美国电机驱动系统节能

随着人们的注意力从电机效率转向电机驱动系统节能，电机系统效率和电力电子技术正在影响未来的节能机会。在美国，首先采取的措施是实施电机效率管制。接下来是系统寻址。与仅关注电机效率相比，专注于运动控制系统可以节省6倍以上的电力。

阶段1:电机作为一个部件

美国电机效率法规始于1992年。此时，电机已经在每个铭牌上包含了效率数据。美国国会起草的立法语言包括了产品的定义，以及参考测试方法和效率水平。汽车行业开始了一段进入联邦监管的旅程，一直持续到今天。

2001年，电机制造商创建了一个溢价效率水平，将效率水平提高到高于联邦要求(NEMA表12-12)。2010年，这一新的水平被添加到第二轮监管中，为市场带来了更大的节省，被称为子类型1的电机类别，要求满足NEMA表12-12，子类型2，要求满足表12-11。这些类别影响了每年约40%的销量。2014年，第三轮监管出台，将于2016年6月1日生效。最新一轮的法规基本上涵盖了从1马力(0.75千瓦)到500马力(375千瓦)的所有多相电机。最新一轮的监管是经过精心设计的，以扩大所覆盖的产品范围，同时特别关注可能会破坏规则节能目标的意外后果。汽车行业与能源倡导者和美国能源部一起努力工作，制定了一项法规，该法规考虑了机械和电气问题，如果效率水平提高到引发以下10种后果中的任何一种或全部，这些问题将破坏法规。

更高的效率风险

该小组认为，将效率水平提高到现有规则中NEMA表12-12 (IE3)水平以上的“潜在后果”或风险有10个领域。

1. 启动负载所需的扭矩可能会受到影响，可能需要跳到更高的电机马力额定值。
2. 功率因数可能会下降，迫使公用事业或工厂进行修正。
3. 涌流可能增加，需要更换电缆和开关设备。
4. 机械尺寸可能会增加，消除改造能力。
5. 维修故障电机作为替代方案可能会增加，使以前不受监管的产品重新投入使用多年。
6. 电机供应商的资源将被用来克服设计和应用问题，更好地应用于电源管理解决方案。
7. 在受控条件下测量电机的剩余效率增益是非常小的。在实际使用中，包括电能质量和不同的负载条件下，工业和商业应用中的效率增益是值得怀疑的。
8. 电机测试和实验室方差可能超出了他们精确测量这种具有必要重复性的小增益的能力。
9. 铜、磁钢等活性材料的用量急剧增加，而效率的增益非常小(例如11千瓦的电机需要大约60%至70%的材料才能获得1.3%的效率提升)。
10. 重新设计和重新配置生产设施所需的投资将更好地应用于动力驱动系统(电机+变频驱动器)，该系统比单独将电机作为一个组件的调节节省了更多的能源。

来自Nidec英国技术中心Michael Turner的图1提供了一个可视化的图形，帮助解释电机能量损失(红色)和有用的电机能量(蓝色)。通过继续研究电机的效率，挑战将是减少损失，在本例中，这是小于5%的kW损失，暴露电机用户上述10个问题中的一个或多个。最大的节能机会(减少kWh)是通过在电机驱动系统中添加功率转换器来优化系统，并将kW损失降低30%、40%、50%或更多。从这个角度看，在电机驱动系统中添加功率转换器具有明显的优势。

避免减震器，节流

在过去，许多电动机在没有电子调速装置的情况下运行。因此，必须通过关闭阀门、阻尼器或叶片来控制泵、风扇或压缩机的输出量。虽然这将充分控制流量，这绝不是一个有效的方法。在节流机构中产生了显著的损失，电机的效率在较低的运行速度下显著下降。

为了便于讨论，下一代节能，这里称为第二阶段，将改变当前的效率指标，以百分比表示，通过在电力驱动系统中使用电力电子设备来消除机械流量控制设备，从而节省能源(千瓦时)。欧盟(EU)在2014年12月发布的EN 50598中开始研究该系统。这是建立与整个系统相关的节能指导方针的良好开端。

这项工作今天在国际电工委员会(IEC)的国际标准工作组(WG) 18中进行。WG 18正在创建国际标准IEC 61800-9- 1,2，该标准建立了所需的方法和必要的度量标准。为整个系统确定能源效率水平的工作仍在继续。图2显示了组成系统的所有组件。

了解关于阶段2的更多信息，并查看关于作者的其他信息。

第二阶段:动力驱动系统

第二阶段是建立量化电力驱动系统节能的标准。很明显，电机是该系统的关键部分，但它只占第二阶段节能机会损失的一小部分。

第二阶段将利用电机、逆变器和控制系统，这里称为动力驱动系统(PDS)。此外，还要考虑启动器、扭矩传动装置，当然还有负载(泵、风扇、压缩机)，这些现在被称为扩展产品。在讨论这个主题的过程中，我们发现有必要将一个度量转移到损失与效率之间。通过使用PDS进行过程控制，减少了损失，从而减少了千瓦时。

在考虑系统总能源节约时，有必要将损失减少与效率相比较。考虑一个极端的情况，即应用程序需要在占空比内以零速度或接近零速度运行一段时间，而效率为0%，那么效率就不再是一个有意义的度量了。

WG 18(第18工作组)目前正在进行的工作是确定各个操作点产生的损耗，并确定使用PDS(包括扩展产品)所节省的能源。系统标准建立了一系列8点，可用于评估能源节约。如图3所示。

这些点已经被开发来代表每一个可能的应用，但并不是每个应用都需要所有的加载点。例如，一个可变扭矩的应用，如离心泵，可能只找到三个相关的点;PL (100,100)， PL(100,50)和PL(50,25)。

以目前运行的典型设备的参考损耗作为减损的依据。这些参考损耗已经建立了完整的驱动模块(CDM)，电机和PDS。

清洁发展机制现在可以根据标准中定义的参考清洁发展机制的损失减少来确定IE水平。电机已经在60034-30-1中建立了IE等级。在60034-30-1中建立的IE3水平与美国规定的NEMA MG1，表12-12中的溢价水平相一致。有了这个标准，电机和逆变器制造商就有必要根据将组合整个系统的系统集成商的要求，提供所有所需负载点的损耗。该标准还提供了一种计算或测试逆变器和支持CDM设备的所有损耗的方法。已确定，电机在任何负载点的损耗可以从电机制造商提供的7个点中推断出来。

这种外推方法将在IEC 61800-9-2和IEC 60034-30-2中详细介绍。在这些负载点上测试或计算电机损耗的方法包含在仍在进行中的电机标准60034-2-3中。

使用未来IEC标准61800-9系列中涵盖的方法，系统集成商现在拥有准确预测系统损耗的工具。如果损耗等于参考PDS的损耗，则该系统为ie1，但如果损耗比PDS的参考损耗低20%，则该系统为IE2 PDS。更重要的是，系统集成商现在可以查看扩展产品，并将扩展产品的损失与没有CDM的损失进行比较。然后系统集成商可以准确地建立整个系统的节能情况。在评估整个系统时，而不仅仅是评估单个组件时，可以实现更多的节能。在阶段2中结合PDS优势可以将节省的功率增加6倍以上，而仅依靠电机组件效率可以节省的电量。

NEMA电机发电机分会会员代表作者:Rob水上旅馆(NEMA能源管理委员会主席)，比尔芬利，以及蒂姆·舒曼SEW Eurodrive。由内容经理马克·霍斯克编辑，控制工程， CFE传媒，mhoske@cfemedia.com。

更多的建议

关键概念

美国的监管从电机到电机驱动系统。

第三轮电机效率法规将于6月1日生效。

欧盟(欧盟)在2014年12月发布的EN 50598中开始研究电机系统。

考虑一下这个

会六次在电机系统中节省电力是有吸引力的?

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相关新闻:2500万美元的资金用于提高电机效率

美国能源部(DOE) 3月11日宣布，将提供2500万美元可用资金，旨在通过应用研发推进节能电机技术。这是奥巴马政府创新使命计划的一部分，计划在未来5年内将清洁能源研发(R&D)投资增加一倍。根据能源部能源效率和可再生能源办公室的声明，这一努力将为大幅提高电动机效率的创新技术提供资金，电动机消耗了美国制造商大约70%的电力，占全国电力消耗的近四分之一。链接到下面的更多信息。

由CFE传媒编辑来自DOE EERE信息。

在线额外

相关文章链接如下。

还看到:

https://www.nema.org/Products/Pages/Motor-and-Generator.aspx．

作者传记

Rob水上旅馆自2011年起，他担任NEMA能源管理委员会主席，以及Nidec Motor Corp.(密苏里州圣路易斯)的政府关系顾问。1987年至2011年，他担任艾默生电气美国电机部门的营销总监。Boteler是作为Epact 92的一部分向美国国会发表演讲的两名电机制造商代表之一，他还与美国能源效率经济委员会(ACEEE)一起担任1992年《能源法》起草过程中的行业发言人。

Boteler自1992年以来一直担任NEMA电机部门能源委员会主席，此前担任能源管理工作组主席。在此职位上，他领导NEMA在原Epact电机法规的能源独立和安全法案修正案以及最近于2016年6月1日生效的第二修正案中的工作。他是起草2015年实施的¼至3马力单相和多相电机的小型电机法规的主要NEMA代表。Boteler目前正在起草一份修订现行小型电机法规的提案，该法规将涵盖更多产品，并制定5年的实施时间表，允许最终用户和原始设备制造商有必要的时间全面采用这些变化。

博特勒参与了DOE规则制定和ASRAC委员会制定泵、风扇和压缩机的法规。他还担任ACEEE的访问学者，研究电力驱动系统标签的开发，识别将大大降低商业和工业电机驱动系统的高性能扩展产品系统。

威廉·芬利他是美国西门子工业公司大型驱动器的技术和创新高级总监。发表技术论文30余篇，拥有多项专利。他是多个NEMA小组委员会的主席，IEC维护团队，以及美国IEC TC2电机标准技术咨询小组管理员。他是许多与电机相关的性能和测试国际标准和工作组的美国专家，也是IEC TC 22, SC 22G关于驱动器和电机系统效率的美国专家。

蒂姆·舒曼他是高级电子，电机和NEC代码支持工程师，在SEW-Eurodrive公司的美国业务的企业工程小组工作。他是NEMA电机和发电机技术委员会主席，IEC TC22/22G工作组18的召集人，负责电力驱动系统的IEC 61800-9系列，并参与了NEMA和IEC内部的其他几个委员会。他在SEW-Eurodrive工作了超过27年。

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