【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)效率的測量結(jié)果表明，工業(yè)能效對機(jī)器設(shè)計很重要。
電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)的能源效率是現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)進(jìn)步的重要組成部分，有助于制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和成本效益。通過量化和分析電機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)的能效，可以更好地了解哪些機(jī)器設(shè)計改進(jìn)可以帶來更多好處。
01 為什么工業(yè)能效很重要？
工業(yè)能效對于制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能計劃、機(jī)器效率提升和其它有用的改進(jìn)非常重要。
在機(jī)器設(shè)計方面，使用節(jié)能電機(jī)和變頻器除了可以為企業(yè)帶來能耗降低方面的優(yōu)勢之外，還可以帶來如下好處：
■ 成本效益：節(jié)能電機(jī)和變頻器保持最佳性能，同時消耗更少的電能。這可以大大降低能源賬單，縮短投資回報時間。
■ 設(shè)備壽命：熱量形式的能量損失較小，這使機(jī)器運(yùn)行溫度更低，使用壽命更長。同時消耗更少的能量或更低的千瓦時。
■ 提高精度和控制能力：此外，產(chǎn)生的熱量更少，減少機(jī)械磨損。這可以實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計的優(yōu)化，最大限度地減少電氣噪聲，并提高精度、響應(yīng)能力和控制能力。
為了支持制造企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，相關(guān)組織和機(jī)構(gòu)也出臺了很多激勵政策。各種能源贊助項(xiàng)目和能源效率計劃為符合條件的申請者提供節(jié)省成本的機(jī)會和咨詢。
例如，位于英格蘭地區(qū)的一個示范項(xiàng)目，由Eversource 能源電氣服務(wù)公司運(yùn)營。對于該項(xiàng)目的“變頻器和電機(jī)”計劃，可以從其網(wǎng)站上獲得相關(guān)信息，了解如何參與并可以獲得最新和現(xiàn)有變頻器和電機(jī)應(yīng)用的信息。這類計劃可以幫助公司節(jié)省節(jié)能改造費(fèi)用，并根據(jù)每年節(jié)省的千瓦時或改造增量成本的百分比獲得回報。
02 電機(jī)系統(tǒng)能源效率的測量和計算
對于電機(jī)和驅(qū)動能源效率的計算，本文列舉的案例將著眼于480 V的計算以及如何使用測功機(jī)從理論和機(jī)械上獲得數(shù)值。具體操作如下：
■ 了解如何使用能量分析儀測量能量使用情況；
■ 進(jìn)行為期一周的功率讀數(shù)監(jiān)測。
作為預(yù)防性維護(hù)的一部分，計算電機(jī)和變頻器的能源效率是評估性能和優(yōu)化運(yùn)營的一個重要方法?；镜睦碚撋婕暗接嬎憷碚撃苄?η)。
η=輸出功率(Po)/輸入功率(Pi)
對于電機(jī)，其中Po表示電機(jī)輸送的機(jī)械功率，Pi表示提供給電機(jī)的電功率。同樣，放大器的能量效率由輸送功率(Po)與消耗功率(Pi)的比率決定。系統(tǒng)整體的效率精度將取決于對伺服驅(qū)動器(傳導(dǎo)、開關(guān)、邏輯處理、備用電源等)和電機(jī)(銅損耗、鐵損耗、機(jī)械損耗等)潛在功率損耗的評估。
一些用戶可能更喜歡使用最新的技術(shù)和方法，這些技術(shù)和方法對為期幾天的能源測量更具依賴性和準(zhǔn)確性。在這些情況下，使用測量獲得的信息，對評估和做出能源決策非常有用。在跨線電機(jī)啟動器電路操作系統(tǒng)的測量中，最終報告出具的有功能量為1.385 MWh，標(biāo)準(zhǔn)能量成本為346.34美元，這是系統(tǒng)在特定時間段內(nèi)消耗的總能量。
通過所選的能源研究軟件，創(chuàng)建并跟蹤能源使用和其它信息以發(fā)現(xiàn)趨勢。有用的測量可能包括系統(tǒng)的功率因數(shù)，這是衡量電能轉(zhuǎn)化為有用功的有效程度的指標(biāo)。該比率是有功功率(kW)和視在功率(kVA)的比值。功率因數(shù)接近1代表高效運(yùn)行。
測功機(jī)等可用技術(shù)也可用于全面了解測試、測量和繪制各種負(fù)載下電機(jī)的能源效率。使用測量所得的系統(tǒng)扭矩和轉(zhuǎn)速(RPM)來確定功率輸出：
輸出功率=扭矩 * RPM * 2π/60
并確定電機(jī)消耗的功率輸入：
輸入功率=電壓 * 電流* 功率因數(shù)
在理論和機(jī)械方法都可用的情況下，使用一種方法和工具來確保系統(tǒng)繼續(xù)以最高效率運(yùn)行并得到適當(dāng)?shù)木S護(hù)。
03 量化電機(jī)和驅(qū)動效率成果
量化節(jié)能成果的一種方法是測量機(jī)器升級前后的實(shí)際能源使用量。這可以使用功率分析設(shè)備來完成，并給出能量使用的精確比較。重要的是要記住機(jī)器的性能曲線，即機(jī)器在測量過程中所做的實(shí)際工作，測量前和測量后兩個階段應(yīng)相匹配。這樣才能確保能源效率的公平比較。
本文涉及的能量分析是使用跨線電機(jī)啟動器進(jìn)行的。一旦面板通電，這類電路就會通電，并且只要有電源，就會一直通電。這就獲得了穩(wěn)定的電流供應(yīng)，而與機(jī)器的實(shí)際能量需求無關(guān)。當(dāng)接觸器線圈通電時，L1-3觸點(diǎn)閉合，線路電壓和起動電流直接連接到定子繞組(圖1)。
▲圖1：圖中顯示了一個跨線電機(jī)啟動電路。與使用軟啟動器或變頻器相比，
將電機(jī)定子繞組置于線路電壓和電流下，可能會縮短電機(jī)的使用壽命。
跨線電機(jī)啟動器電路可以被替換為伺服電機(jī)，伺服電機(jī)被設(shè)計為節(jié)能型，可按需提供扭矩。這與空氣泵和液壓源以及跨線電機(jī)啟動器不同，后者需要始終保持運(yùn)行，以備機(jī)器有需求。然而，當(dāng)沒有需求時，伺服電機(jī)也可以降至零扭矩。與其它類型的能源相比，這提高了能源效率，并已被證明可以將機(jī)器能源使用量減半。
伺服電機(jī)使用伺服組件或伺服放大器來實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行(圖2)。伺服放大器部件包括雙極結(jié)晶體管(BJT)、二極管、電容器和其它電氣部件，允許伺服電機(jī)降低能耗。當(dāng)機(jī)器需求較低時，伺服電機(jī)的電流消耗要低得多，從而提高了能源效率。效率的提升主要源于：改用伺服電機(jī)，將機(jī)器中的能源使用量減少一半；以及消除氣泵、液壓源等。
▲圖2：伺服電機(jī)使用伺服組件或伺服放大器來實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。
此方框圖描繪了Yaskawa 400-V Servopack的電氣設(shè)計。圖片來源：Yaskawa
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