则完全消耗在转子中。
6.2.3 变频调速最节能
图6-12 变频调速的功率分配
变频调速的机械特性如图6-12b所示，在额定频率下运行时，电动机的自然机械特性如曲线①，负载的机械特性如曲线②，工作点为Q1；频率减小后，机械特性如曲线③，工作点移至Q2点。
6.2.3.1 频率下降后的电磁功率
随着频率的降低，同步转速下降了，故转子得到的电磁功率也减小了：
PM2= 
n02 ——频率下降后的同步转速，r/min。
6.2.3.2 频率下降后的损耗功率
由于转差几乎不变：
Δn2≈Δn1
式中：Δn2 ——频率下降后的转差，r/min；
Δn1 ——额定频率时的转差，r/min。
所以，转子功耗的大小也几乎不变：
ΔP2≈ΔP1
如图6-12所示。所以，变频调速在调速过程中，并未额外增加损失。因此，变频调速是最节能的一种调速方式。
6.3 小车不用大马奔
6.3.1 最佳运行电流小
6.3.1.1 电动机的定子电流
异步电动机的定子电流由转子电流（折算值）和励磁电流合成：
（1）转子电流 其大小取决于负载的轻重和磁通的大小：
∵ TM=KTI2’Φ1cosφ2≈TL
∴ I2’≈TL/KTΦ1cosφ2 （6-6）
式中：I2’ ——转子电流的折算值，A；
TL ——负载转矩，N·m；
KT ——转矩系数；
Φ1——主磁通，Wb；
cosφ2——转子侧的功率因数。
式（6-6）表明：负载越重（TL越大），转子电流也越大：
TL↑→I2’↑
另一方面，磁通越大，则转子电流越小：
Φ1↑→I2’↓
（2）励磁电流 如第一章所述，励磁电流的大小取决于磁路的饱和程度。
6.3.1.2 异步电动机的电压与磁通
（1）电压偏低时的磁通
图6-13 电压偏低时的磁通
如图6-13a所示，假设在满负载时，阻抗压降为20V，则当电压为380V、运行频率为50Hz时，有：
E1N≈U1N-ΔUN
=380-20=360V
Φ1N=KΦ(E1N/fN)
＝KΦ(360/50)
＝7.2 KΦ
式中：U1N —— 额定电压，V；
E1N —— 额定状态下的反电动势，V；
ΔUN——额定负载时的阻抗压降，V；
Φ1N—— 额定磁通，Wb；
KΦ —— 磁通系数。
假设，这时磁通量的相对值为100%：
Φ1N*=100%
如果将电压下降为340V，如图b所示，则：
E1X≈U1X-ΔUN=340-20=320V
Φ1X=KΦ(E1X/fX)=KΦ(320/50)=6.4KΦ
Φ1X*=(Φ1X/Φ1N)×100%=89%
式中：U1X—— 降低了的电压，V；
E1N —— 电压降低后的反电动势，V；
Φ1X —— 电压降低后的磁通，Wb；
Φ1N*——额定情况下的磁通相对值；
Φ1X*——电压降低后的磁通相对值。
由图c所示的磁化曲线可以看出，励磁电流的变化幅度不大。
（2）电压偏高时的磁通
图6-14 电压偏高时的磁通
如图6-14所示，假设电动机在40Hz下满负荷运行，为了得到额定磁通（Φ1N*＝100%），工作电压应补偿至308V，则：
E1X≈U1X－ΔUN
=308-20=288V
Φ1X =KΦ(E1X/fX)
=KΦ(288/40)
=7.2KΦ
Φ1X*=100%
今将电压升高至342V，则：
E1X≈U1X-ΔUN
=342-20=322V
Φ1X=KΦ(E1X/fX)
=KΦ(322/40)
=8.05KΦ
Φ1X*=(Φ1X/Φ1N)×100%
=(8.05/7.2)×100%
=112%
由图c可以看出，与正常情况相比，励磁电流增加了许多倍。
6.3.1.3 电动机的电流—电压曲线
（1）电压偏低时的后果
图6-15 电压偏低时的后果
一方面，如上述，电压偏低时，磁通减小，但励磁电流变化不大，如图6-15a所示；
另一方面，由式（6-6），转子电流I2’将因磁通的减小而增大。
显然，两者合成为定子电流时，将使定子电流增大，从而得到电流－电压的关系如图b所示。图中，当电压从UA下降为UA’时，电流由I1A增加为I1A’。
总之，是：电压越低，电流越大。这种现象多见于负载较重时。
（2）电压偏高时的后果
图6-16 电压偏高时的后果
电压偏高时，一方面，由于磁路的饱和，磁通变化不大，从而转子电流也变化不大；另一方面，磁路饱和的结果，是励磁电流大幅度增加，如图6-16a所示。
结果，在合成为定子电流时，也使定子电流增加，得到电流—电压的关系如图b所示。图中，当电压从UA增加为UA’时，电流由I1A增加为I1A’。
总之：电压越增加，电流也越大。这种现象多见于轻载运行时。
（3）完整的电流—电压曲线
图6-17 异步电动机的电流—电压曲线
综合上述，得到完整的电流—电压曲线如图6-17a所示。图中的A点称为最佳工作点。
当负载增大时，电动机的电流和所需电压都将增大，最佳工作点向右上方移动，如图b中曲线②的B点和曲线③的C点所示。
6.3.2 大马拉小车的节能
6.3.2.1 “大马拉小车”的电动机效率
所谓“大马拉小车”，是指电动机的电磁转矩比负载转矩大得多的情形。如图6-18a所示，曲线①是满载时的电流－电压曲线，最佳工作点为A点。这时，电动机的最佳工作电压为UX1，运行电流为IX1；曲线②是轻负载时的电流－电压曲线，最佳工作点为B点，电动机的最佳工作电压为UX2，运行电流为IX2。
当电动机的负载较轻，而定子电压仍为UX1时，工作点将从A点移至B’点，电流（IX2’）虽有所减小，但减小得不多。比最佳工作点的电流（IX2）大得多。电流大，定、转子的铜损必增加，电动机的效率下降。图b所示，是电动机的效率曲线，满负载时的效率为η1（η1也可以看成是运行在最佳工作点时的效率），轻载时的效率减小为η2。
6.3.2.2 提高效率的基本对策
图6-18 “大马拉小车”时的效率
从图6-18a可以看出，在大马拉小车的情况下，提高电动机效率的基本途径便是降低电压。就是说，使工作点从B’点向B点（最佳工作点）靠拢。
6.3.3 变频可使“马”变小
6.3.3.1 额频运行时
图6-19 额频运行的处理方法
图6-19a所示，是大马拉小车的典型例子：当运行频率为50Hz时，电动机的额定容量是110kW，而负载实际所需功率只有70kW。
针对这种情况，降低电压的方法是加大基本频率。如图b所示，如把基本频率加大为60Hz，意思是说，60Hz对应于额定电压380V，则在50Hz时得到的电压只有317V。
假设，基本频率的修正系数为γ：
fBAH＝γ·fBA （6-7）
式中：fBAH——增大后的基本频率，Hz；
fBA——额定情况下的基本频率，Hz；
γ——修正系数。
由于异步电动机的转矩与电压的二次方成正比，所以，修正系数γ的大小大致可选择如下：
γ≈ 
（6-8）
式中：PMN ——电动机的额定功率，kW；
PL ——负载功率，kW。
6.3.3.2 低频运行时
（1）二次方律负载的低速运行
图6-20 低频大马拉小车
二次方律负载在低速运行时极易出现大马拉小车的状态。如图6-20所示，曲线①是电动机的自然机械特性，额定转矩为TMN；曲线②是电动机在低频运行时的机械特性，有效转矩为TEA；曲线③是负载的机械特性，在全速运行时，负载转矩等于TLN，与电动机的额定转矩十分接近。但在低速运行时，负载转矩为TLD，比电动机的有效转矩小得多，电动机处于大马拉小车的状态。
（2）变频器的对策
图6-21 低减压频比的节能原理
针对上述现象，各种变频器都设置了低减U/f比功能。即在低频运行时，减小U/f比，使U/f线如图6-21a中之曲线①’（通常称为低减U/f线）所示。由图知，当频率为fA时，电压下降为UA’。
降低电压后的机械特性如图6-21b中之曲线③’所示，电动机的有效转矩减小为TEA’，和负载的阻转矩TLD之间的差距减小了，缓解了“大马拉小车”的问题。但这种方法，不大可能使电动机工作在最佳工作点。
6.3.3.3 自动搜索最佳工作点
（1）自动搜索的含义
变频器中，Ｕ/f比可以任意预置的特点，换一个角度看，则：变频器在某一个工作频率下，其输出电压是可以任意调节的。利用这个特点，部分变频器（如日本的超能士变频器）开发了通过不断改变电压来自动搜索最佳工作点的功能。
（2）自动搜索的流程
图6-22 自动搜索流程
如图b所示，假设拖动系统正工作在Q点，电动机的工作电压为UQ，定子电流为I1Q。则自动搜索的过程如下：
先令UQ增加一个增量ΔU，观察定子电流I1是否增加，如果不增反降，说明原来电压偏低，应再增加ΔU；如果I1确实增加了，说明电压太高，应降低电压。
当UQ减小一个增量ΔU时，如果定子电流I1并不增加，说明原来电压偏高，应再减小ΔU；如果I1增加了，说明电压太低，应升高电压