前沿新知——电机与驱动系统能源效率的量化和分析
- 2024/12/3 16:13:12 15043
- 来源：控制工程网
【仪表网 行业科普】电机和驱动系统效率的测量结果表明，工业能效对机器设计很重要。
电机和驱动系统的能源效率是现代工业和技术进步的重要组成部分，有助于制造企业实现可持续发展和成本效益。通过量化和分析电机和驱动系统的能效，可以更好地了解哪些机器设计改进可以带来更多好处。
01 为什么工业能效很重要？
工业能效对于制造企业实现节能计划、机器效率提升和其它有用的改进非常重要。
在机器设计方面，使用节能电机和变频器除了可以为企业带来能耗降低方面的优势之外，还可以带来如下好处：
■ 成本效益：节能电机和变频器保持最佳性能，同时消耗更少的电能。这可以大大降低能源账单，缩短投资回报时间。
■ 设备寿命：热量形式的能量损失较小，这使机器运行温度更低，使用寿命更长。同时消耗更少的能量或更低的千瓦时。
■ 提高精度和控制能力：此外，产生的热量更少，减少机械磨损。这可以实现整体设计的优化，最大限度地减少电气噪声，并提高精度、响应能力和控制能力。
为了支持制造企业的可持续发展，相关组织和机构也出台了很多激励政策。各种能源赞助项目和能源效率计划为符合条件的申请者提供节省成本的机会和咨询。
例如，位于英格兰地区的一个示范项目，由Eversource 能源电气服务公司运营。对于该项目的“变频器和电机”计划，可以从其网站上获得相关信息，了解如何参与并可以获得最新和现有变频器和电机应用的信息。这类计划可以帮助公司节省节能改造费用，并根据每年节省的千瓦时或改造增量成本的百分比获得回报。
02 电机系统能源效率的测量和计算
对于电机和驱动能源效率的计算，本文列举的案例将着眼于480 V的计算以及如何使用测功机从理论和机械上获得数值。具体操作如下：
■ 了解如何使用能量分析仪测量能量使用情况；
■ 进行为期一周的功率读数监测。
作为预防性维护的一部分，计算电机和变频器的能源效率是评估性能和优化运营的一个重要方法。基本的理论涉及到计算理论能效(η)。
η=输出功率(Po)/输入功率(Pi)
对于电机，其中Po表示电机输送的机械功率，Pi表示提供给电机的电功率。同样，放大器的能量效率由输送功率(Po)与消耗功率(Pi)的比率决定。系统整体的效率精度将取决于对伺服驱动器(传导、开关、逻辑处理、备用电源等)和电机(铜损耗、铁损耗、机械损耗等)潜在功率损耗的评估。
一些用户可能更喜欢使用最新的技术和方法，这些技术和方法对为期几天的能源测量更具依赖性和准确性。在这些情况下，使用测量获得的信息，对评估和做出能源决策非常有用。在跨线电机启动器电路操作系统的测量中，最终报告出具的有功能量为1.385 MWh，标准能量成本为346.34美元，这是系统在特定时间段内消耗的总能量。
通过所选的能源研究软件，创建并跟踪能源使用和其它信息以发现趋势。有用的测量可能包括系统的功率因数，这是衡量电能转化为有用功的有效程度的指标。该比率是有功功率(kW)和视在功率(kVA)的比值。功率因数接近1代表高效运行。
测功机等可用技术也可用于全面了解测试、测量和绘制各种负载下电机的能源效率。使用测量所得的系统扭矩和转速(RPM)来确定功率输出：
输出功率=扭矩 * RPM * 2π/60
并确定电机消耗的功率输入：
输入功率=电压 * 电流* 功率因数
在理论和机械方法都可用的情况下，使用一种方法和工具来确保系统继续以最高效率运行并得到适当的维护。
03 量化电机和驱动效率成果
量化节能成果的一种方法是测量机器升级前后的实际能源使用量。这可以使用功率分析设备来完成，并给出能量使用的精确比较。重要的是要记住机器的性能曲线，即机器在测量过程中所做的实际工作，测量前和测量后两个阶段应相匹配。这样才能确保能源效率的公平比较。
本文涉及的能量分析是使用跨线电机启动器进行的。一旦面板通电，这类电路就会通电，并且只要有电源，就会一直通电。这就获得了稳定的电流供应，而与机器的实际能量需求无关。当接触器线圈通电时，L1-3触点闭合，线路电压和起动电流直接连接到定子绕组(图1)。
▲图1：图中显示了一个跨线电机启动电路。与使用软启动器或变频器相比，
将电机定子绕组置于线路电压和电流下，可能会缩短电机的使用寿命。
跨线电机启动器电路可以被替换为伺服电机，伺服电机被设计为节能型，可按需提供扭矩。这与空气泵和液压源以及跨线电机启动器不同，后者需要始终保持运行，以备机器有需求。然而，当没有需求时，伺服电机也可以降至零扭矩。与其它类型的能源相比，这提高了能源效率，并已被证明可以将机器能源使用量减半。
伺服电机使用伺服组件或伺服放大器来实现高效运行(图2)。伺服放大器部件包括双极结晶体管(BJT)、二极管、电容器和其它电气部件，允许伺服电机降低能耗。当机器需求较低时，伺服电机的电流消耗要低得多，从而提高了能源效率。效率的提升主要源于：改用伺服电机，将机器中的能源使用量减少一半；以及消除气泵、液压源等。
▲图2：伺服电机使用伺服组件或伺服放大器来实现高效运行。
此方框图描绘了Yaskawa 400-V Servopack的电气设计。图片来源：Yaskawa
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