为节约电能，创建资源节约型企业，本文在分析电动机节电原理的基础上，提出了一种10kW车床节能改造技术方案。
能源是一个国家的基础资源，是制约国民经济发展的重要因素。电能是一种优质能源。电力是工业动力“母亲”。电动机是将电能转化为机械能的枢纽。当今世界，一切电力拖动基本上都是通过这一形式来实现的。目前，世界各国电动机所消耗的电力都约占到整个国家电量的近70%。
电动机由于自身各种原因，具备以下特点：它是一种感性负荷，运行时伴随着相当于额定电流三分之一数值的无功电流。电动机实际使用中，多数时间是在“大马拉小车” 低载下运行，使其效力严重降低。提高电动机运行中的能源转换效力，是一个关系到国计民生的重大问题。
电动机的“本征特性”
电动机是基于电磁理论的产物。是一个先将电场能量转化为磁场能量，又将磁场能量转化为机械能的枢纽。
电—磁转换是电动机定子的功能，“定子”是电网终端的感性负载，它在电磁场转换的同时，必然枝生既定量的无功电能回馈给电网。
电动机转子受定子旋转磁场的牵引而运转，将磁场能量转化为转轴的扭矩，因此可以认为：磁场能量转化为机械能是通过转子来实现的。带绕组的转子以相对均匀的角速度在一个按规律交变的定子旋转磁场中运行，在转子绕组中产生一个(倍频)交变电场，并形成按转子角速度旋转的交变磁场，并反作用于定子绕组，在定子绕组中又产生二次交变电场，并形成多次谐波回馈给电网。
当转子受负载惯量拖动，使其转速超过定子磁场旋转速率，则电动机即进驻“发动机效应”非正常运行。
由上述解析的物理过程说明：三相异步电动机工作运行时，它同时亦是系统中的，“谐播源”, “感性无功源’以及可能进驻“发电机效应”的脉动式感应“发电机”。这些都是它的“本征特性”。置于电力系统中运行的电动机，它是系统中的一项重要“元素”。它所固有的“本征特性”，定义如下：在“实现既定目标的同时，该项技术产品固有的负效权重值”。它们是影响到工作系统“整体电效能”严重降低的根本原因。
三相交流异步电动机实现节能的理论依据
1.Y/Δ转换。
电动机的设计，都以额定功率条件下工作，其综合经济指标才能达到最高，才能实现其经济运行。经典著作和教科书指出：“合理选择电动机是相当重要的，它关系到生产机械的安全运行和经济指标的改善……电动机选型以选择额定功率最为主要……使电动机的负载一般为0.7～0.9 左右的额定功率”(摘于《工矿企业电器工程手册5》)。然而，在实际工况中电动机工作在这一“选型”负载量只是少数的工态，如大多数金属切削机械加工中，其负载率是在5%～50%区间变化，“大马拉小车”使电动机效率严重下降。
19世纪末，欧洲的电磁理论家发现并提出：“交流电动机Y 形接法和Δ形接法可以适应不同负载”的节电理论。从此三相异步电动机的设计有六个端子，Y /Δ 两种接法并立。
多种电工理论书籍指出“电动机在轻载时，Y 形连接可以使网路功率因数与效率都获得提高”，并给出了电动机从空载至50 %额定负载下Y/Δ 连接其工作电流，效率、功率因数特性曲线，试绘于下(图1)。
因此，一个多世纪来，关于电动机运行中，动态Y/Δ 双向转换与控制，一直是世界众多的科技工作者力图攻克潜心研究的课题。
2.就地无功补偿
“在电力系统中先天性地存在着大量的无功负荷，系统中大量的无功功率，将降低系统的功率因数，增大线路的电压损失和电能损失，严重地影响着电力企业的经济效益，造成对电能的无形浪费，解决这一问题的有效方法就是进行无功补偿”(摘于《无功补偿岗位培训教材》)。
“电动机是低压电网中主要的感性设备，造成无功损耗占低压电网中无功损耗的70%以上”(摘于《发电厂变电所及电力系统的无功功率》)。合理实施无功就地补偿，是企业获得更大经济效益的重要途径。
由无功补偿原理图(图2)表明无功补偿有效地提高了功率因数。
如下是无功补偿的意义分析。
(A)改善设备的利用率：
cosΦ=P/S=P/(3UI)
可见在一定的电压u和一定的电流I的情况下，提高cosΦ其输出的有功功率越大，是提高设备有效利用率的方法。nextpage
(B)减少电压损失：
ΔU=(PR+Q(XL—XC))/U
可见补偿电容的容抗Xc 的引入电路，使ΔU 减小，改善了电压质量。
(C)提高电力网的传输能力：P=ScosΦ
可见在传送一定有功功率P 的条件下cosΦ越高，所需视在功率越小。
(D)减线路损耗：在电路上流过电流I 时，线路的有功线损
ΔP=3I2R×10-3=(3P2R×10-3)/cos2Φ
可见线路上有功损耗ΔP 与cos2Φ成反比，cosΦ越高，ΔP 越小。
下面，就原理图中所表述的cosΦ从0.7，补偿提高到0.99为例计算，0.7×0.7=0.49，0.99×0.99=0.98，由两式的数值，明确知道功率因数从0.7提高到0.99, 在R 不变的情况下，其线路损耗就减小了50%;然而线路电阻并非是不变的，输电线路的电阻R 是随温度变化的。线温升高，电阻值增大。无补偿时线温比有补偿时高，在补偿以后其线路损耗一定会减少50 %以上。经实际测试补偿使得馈电损耗减少了75%以上，ΔP 值只为原来的1 / 4 以下。
电容补偿方式很多，交流电动机就地无功补偿是让供电部门和电力用户双收益的最佳补偿方式。但也是实施技术难度最高的。如：电动机的就地全无功补偿的准量控制，尤其是电动机Y/Δ 两种运行方式下，动态转换时补偿量的跟随，以及如何卸除集中补偿袭入过补量的骚扰等等，仍是当今科技界技术攻关的课题。
3.抑制“发电机效应”
(1)三相异步电动机其定子旋转磁场的转动速率是每分钟(50×60×2/极数)转。转子受到旋转磁场的牵引而转动，其转速稳定在一个略低于旋转磁场转速的“额定转数”正常运行。在特种工况下，如受到负载惯量顺势拖动的情况，则转子的转速会超过旋转磁场的转速，使电动机进驻“发电机效应”非正常运行。电动机“发电机效应”产生的电力，其频率、电压都不稳定，电压、电流的相位与供电原方的相位是相反的。严重损坏供电质量，造成电力浪费。
(2)抽油机系统的负荷特性，频频激发电动机进驻周而复始的“发电机效应”。如下试绘出常规型游梁式抽油机(在理想平衡)的扭矩曲线(图3)。
由曲线清楚表明(a)如果不设平衡块则整个下冲程悬点负荷扭矩为负值。(b ) 在加设平衡块即使在最理想平衡状态时，上冲程在“a ”、“b ”区间，下冲程在“c”、“d ”区间，其复合载荷扭矩为负值。载荷扭矩呈现负值，即促使电动机运行进驻“发电机效应”非正常运行状态。
(3)抑制“发电机效应”自动控制原理：“采用磁力定位，旋转光栏调制，光电探侧，获取‘发电机效应’本征信息，全自动控制对电动机三相电源，既行通断”，可靠地抑制了“发电机效应”的发生。控制系统响应度小于10ms。
4.电力开关触点消弧电路原理
该电路包括两个部分：(l)执行电路，它是由磁力开关(或交流接触器)和无触点开关组成，二者电力回路同相并联;控制回路分别接至控制器的相应接口。(2)控制电路，它是一个单路信息输入，双路信号输出，设置有固定延时的电子开关。当接通电源时无触点开关先导通，磁力开关后合闸;当切断电源时，触点开关先分断，无触点开关后截止。二者时间差20ms。这样就做到了触点开关“分”、“合”都不会产生电弧了。开关触点消除了电弧的烧灼。其接触安全可靠，器件有效寿命大为延长。其无触点开关电力回路每次只工作20ms ，器件经久耐用。
5.综合保护器
电动机长期安全经济运行是企业效益的保证。为此，电动机配电系统中需要加装多种功能的保护器。当前普遍应用的各种单一功能的保护器难以配套。DJNB系列产品的综合保护器单元组件，是一个具有缺相保护，过载、过流、过电压、欠电压保护，极限高压电、低电压快速保护，根除接触器接电电弧防触点烧蚀保护，防启动大电流电表保护，无功准量补偿卸除网路袭入过补应急卸脱保护，十项功能融汇于一体的电子电路原理的综合保护器。它采用了五路探测器对系统可能出现的故障信号进行全方位的监视，有五路电子线路前置级，两路保护执行级，两种主控电路都已制成集成电路专用芯片。
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DJNB产品特点：
DJNB-IC型补偿控制柜跟踪电动机运行中其无功负荷量的大小连续取样，补偿响应度小于0.02s;
谐波处理网络吸收供电线路上的高次谐波和高频谱能量并将其转换成基波能量;
动态跟踪，自动投切，分级准量补偿;
执行器件不采用功率可控硅，无该类器件的不良影响;
大功率系列采用一对一补偿型式机柜，交流接触器还可采用“消弧组件”——“消弧控制器”，既接触器开合不打火，不烧蚀触头，从而极大地延长了接触器的使用寿命;
投切执行器件选用最大安全档次的先进产品，可靠性高;
安装方便，操作简单，无需专人看管;
故障率低，使用寿命大于10年以上。
机械动力公司的10kW车床节能方案
设备：车床
电动机级数：4级
电动机额定功率：10kW
额 定 电 流：20A
额 定 电 压：380V
电动机接法：Δ
依据产品的性能和特点以及该电动机大马拉小车的工况和机械动力公司供电设备的供电质量和集中补偿的不足，电网的谐波污染等情况进行分析，适合配装天恒星 DJNB型电动机节能保护器;配装后该产品的综合节电率为35%。同时实现Y/Δ双向自动转换，全自动单机就地无功补偿，消除电网谐波等功能，实现完成实用电动机及其工作系统经济运行达到“整体电效能”的基本技术。
设备配置
需配装的设备名称：车床
电动机功率： 10kW
需安装的节电设备名称：天恒星?DJNB 节能保护控制器
型号：天恒星?DJNB型
功率：10kW
节能改造经济效益分析
根据节电率计算年节约的电费
依照《电工计算手册》1.732UICOSΦ：
1.732×0.38×20×0.8=10kWh
10kW电动机每小时耗电：10kWh
每度电价按平均电价0.55元计算，
10kWh×0.55元=5.5元/ kWh
按40%的综合节电率计算：
5.5元/kWh×40%=2.2元/kWh
既配装天恒星DJNB电动机节能保护器以后每小时可节约电费2.2元
如果按每天工作24h，每月工作30天计算，
2.2元/kWh×24h×30天= 1584元/月
按一年工作12个月计算
1584元/月×12个月=19008元/年
按实际每天工作8h计算，一个月工作30天计算
2.2元/kWh×8h×30天=528元/月
按一年工作12个月计算
528元/月×12个月=6336元/年
10年可节约电费63360元
该产品的使用寿命大于10年，63360元-18600元=44352元
注：在同一条线路上无论有多少台电动机在工作，其原理和计算办法都是相同的，节电率不变，投资回收期也不会变。
节电率的测试方法
1.测试方法
由于电动机在工作运行中，状况复杂，所带的负荷不断变化，因此配装节能柜后，检测其节电率比较困难，且影响节电率的因素很多。DJNB节能保护器在运行中消除电动机的无功消耗后，提高了电动机的工作效力，但提高的部分无法精确计算。故采用最基本的检测手段，用钳型电流表在配装DJNB节能保护器的电动机上，在“授控”和“非控”两种状态下，分别测量电流、电压，然后根据测量结果计算：《综合节电率》;根据功率因数表计算：《功率因数提高值》。
2.测试要求及说明
测试对象在“授控”和“非控”两种状态下运行时，必须尽量保持电动机所拖动的设备负荷相同，工作量相同，“授控”、“非控”时间相同。
