能源管理:迈向更高效率的第一步

栏: 变频驱动如何降低能源成本 通过公共直流母线重复利用能量

作为一名工程师，您面临着无数的目标领域，以获得更高的效率。尽管最近一些能源价格大幅下跌，但仍然没有比关注你的设施的能源使用更好的地方了。这些价格不会长期保持在低位，这意味着随着时间的推移，你现在采取的削减能源成本的措施实际上会增加企业的价值。

本系列文章旨在强调离散和过程制造工厂中更直接和易于补救的能源问题。关于如何识别和解决这些问题的基本建议涵盖了每个领域。

设备和机器用电情况

贝加莱的产品经理科里·莫顿(Corey Morton)说，对于有兴趣管理其设施能源使用的工程师来说，重要的第一步是了解他们消耗了多少能源以及如何使用这些能源。他说:“通过与当地公用事业公司合作，使用便携式测量设备或安装能量测量设备，这很容易做到。”

由于工业部门占美国能源消耗的最大份额，因此节约能源的内在潜力也更大。

莫顿说，解决能源使用问题最简单的方法之一是让工程师观察他们工厂的运作方式，制定一项被称为“减负荷”的能源管理原则。他说:“例如，假设一家工厂实行两班制生产。”它们的许多操作可能是气动的，并由中央空气压缩机提供。因为只有两班，所以在第三班时不需要运行压缩机。同样的思路可以很容易地扩展到暖通空调系统、植物照明和水系统。”

另一个解决能源消耗的简单方法是观察“运行需求”。如果一个工厂在生产过程中也使用大量的水，那么用水量将根据任何时候运行的机器数量而变化。Morton指出:“如果驱动泵的电机在整条线路上运行(即，通过接触器在线路电压下打开/关闭它们)，则消耗的功率与实际需求无关。”这个问题可以通过测量需求(流量)和根据需求改变泵的转速来解决。

解决运行需求的另一个好处是“功率因数”的提高，因为驱动器/电机系统通常比单独的电机具有更高的功率因数。一般来说，功率因数是衡量电厂如何利用其功率的一个指标。莫顿说:“较低的功率因数意味着公用事业和发电厂的配电系统必须能够提供用于产生工作(实际功率)的电力，以及视在功率。”“因此，公用事业公司可能会向功率因数较低的电厂收取附加费。”

上面提到的泵的应用也可以作为“峰值需求”的一个例子。每次泵启动时，根据电机尺寸的不同，可能会产生较大的涌流。反过来，这将导致工厂的电力消耗瞬间增加。许多电厂根据典型需求与公用事业公司签订费率合同。任何需求高峰都可能足以推动电厂在整个计费周期内采用更高的费率。莫顿说:“限制这种涌流的一个简单方法是使用软启动器或驱动器，使电机达到运行速度，从而减少启动电流。”

甚至已经使用驱动器的应用程序也可能为能源管理提供机会。例如，应用程序可能具有电机驱动的部分，用于展开材料，处理材料，然后倒带成品材料。莫顿说:“在这种情况下，放松通常以再生模式运行，这意味着动力从马达被推回驱动器。”“驱动力必须用这种能量做点什么;在许多情况下，它只是用电阻释放能量——通常被称为制动电阻。因此，再生的能量被浪费了。利用这种能量的一种方法是共享每个驱动器的直流总线(参见直流总线侧栏了解更多信息)。这使得驱动器消耗的能量可以利用放松驱动器的再生能量。”

莫顿指出，虽然共享每个驱动器的直流母线可以减少浪费的能量，但它可能不会完全消除浪费。他补充说:“可能仍然需要制动电阻来消散多余的能量。”

电机和驱动器

考虑到电机系统是工业能源消耗的三大来源之一(见“美国工业能源消耗(图表)，自动化工程师将大量注意力集中在这个领域是有意义的。

“令人惊讶的是，只有30%的制造业在他们的三相电机中使用变频驱动器(vfd)，”安川电机的下一代产品总监Ron Koehler说。然而，将变频器应用于三相电机是工程师可以直接影响公司底线的一个领域。

Koehler建议工程师考虑以下四个与驱动器相关的问题，以便通过使用驱动器来节省能源和金钱。Koehler说:“这些建议最好的一点是，它们的实施不需要任何成本，所以好处只能是积极的回报。”

• 停止过大的驱动器和电机。检查特定项目所需的负载要求，以最大限度地发挥驱动器的潜力。如果你降低一个驱动器的速度和扭矩，它将明显减少完成这项工作所消耗的能量。工程师应该能够查看正在执行的应用程序，并确定完成工作所需的驱动器大小。

• 无鳍的驱动器。这些特别设计的驱动器是有益的，因为它们可以减少对额外冷却方法的需求。这是可能的，因为一个特殊的散热器功能允许释放热量的驱动器的背面。总的来说，这减少了所需的机柜尺寸，并限制了驱动器所需的冷却量。

• 通过使用开/关散热器风扇控制操作顺序。使用自动开/关风扇控制将减少不必要的电力使用，因为你将节省能源和金钱，当它不被使用。这听起来像是一个简单的想法，但很多时候它并没有被执行，精力也就白白浪费了。工程师应该确保驱动器具有此选项并且正在使用。

• 永磁控制。永磁(PM)控制电机利用磁场对电机有利。Koehler说，这些电机能够增加节能，甚至高于NEMA标准。他补充道:“有时它们可以比高效电机好几个百分点。”

要访问本文的第二部分(最初发表于2009年2月)，请单击这里。

作者信息

大卫·格林菲尔德是控制工程。可以联系到他david.greenfield@reedbusiness.com

变频驱动如何降低能源成本

许多供应商都在宣传变频驱动器(vfd)的节能潜力。那么它们是如何降低能源成本的呢?SEW Eurodrive的美国产品经理Rich Mintz说:“通过消除电机启动时的高涌流。“公用事业公司根据用电高峰向客户收费。通过限制启动峰值并保持尽可能低的峰值需求，变频器可以节省大量资金，特别是在高循环应用中。”

明茨解释说，感应电动机的基本原理是将电压施加到电机绕组上，在绕组中引起旋转电磁场。同时，在转子中产生磁场。

“这两个领域并不同步，”明茨说。“转子移动，试图捕捉定子中的旋转磁场。定子内旋转场的转速与转子的转速之差称为转差。使这种滑移最小化的作用力是扭矩。滑差越大，电机为减小滑差而需要的电流就越大。

跨线启动感应电机使电机产生高启动电流(高达标称或满载电流的10倍)以使电机转动。Mintz说，当电机在线路上启动时，转差率为100%，因为电机试图“捕捉绕组中突然产生的旋转电磁场”。

“为了赶上，电机将尽可能多地吸取电流。当电机达到其标称速度时，滑差被最小化，因此电流将下降到其运行或标称电流以保持速度，”Mintz解释说。

通过应用变频器，电压和频率在一个可选择或可调的线性斜坡上施加和调整。“因此，电机的速度永远不会远离电磁场的旋转速度——这意味着滑移总是最小的——所以它永远不会产生大电流来弥补差异，”明茨说。

大型工业或发电公司将发现有必要探索VFD频谱的更大一端。对于此类操作，大中压变频器可以是实现节能和改善电气系统性能的更好选择之一。

西门子能源与自动化核能驱动业务总监Mark Harshman表示:“在过去的20年里，大型工业和发电公司已经开始采用这项技术，其效果得到了很好的证明。”

Harshman解释说，MV变频器的节能是通过机械和电气方面的优势来实现的。

他说:“机械和电气的优势共同提供了显著的市场增值节省。”“例如，发电厂可以实现1.0-1.5%的热率改善。通常用于泵应用的节流阀控制和风扇应用的阻尼器控制的能量现在可以重新投入电网和客户使用。此外，大型MV变频器的高可用性可以包括多个开关器件和一个过程宽恕控制程序。”

哈什曼说，许多工程师认为大型变频器易于安装/改造到一个过程中。他说:“它们可以安装在工厂的任何地方，并且可以很容易地在任何现有的发动机上进行改装。”

通过公共直流母线重复利用能量

安川电气下一代产品主管Ron Koehler表示，在一个协调系统中，至少有两个变频驱动器组合在一起的应用可以利用将几个逆变器连接到一个共同的直流母线上的优势。通过公共直流总线连接变频器，允许在直流总线上分担功率负载，因为不同的逆变器同时驱动电机并产生电力。

“这是它的工作原理，”克勒说:“减速过程中产生的可再生能源可以重新使用，并直接回收到生产线上，以达到最佳的系统能源效率，而不是浪费掉它。工程师可以重新配置他们的系统，以确保这些能量得到合理利用，从而减少整流器所需或使用的功率，使系统更高效。”

由于直流母线端子是大多数变频器的标准配置，因此材料成本最低;然而，Koehler补充道:“工程师的参与是必要的。”

公共总线连接提供将能量从再生负载传回主输入线路的能力。

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