自适应工具，工程化可以降低驱动系统能耗

工业消耗了世界上近一半的电能，其中电力驱动占了大部分。提高能效得到了各工业化国家和工业龙头企业高层的支持。连续操作中的机器自动化，如汽车，物料处理，包装，食品和饮料行业，对节能机械的需求增加。设计工具和电力驱动组件可以减少能源使用，从而减少污染，节约资源，降低能源成本，而不牺牲生产力。

生产过程、自动化运输和工厂物流的几乎每个环节都使用电力驱动。在工业应用中发现的大多数驱动器的输出功率在100瓦到几兆瓦之间。过程工程工厂主要采用高输出功率的驱动器。相比之下，工厂自动化和物流中心使用的驱动器数量更多，输出功率更低。在典型的汽车制造工厂或自动化配送中心可以找到数千个驱动器。即使是一个普通的工厂，通常也有几百个驱动器在操作过程和机器。

计算总驱动能量

驱动系统中能源成本的计算通常等同于采购成本的重新计算。驱动系统的整体成本效益只能作为生命周期成本(LCC)分析的一部分进行评估。尽管LCC分析是业务管理中常用的工具，但很少用于驱动器。随着能源成本的上涨，这种情况正在改变。在未来，机器操作员将越来越多地将运行成本纳入他们的采购决策中，并期望从供应商那里获得足够的信息。

多个参数决定驱动能效。在评估一个既定过程的总能源效率时，整个驱动系统，包括变频器、电机和变速箱，值得考虑。在部分负载工作范围内，所有驱动部件的工作效率相对较差，因此产生与机械过程成比例的高损耗。机器要求和负载相关的功率要求定义得越精确，驱动元件的选择就越好。驱动系统的最佳效率往往存在于额定功率附近的一个窄带内。尽管如此，作为一种保障措施，驱动器通常都是超大的。一个超大的驱动器成本更高，运行低于其额定功率，效率相对较低。准确的定尺机驱动到应用所需的最大机械能是关键的第一步。

电机和驱动器的选择

强大的工程和配置工具可以帮助机器工程师在设计和开发阶段设置正确的路线。新的软件帮助设计工程师选择合适的驱动器和电机，以获得最佳的机器性能。软件能够精确确定过程变量，评估组件，并帮助优化协调。软件可以根据用户输入的机器扭矩、时间和运动曲线来确定部件的尺寸，并生成指定何时何地以及通过何种方式实现高效节约的数据。结果表明，采用差别化损失模型计算了主要传动系统部件的能耗。

有些软件需要重新计算来比较各种情况。理想情况下，软件应该以简洁易懂的图形格式工作，清楚地显示每个组件的使用情况，并对多个设计场景进行比较分析和回报。该软件应简化设计和尺寸过程，并将驱动节能转换为使用的千瓦，燃料成本和浪费的二氧化碳。软件还应提供可靠的数据，在机械性能数据的基础上快速计算溶液的变化。这些值可用于确定能源成本和二氧化碳排放量。通过比较解决方案，用户可以确定部件的最佳组合和驱动任务的最佳运动顺序。优化的力学和减少的惯性和摩擦从根本上降低了动力需求，以满足驱动。

表1:整个系统的优化潜力和效果

供电/供电恢复	逆变器与	电动机
在直流母线连接++	能量优化电机控制++	使用同步电机++
电源恢复到主电源	开关频率适中，如8khz	采用IE2或120hz电机++
	2开关调制，如逆变器驱动0	使用速度设定范围+
		87赫兹操作标准电机+
齿轮箱与…	大力优化机械部件与
高效率++	低摩擦++
低阶段数+	低惯性+
避免非常高的驾驶速度	优化电机外形+

关键字:++ =高，+ =中，0 =低

上表显示了节能潜力的概述，并提供了优化驱动系统能源效率的提示。由Lenze Americas提供

高效的汽车

最广泛使用的IE1级电机已逐步淘汰，并禁止在一些新安装中使用。随着机器市场向所需的更高效率电机过渡，软件可以帮助电机选择。某些电机帮助设计工程师避免增加机架尺寸和复杂的设计适应，以迁移到IE2级交流电机。开环和闭环控制操作可以实现变频器，与一些交流电机允许比传统的4极电机更高的标称速度。

有些电机可以弥补传统伺服电机和高效IE2级交流电机之间的差距，标称频率为120hz，速度设定范围为1-24。集成的高传动比齿轮箱可以实现更高的输出速度，最高可达3,500 rpm。直角齿轮箱和轴向齿轮箱的效率从94%到98%不等，确保了几乎无损失的能量转换。低惯性转化为更少的能量消耗在速度变化。在额定运行期间，一些三相电机超过IE2类电机的最低效率，但不受IEC 60034-30的影响。某些电机可以指定比同等功率的IE2电机小两个尺寸。多功能功能可以减少电机库存，因为一个电机可以适合可能需要多个传统电机(不同的框架尺寸和功率范围)的应用。

IE3效率等级的电机比具有相同功率输出的IE2等级的电机要大得多，也贵得多，因此，只应用于在额定速度和高负载下永久运行的应用中。通常实现更高的能源效率的更好的解决方案是使用一个逆变器，以适应驱动器的输出功率的应用。

表2:生命周期成本

1. 采购成本-驱动部件的成本
2. 运行成本-运行能源成本
3. 维修成本
4. 处理成本

在阶段1和阶段2中存在最小化生命周期成本的机会。由Lenze Americas提供

逆变器的优点

为了提高效率，电机的输出功率必须适应不同的需要。能源效率取决于正确的尺寸和选择，以及对个别应用案例的高效产品的适应。在几乎所有的应用中，使用逆变器大大提高了能源效率。在趋于恒定的过程中，将电机的工作点调整到实际负载，可以大大减少损耗。可以设计动态运动序列，使能量效率尽可能高。例如，许多定位应用程序并不总是需要最大加速度和制动时间。调整到实际需要的动态大大减少了电机的损耗。

使用变频器自动调整电机电压，在标准三相交流电机的部分负载操作中产生更好的效率。通常，在部分负载运行时，三相交流电动机仍然提供比实际运行条件所需的更大的磁化电流。额外的节能可以与高效齿轮箱和逆变器驱动器相结合，内置节能软件用于电压频率控制。

这种节能特性使其可以减少高达30%的能源消耗。该软件专为集中式和分散式变频器设计，通过自动将电机的磁化电流降低到实际要求，使用负载和转矩测量来适应局部负载。此功能可在手动控制或满负荷运行时暂时禁用。

在负载变化的情况下，这种工作模式提供比市场上其他产品更好的动态性能。在长，极端部分负载阶段的应用中，电压降低可以降低平均所需功率。这使得该特性在部分负荷大、对动态性能要求低、负载变化不频繁的应用中特别实用，如物料搬运滚筒输送机、输送带、泵和风扇等。

这是非常值得检查与控制驱动器的所有应用，看看是否同步电机与提高能源效率可以提供更好的解决方案。控制驱动器与异步电机总是可以实现使用同步电机。这种驱动系统中的电机电流较低，因为永久激励的同步电机被磁化，而不是被提供的无功电流磁化，而是被永磁体磁化。这比使用相应的异步电动机可以实现更好的效率。但更低的电机电流也意味着更少的功率损耗在逆变器。根据应用，可以选择较小的逆变器，从而降低总驱动效率。

在当今的全球市场中，最大限度地提高能源效率、降低采购成本和缩短投资回收期只是机器工程师面临的一些挑战。智能和经济地使用能源的基础是对某些过程的稳态或可变要求的了解。考虑到总能量所占的高比例，提高电力驱动的效率是降低总能耗的最佳针对性方法。所有描述的提高能源效率的可能性都可以在软件中进行计算和比较，从而产生节能整机的设计模板。由此带来的好处很快变得明显:更少的功率导致更小，因此更经济的组件和更低的能耗。

有关技术细节，请参见:通过电机和驱动工具提高系统能源效率。

- Mariusz Jamroz是Lenze Americas的高级OEM商务工程师;由CFE媒体内容经理、控制工程、工厂工程和咨询指定工程师Mark T. Hoske编辑，mhoske@cfemedia.com．

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通过电机和驱动工具提高系统能源效率

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