节能，不仅仅是电机
日期：2009-12-29 14:13:57 点击：
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能源的消耗对任何行业来说都是一个无法回避的话题，而随着如今越来越多的关注开始投向于化石燃料的燃烧会对全球气候造成怎样的影响，各种公司，不分大小，都开始寻找一种更节能的运营方式。显然，高能效电动机的出现是一种必然的趋势。但是电动机的高能效并不总是等于节省能源。
真正能产生节能效果的是一个要大得多的动作，一个将整个传动系统考虑在内的大动作。这是因为，一个高能效电动机即使在最佳运行状态下，也只能减少10%的能耗量。因此，要想大幅度节约用能，更重要的是对可以节能30%的电子速度控制装置和节能60%的优化机械系统的应用。
在考虑节约用能时，最大的一块蛋糕可能不是电子系统，而在于机械系统。
理解能量的损失
能量被定义为储存在一个系统中的功的总量或一个系统所能产生功的能力总和。如果部分电能流过一个系统时未能实际用于做功，则这部分电能被认为是被浪费了。换句话说，一个系统的效率越高，损失的能量就越少。
工程师们将进入系统的能量与系统输出的能量相减来计算系统工作时浪费的能量值，具体公式如下：Pin – Pout = Ploss 。
那么能量是怎么流失的呢？一个传动系统通常由一个电动机、一个驱动器、一套传动装置及其相关的线缆配置组成。能量可以从其中任一组件上流失。举例来看，在一个感应电动机中，就存在着摩擦、磁化和电阻损耗。一个电动机的构造设计与制造它所用的材料材质都会对能量损失产生重要的影响。
既然任一组件上都会发生能量流失，那么就让我们一个一个地来分析一下。
高能效电动机通常只能在特定运行环境下实现最佳性能表现。而当它在其理想环境之外工作时，它的表现可能尚不如一台常规电机。请在做出你的选择前确定，你已经充分理解了这些特性。
电动机——电动机产生能量损耗的主要原因有：轴承与密封圈的摩擦，电机风扇的风阻，表现为磁滞和涡流形式的铁损（由制作定子和转子叠合时采用的金属片质量所决定）、铜损（I2R损耗），以及谐波。
因此，改进电动机的用能效率可以通过使用更低阻抗的优质材料来达到，例如用铜代替铝来制造转子笼；亦可以通过增加电动机有功分量的大小来实现。这就是为什么高能效电动机的转子惯量比普通电动机要高的原因。不过这里必须要注意一点——有时候你会觉得使用一台标识着更高能效的电动机是一个更好的选择，即使这台电动机的额定功率要高于你实际需要的大小，但事实上，这个标识的能效数值只有在全负荷运作时才能达到。
一台10马力的电动机可能在能效排名中高于一台5马力的电动机，但是它所需的电流也要多得多。并且，一台非满负荷运行的电动机是非常低效的。有条经验法则是这样说的，保持电动机在其额定功率的80%~90%范围内使用是最好的。使用VFD（变频驱动器）可以帮助我们将电动机的速度降低，使其保持在最佳使用范围内。
配线——电缆同时具有两种损耗：电阻损耗和电容（能量的储存）损耗。导体中的电阻损耗与其直径成反比，与其长度成正比。按照设计标准，电缆中的整体能量损耗允许值为总传输量的5%。短又粗的导体能最大程度减少能量的损失。
传动装置——传动装置中的能量损耗主要是由于齿轮间相互咬合时产生的摩擦所带来的。例如，涡轮传动装置，就是一种效率最低的传动装置，因为它工作时包括了相当数量的滑动动作，从而产生了大量的摩擦。
缺乏足够的润滑同样也是摩擦和能量损耗产生的原因之一。错误的安装位置、温度和浸入深度是这里面的关键因素。润滑油的流动由其自身的温度和粘度决定。油的粘稠度越高，齿轮运动所需扭矩就越大。而油的温度越高，其介质就显得更为稀薄，同时损失的能量就越少。外壳的设计同样决定了内部组件的结构安排，以及润滑油的流动。
轴承和油密封圈同样也在高能效系统组件中占有一席之地。传动部件的效率由其自身的损耗和电动机和传动件之间的密封圈共同决定。输入的速度越快，传动装置产生的损耗和由于油剧烈波动而产生的损耗就越高。
变换器——当变换器或变速驱动器被用于动力传动系中以减少能量的消耗时，它们本身也会在运行中消耗电能。一个驱动器能对节能产生多大的效用取决于它能在多大程度上帮助你管理电动机运行情况以降低输出功率的能力。而其对电动机的转速、转速斜坡和有效扭矩的控制往往就直接转化为对能量消耗的管理。
提高系统效率
在设计高能效系统的时候，对系统或过程进行一个全面的审视是很重要的。当几台机器或者组件作为一个系统一起工作时，它们各自的工作效率必须相乘以得到整体的效率。
举例来说，当一台高效电动机的工作效率为95%左右，一套涡轮传动装置的效率就在50%~80%之间，具体数值由其构成和型号决定。而将这台高效电动机与涡轮传动装置一起使用时，却无法达到预期的生产效果，因为这个系统的整体工作效率会更接近传动装置的效率，而不是电动机的。
充分理解这一事实与正确选择合适的组件同样重要。高能效电动机的设计初衷都是为了能在持续的运行中，例如风扇或泵，减少能量的消耗。因此，它们的转子通常比普通电动机更重一些控制工程网版权所有，以使它们在启动后能更好地利用惯性的作用。但是在一些应用中，电机需要间歇性地运行，频繁地启动与停止，这时，这些重量较大（通常尺寸也较大）的大惯性转子就成了真正的能量燃烧器，因为它需要更多的能量来启动这些高能效电动机。
现在想想你身边有的设备，比如在机场和包裹处理系统常见的分类器、推进器和索引器；或者自动化工厂里的传输带、包装机械上的出料传输带之类的设备；也可以是大型包装机械，如码堆机和托盘包装机。用于这些机械的高频电动机可能只会全速运行几秒钟的时间，但却时时处于启动状态。因此在这些应用场合，采用低惯性转子的电动机会节省大量的能源。
极具实用性的工程设计
在不同场合的应用需要进行不同的工程设计来实现对能量损耗和消耗的减少。以下案例仅仅代表了其中的两种思路。
传送带——许多用于汽车装配、包装或包裹处理的传送带系统通常是由一整套包括一台NEMA结构电动机、一个外置离合器制动器、减速器、V型皮带和数个皮带轮在内的设备组合驱动的。由于系统设计时的采用高惯性因素的作用和每次使用离合器时设备的重复振荡，使得各个组件时时都处于巨大的压力之下，因此，必须经常更换减速器和离合器，从而造成了频繁的停工，产生了令人难以接受的额外能量消耗。
虽然单次的启停操作可能只消耗了数分之一秒的能量，但是在这些应用中，这种启停可能每小时就会发生数千次。如果以月乃至年计，其对能量的消耗和由此产生的设备热损是无法估量的。
有一种效率更高的IEC型齿轮电动机可以取代这类笨重的传动系统设计，它包含了一个完整的制动器、一个轴装式螺旋锥齿轮减速机和一台变频驱动器。这种最新型的系统降低了维护强度，减少了配件的更换和能量的消耗，保证了设备能够拥有更长的持续工作能力。
存储与检索——在一个常见的，如工厂配备件管理仓库里使用的垂直型存储与检索系统中，通常有两台驱动器分别处理纵轴和横轴上的动作。由于能量的大小和质量与高度的乘积成正比，因此储存在架子上的货物就有了潜在的能量。这些能量在货物的高度下降时就会释放出来。
同样的，我们也要考虑到水平方向上负载移动时的动能。让我们看看当这个惯性不小的水平负载减速运动时，能量发生了什么变化。在常规控制中，两根轴线上释放出来的能量都浪费在了制动电阻身上，损失了大量的动力。有一种可以获得更高能效的方法是，通过一个可编程控制器紧密地控制两个驱动器动作的时机。这样，一台驱动器制动时产生的能量就能够成为另一台动作的动力了。
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能源的消耗对任何行业来说都是一个无法回避的话题，而随着如今越来越多的关注开始投向于化石燃料的燃烧会对全球气候造成怎样的影响，各种公司，不分大小，都开始寻找一种更节能的运营方式。显然，高能效电动机的出现是一种必然的趋势。但是电动机的高能效并不总是等于节省能源。
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真正能产生节能效果的是一个要大得多的动作，一个将整个传动系统考虑在内的大动作。这是因为，一个高能效电动机即使在最佳运行状态下，也只能减少10%的能耗量。因此，要想大幅度节约用能，更重要的是对可以节能30%的电子速度控制装置和节能60%的优化机械系统的应用。
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理解能量的损失
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能量被定义为储存在一个系统中的功的总量或一个系统所能产生功的能力总和。如果部分电能流过一个系统时未能实际用于做功，则这部分电能被认为是被浪费了。换句话说，一个系统的效率越高，损失的能量就越少。
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高能效电动机通常只能在特定运行环境下实现最佳性能表现。而当它在其理想环境之外工作时，它的表现可能尚不如一台常规电机。请在做出你的选择前确定，你已经充分理解了这些特性。
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电动机——电动机产生能量损耗的主要原因有：轴承与密封圈的摩擦，电机风扇的风阻，表现为磁滞和涡流形式的铁损（由制作定子和转子叠合时采用的金属片质量所决定）、铜损（I2R损耗），以及谐波。
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因此，改进电动机的用能效率可以通过使用更低阻抗的优质材料来达到，例如用铜代替铝来制造转子笼；亦可以通过增加电动机有功分量的大小来实现。这就是为什么高能效电动机的转子惯量比普通电动机要高的原因。不过这里必须要注意一点——有时候你会觉得使用一台标识着更高能效的电动机是一个更好的选择，即使这台电动机的额定功率要高于你实际需要的大小，但事实上，这个标识的能效数值只有在全负荷运作时才能达到。
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一台10马力的电动机可能在能效排名中高于一台5马力的电动机，但是它所需的电流也要多得多。并且，一台非满负荷运行的电动机是非常低效的。有条经验法则是这样说的，保持电动机在其额定功率的80%~90%范围内使用是最好的。使用VFD（变频驱动器）可以帮助我们将电动机的速度降低，使其保持在最佳使用范围内。
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配线——电缆同时具有两种损耗：电阻损耗和电容（能量的储存）损耗。导体中的电阻损耗与其直径成反比，与其长度成正比。按照设计标准，电缆中的整体能量损耗允许值为总传输量的5%。短又粗的导体能最大程度减少能量的损失。
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传动装置——传动装置中的能量损耗主要是由于齿轮间相互咬合时产生的摩擦所带来的。例如，涡轮传动装置，就是一种效率最低的传动装置，因为它工作时包括了相当数量的滑动动作，从而产生了大量的摩擦。
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缺乏足够的润滑同样也是摩擦和能量损耗产生的原因之一。错误的安装位置、温度和浸入深度是这里面的关键因素。润滑油的流动由其自身的温度和粘度决定。油的粘稠度越高，齿轮运动所需扭矩就越大。而油的温度越高，其介质就显得更为稀薄，同时损失的能量就越少。外壳的设计同样决定了内部组件的结构安排，以及润滑油的流动。
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轴承和油密封圈同样也在高能效系统组件中占有一席之地。传动部件的效率由其自身的损耗和电动机和传动件之间的密封圈共同决定。输入的速度越快，传动装置产生的损耗和由于油剧烈波动而产生的损耗就越高。
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提高系统效率
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现在想想你身边有的设备，比如在机场和包裹处理系统常见的分类器、推进器和索引器；或者自动化工厂里的传输带、包装机械上的出料传输带之类的设备；也可以是大型包装机械，如码堆机和托盘包装机。用于这些机械的高频电动机可能只会全速运行几秒钟的时间，但却时时处于启动状态。因此在这些应用场合，采用低惯性转子的电动机会节省大量的能源。
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同样的，我们也要考虑到水平方向上负载移动时的动能。让我们看看当这个惯性不小的水平负载减速运动时，能量发生了什么变化。在常规控制中，两根轴线上释放出来的能量都浪费在了制动电阻身上，损失了大量的动力。有一种可以获得更高能效的方法是，通过一个可编程控制器紧密地控制两个驱动器动作的时机。这样，一台驱动器制动时产生的能量就能够成为另一台动作的动力了。
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