超越汽车，减少能源使用
随着能源成本影响到每一项业务，以及人们对燃烧化石燃料如何影响世界气候的担忧日益增加，各种规模的公司都在探索提高能源效率的方法。使用高效电机似乎是一个合乎逻辑的解决方案。但电机效率并不总是等于节能。
|
随着能源成本影响到每一项业务，以及人们对燃烧化石燃料如何影响世界气候的担忧日益增加，各种规模的公司都在探索提高能源效率的方法。使用高效电机似乎是一个合乎逻辑的解决方案。但电机效率并不总是等于节能。
真正的节能潜力涉及到一个更大的问题，需要考虑到整个动力系统。这是因为即使在最佳运行条件下，节能电机也只能减少10%的能源使用。在节省大量能源方面，更重要的是使用电子速度控制，可以减少30%的能源消耗，并优化机械系统，可以减少60%的能源消耗。
理解能量损失
能量被定义为存储在系统中的功或系统做功的能力。如果流经系统的任何电能没有实际用于做功，那么它就被浪费了。换句话说:系统效率越高，损失的能量就越少。
为了计算由于系统效率低下而损失的能量，工程师们使用以下公式来确定引入系统的功率(P)与输出的能量相比在- P出= P损失
那么能量是如何损失的呢?典型的动力传动系统由电动机、驱动器、传动装置和线路组成。每个组件的能量都可能损失。例如，在异步电动机中，存在摩擦、磁化和欧姆(电阻)损耗。电机的设计和用于制造它的材料的质量都可能导致能量损失。
由于每个组成部分都可能导致能量损失，让我们单独考虑每个组成部分。
| 节能最容易实现的可能是机械，而不是电气。 |
汽车电机中能量损失的主要来源是轴承和密封件的摩擦、电机风扇的风阻、以迟滞和涡流形式出现的铁损失(基于用于构建定子和转子片的金属板的质量)、铜损失(I2R损失)和谐波。
提高电机的能源效率可以通过使用电阻更低的更好的材料来实现，比如用铜代替铝的转子保持架。电机效率也可以通过增加电机主动元件的尺寸来提高。这就是为什么高效率电机具有较高惯性转子的原因。但这里要小心-虽然它可能是诱人的使用电机与更高的马力额定值比您的应用程序要求仅仅因为他们的铭牌效率更高，效率是基于满负荷运行。
一个10马力的电机可能被列为比5马力的电机更有效，但它会使用更多的电流。而部分负载的马达效率极低。一个好的经验法则是在80%到90%的利用率范围内运行电机以获得最佳效率。vfd(变频驱动器)的使用允许您放慢电机速度，以保持最佳利用率。
布线-电缆会产生欧姆和电容(能量存储)损耗。导体中的欧姆损耗与直径成反比，而与长度成正比。按照标准设计，电缆上的总功率损失可达传输功率的5%。电缆越短，导体直径越大，能量损失越小。
传动装置齿轮传动的损失主要是由于齿间运动引起的摩擦。例如，蜗杆齿轮是效率最低的齿轮类型，因为它们经历了大量的滑动，因此产生了显著的摩擦。
缺乏足够的润滑是摩擦和导致能量损失的另一个来源。不正确的安装位置，温度和浸泡深度是这里的关键因素。油的流动是由它的温度和粘度决定的。油越厚，移动齿轮所需的扭矩越大。油温越高，介质越薄，功率损耗越低。壳体的设计也决定了元件的排列，从而决定了油流。
轴承和油封也在节能运行中发挥作用。齿轮箱的效率受电动机和齿轮箱之间的密封以及齿轮箱的损耗的影响。输入转速越高，轴承的损耗和油中的搅拌损耗越高。
逆变器-虽然逆变器或变速驱动器经常被添加到动力系统中以减少能源消耗，但它们在运行中也会消耗电力。驱动器对节能的贡献在于它允许您管理电机操作以减少输出功率的能力。管理电机速度，坡道和可用扭矩直接转化为管理功耗。
提高系统效率
在设计能源效率时，对系统或过程采取全面的看法是至关重要的。当几台机器或部件作为一个系统串联工作时，必须将它们各自的效率额定值相乘，才能得到总体效率额定值。
例如，虽然高效电机的效率等级约为95%，但蜗轮蜗杆的效率在50%至80%之间，具体取决于制造和型号。因此，使用带有蜗杆传动的高效电机将适得其反，因为系统的整体效率等级将更接近齿轮传动而不是电机。
对应用程序的理解在组件选择中同样重要。高效电机的设计是为了减少连续运行操作的功耗，如风扇或泵。因此，它们通常具有比标准电机更重的转子，这使它们能够在启动后利用惯性。但是在电机间歇运行，频繁启动和停止的应用中，较重(通常直径较大)，高惯性转子可以成为真正的能量燃烧器，因为它需要更多的能量来启动这些高效电机。
现在考虑一下您站点上的设备，例如分拣机、推挤机、索引机，这些设备通常在机场和包裹处理系统中找到。或者应用于汽车工厂的输送机，包装机器上的送料输送机，或大型包装机器，如托盘机和托盘包装机。为这些高循环应用提供动力的电机可能只能全速运行几秒钟，但它们大部分时间都处于启动模式。对于这些应用，具有较低惯性转子的电机将使用更少的能量。
| 高效电机的设计是为了在特定的操作条件下提供最佳性能。在其理想应用之外使用高效率设计可能导致比传统电机更差的能源性能。在选择之前，请确保您了解这些特征。 |
面向应用的工程
不同的应用需要不同的工程解决方案来降低功耗和功耗。下面的例子只是两种节约能源的方法。
输送机许多传送带系统，如用于汽车装配、包装或行李处理的传送带系统，由包括nema框架电机、外部离合器制动器、减速器、v形带和滑轮在内的组件组合提供动力。这种设计方法所涉及的高惯性因素以及每次离合器接合时设备的反复震动对部件造成了严重的压力。减速机和离合器制动器必须经常更换，导致停机时间和能源消耗率是不可接受的。
虽然单个启动/停止循环可能只使用不到一秒的能量，但其中一些应用可能涉及每小时数千次循环。当按月或按年复合时，对能源使用和组件热损伤的影响是显著的。
对于这种笨重的传动系统设计，一个更有效的替代方案是iec型减速电机，它带有一个整体制动器、一个轴装式斜锥齿轮减速器和一个变频器。这种流线型系统减少了维护、零件和能源的使用，同时增加了设备的正常运行时间。
存储与检索在一个垂直存储和检索系统中，就像那些用于制造工厂管理零件库存的系统一样，一个驱动器控制行走轴，另一个驱动器控制提升轴。由于能量与质量x高度成正比，因此存储在机架中的物品具有相关的势能。当负荷降低时，能量就会释放出来。
还要考虑水平载体运动时的动能。当这个高惯量水平载荷减速时，这个能量会发生什么变化?与传统的控制，释放的能量，两个轴是耗散使用制动电阻，导致显著的功率损失。更节能的解决方案是使用可编程控制器紧密协调两个驱动器的运动时间。这允许在一个驱动器的制动操作期间产生的再生能量被转移到动力的运动操作的第二个驱动器。
通过利用这种可再生的电力共享，总能耗大幅下降，在25%到40%的范围内，具体取决于系统，而不会减少系统动态或循环时间。
效率的焦点因素
节能设计要求降低功率损耗和功耗。
以下是减少电力损耗需要关注的五个关键因素:
提高齿轮单元效率;
提高电机效率;
消除不必要的功能;
通过直接利用、制动能量再生、储能等方式利用/回收释放的能量;和
根据需求尺寸组件。
除了减少功率损耗，工程师还应该关注降低功耗，以解决功率损耗方程的两个部分。以下是四个关键的功耗因素:
降低/控制输出速度;
通过刚性传动元件、配重和最大限度地减少摩擦来减少负载扭矩;
采用节能模式;和
关掉设备。
底线是，当涉及到电动系统时，没有单一的节能解决方案。传动系统的每个组成部分都提供了提高效率和减少功率损失的机会。这些机会因应用程序而异，所需的工程解决方案也是如此。能源智慧型需要重新思考旧的假设和做法。最重要的是，这将意味着在每个系统、每台机器和每个过程中进行节能工程。
| 作者信息 |
| 里奇·明茨是SEW-Eurodrive的产品营销主管。可以联系到他rmintz@seweurodrive.com． |
IBM成立绿色西格玛联盟
IBM与其计量、监视、数据通信和自动化合作伙伴建立了独特的安排，将其技术资源集合起来，为能源、水、废物和温室气体管理提供智能解决方案。https://budurl.com/tnun
法规遵从文件
针对制造业及其供应商，来自电信行业协会的一系列白皮书解决了诸如RoHS、WEEE、REACH和EuP指令等法规遵从性问题。
https://budurl.com/jufk
RSTechED专注于可持续性
从基于多种因素的预测建模到将业务数据驱动到工厂车间，罗克韦尔软件的方向显然是以可持续能源和生产效率为中心的。https://budurl.com/5fn5
您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。
