电机驱动系统效率更新

电动机由于其广泛的工业用途和有案可读的设计、性能和测试规范，已受到能效标准和法规的主要关注。在电机层面已经取得了重大的效率改进，但正在达到收益递减和经济极限。最近的发展集中在连接到电机的更大的“驱动系统”上，以持续提高效率。

通过弗兰克·j·巴托斯，体育 2012年6月19日

各发达国家均制定了交流异步电动机最低效率性能标准。这种电机类型已经引起了主要的关注，因为它在全球范围内拥有巨大的安装基础。汽车MEPS代表了美国在全球领先地位的一个领域，澳大利亚、巴西和加拿大等国家也占据了强有力的地位。最近，欧盟紧随其后，强制推行MEPS。此外，许多国家都有自愿制定的汽车效率标准，其中一些正在制定法律。

在美国，感应电动机的效率标准正在逐步提高。EPAct 1992(能源政策法案)于1997年实施，适用于1-200马力(0.75-150千瓦)的通用电机。EPAct 2005规定，政府购买的1-200马力范围内的电机必须具有更高的NEMA高级电机效率水平。《能源独立与安全法案》(EISA 2007)于2010年12月生效，将覆盖范围扩大到额定功率达500马力(375千瓦)的电机，以及以前不受MEPS限制的电机设计/品种。EISA增加的电机品种包括u型框架，NEMA设计C，紧密耦合泵电机，无脚电机，垂直实轴正常推力电机，八极(900转/分)和电压不超过600v(除230或460 V外)的多相电机。

能效电机的满载效率值分别列在美国电气制造商协会(NEMA)标准出版物《电机和发电机》(MG 1-2011)表12-11中，以及高级效率电机(随机缠绕和成形缠绕)表12-12、20-B(500马力以上的电机)和20-C(中压电机)中。

美国能源部(DOE)的另一项倡议是寻求将小型电机纳入能源效率的版图。所谓的能源部最终规则，“节能计划:小型电动机节能标准”，于2010年3月在联邦公报(10 CFR Part 431)上公布，涵盖了通用、开放式防滴漏、三相电动机，通常低于1马力，但某些类型可扩展到3马力。

具体来说，美国能源部的这项裁决将节能标准应用于1 / 4至3马力的电机，具有2极、4极和6极设计，框架尺寸为42至56。还包括具有相同功率范围和极数的单相电容启动电机，以及适用的IEC电机和相应的帧尺寸。该裁决的生效日期为2015年3月。

美国能源部对小型电机效率的裁决并没有受到电机制造商的欢迎。反对意见来自各种原因，例如更多样化的应用，不同的电机类型/设计，较少认可的测试方法等-相对于业界对大型感应电机的广泛经验(见参考文献1，在线)。

欧洲加入

同时，欧盟(EU)制定了一系列国际电工委员会(IEC)标准，涵盖交流感应和其他电机类型的各个领域。表1总结了组成多部分标准IEC 60034的法规。

表1:IEC全球电机能效标准

IEC指示	出版日期	标题
IEC 60034 - 1	2010	评级和表现
IEC 60034-2-1	2007	测定试验损失和效率的标准方法(牵引车辆用机器除外)
IEC 60034-2-2	2010	从试验中确定大型机器单独损耗的特殊方法。IEC 60034-2-1的补充
IEC 60034 - 30	2008	单速三相笼式感应电动机的效率等级(IE-code)
IEC 60034 - 31	2010	节能电机的选择，包括变速应用-应用指南
IEC 60034-2-3	在进行中	由变频驱动器(VFD)控制的变频器供电交流电动机的损耗和效率测定的特殊试验方法

资料来源:IEA, 4E电机系统和控制工程

IEC 60034-30中的电机尺寸范围已扩大至0.12-500 kW，适用于50 Hz单位。高达800千瓦的更高额定功率将有平坦的效率限制。更多的电机类型现在包括:所有定速，绕线转子同步，单相设计，和几乎所有的制动电机类型;以及变速永磁(PM)同步电机，转速范围为1000 - 5000 rpm。

IEC 60034-30定义了四种国际效率(IE)等级的交流感应电机:标准效率(IE1)，高效率(IE2)，优质效率(IE3)，和超优质效率(IE4)。IE等级大致对应于美国指定的某些MEPS，即IE2到EPAct, IE3到NEMA Premium值。在没有指定或可用的合格商业电机的情况下，还提出了更高的IE5级别。然而，与IE4级相比，该电机技术有望将损耗降低20%。

虽然交流感应电机一直是效率标准的主要技术，但这种电机类型越来越难以满足更高的IE要求。这就是其他电机类型发挥作用的地方，如PM同步。即将出台的标准将研究使用变频器的线馈电与转换器馈电电机(例如IEC 60034-2-3)。当VSD包含在电机系统中时，需要评估驱动器谐波损失和正弦滤波器效率。IEC技术委员会还在研究其他电机拓扑结构，如开关磁阻、电子换向和专门为VSD操作而设计的电机，这些都将被纳入未来的IEC效率标准。

根据IE类定义，欧盟法规EC第640/2009号在欧洲实施了强制性能源效率要求，具体时间如下:

IE2效率于2011年6月16日发布，适用于0.75-375 kW功率范围的电机
2015年1月1日的IE3效率，适用于7.5-375 kW功率范围的电机
2017年1月1日的IE3效率，适用于0.75-375 kW功率范围的电机。

这一规定的第二和第三阶段对变速驱动器提出了一个有趣的联系。(另请阅读:“增加驱动器以满足能源法规。”)

最高效率的电机提供了最大的好处的应用，电机运行在接近恒定的速度，每年运行大量小时。这些应用包括工艺气体生产和发电厂空气循环风机。然而，对于许多其他应用，大型电机驱动系统的部分在实施或重新设计或改造前需要进行效率评估。

超越电机

虽然MEPS的发展重点是电动机，但连接的设备对整体系统效率有着深远的影响。作为一个简单的例子，考虑电机和变速箱的组合。即使使用效率相当高的部件(有效率95%的电机和变速箱)，整体“系统”效率也只有90.2%。显然，其他连接的元素会进一步降低系统效率。

正是由于这个原因，提高电机驱动设备效率的努力正在获得动力。然而，制定完整的系统效率标准变得越来越困难。对于无数正在使用的工业和商业系统，效率数据有限或不充分。这种系统的复杂性和大量的变量使问题更加复杂。另一个发展领域是评估和改进部分负载性能(例如，在50%和25%负载下)，无论是电机还是连接设备。

目前还没有针对全电机系统的国际效率标准，但在电机泵、电机风扇和电机- vsd组合方面已经取得了一些进展(见侧栏)。参考文献2是国际能源机构的综合能源政策出版物，讨论了欧洲电机泵/风扇系统的区域标准和测试标准。

针对水泵(包括建筑水循环系统)和风机与电机和驱动器相结合的若干欧盟效率法规正在起草中。即将出台的能源效率(EE)法规包括2013年1月和2015年8月生效的循环泵日益严格的能源效率指数(EEI)值。对于125 W至500 kW功率范围的风扇，生态设计法规草案已到位，同样有两层效率要求，将于2012年和2015年生效(参考文献2)。

在美国，泵、风扇和压缩机目前没有监管标准。然而，能源部正在努力更新其系统效率的“最佳实践”方法，其中包括上述电机驱动设备。NEMA电机和发电机部门主席、ABB集团成员Baldor Electric Co.交流电机高级产品经理John Malinowski指出，NEMA和一个能源倡导者联盟是这一努力的一部分(见表2)。考虑到系统级效率的复杂性，将不同组织的专业知识和协同作用组合起来以开发最佳实践是有意义的。随着时间的推移，这样的最佳实践可以导致EE标准。

表2:与美国能源部和NEMA有关的一些能源倡导者

组织	URL
美国节能经济委员会	www.aceee.org
节约能源联盟	www.ase.org
ASAP -设备标准意识项目	www.appliance-standards.org
地球	www.earthjustice.org
液压研究所	www.pumps.org
西北能源效率联盟	www.neea.org
自然资源保护委员会	www.nrdc.org

马林诺夫斯基说，该财团和许多其他受邀者正在努力更新能源部工业技术项目(最近更名为先进制造办公室)开发的各种出版物。

相关活动包括软件工具的开发，以帮助实现EE系统、培训计划，以及向用户介绍这些系统的技术会议。值得注意的两年一度的会议包括在瑞士苏黎世举行的汽车峰会(下一届将于2012年12月举行)，以及2011年9月首次在美国举行的电机驱动系统能效会议(EEMODS)，下一届将于2013年在巴西举行。马林诺夫斯基补充说，美国国家能源管理局(NEMA)、美国能源部(DOE)和其他机构正在组织另一个促进节能系统的会议，会议定于2013年4月至5月举行。

工具，改造，教育

各种软件工具和最佳实践已经可用。以下是美国能源部先进制造办公室提供的免费在线软件工具:

风机系统评估工具(FSAT) -帮助量化工业风机系统的能源使用和节约机会(参考文献3)。
泵系统评估工具(PSAT)—能够计算泵系统的潜在能量和节省成本。泵性能数据来自液压研究所标准，电机性能数据来自NEMA的MotorMaster+数据库(参考文献4)。
AirMaster+ -帮助分析工业压缩空气系统的能源使用和潜在节省，作为现有应用或未来应用的基准(参考文献5)。

泵和压缩空气系统领域的其他著名合作项目包括泵系统问题(PSM)和压缩空气挑战(CAC)。PSM和CAC通过产品中性信息、培训和教育(参考文献6和7)帮助这些系统的用户提高能源效率和节约成本。

美国空调、供暖和制冷研究所最近发布了AHRI标准1210 (I-P)，变频驱动器的性能等级，用于交流感应电机的控制。该标准包括驱动系统效率和电力线谐波的速度/扭矩测试点要求，适用于恒扭矩和可变扭矩应用。

在欧洲，未来的标准将处理越来越广泛的系统。在2010年汽车峰会上，Dr.-Ing。Martin Doppelbauer, IEC TC2第31工作组召集人，是IEC 528xx，它将涵盖变速驱动器的效率，动力驱动系统和“完整的驱动系统”(参考文献8)。

电力传输效率是另一个具有重大节能潜力的领域。在实施任何新系统时，都应该仔细注意这一点。然而，有价值的改造机会也会出现。一个典型的例子是用于各种工业和商业设施的冷却塔风扇的升级。Baldor Electric的Malinowski提到，用ie4级直驱内部永磁同步电机(见图)和VSD取代低效的蜗轮减速器和双速感应电机组合，可以节省50%以上的用电量，并获得其他好处。一个相对简单的改造消除了减速机的需要。

在总结电机系统效率的展望时，Malinowski表示:“多年来，我们一直使用部件更换来进行效率升级。虽然这是一种很好的做法，但只能节省很少的钱。”我们所需要的是从配电变压器到智能启动电机和驱动器，再到机械传动部件和驱动负载的完整“系统”。

Malinowski总结道:“整个系统中所有组件的优化，以及过程控制的使用，可以带来两位数的强劲节省，提高生产力，减少停机时间。”

- Frank J. Bartos，体育，是一个控制工程贡献内容专家。联络他的地址是braunbart@sbcglobal.net

www.ahrinet.org

www.baldor.com

www.compressedairchallenge.org

www.csa.ca厘米/ ca / en /标准

www.eemods.org