了解变频驱动

如果你正在努力为你的工厂节约能源，在某种程度上，你可能已经研究过交流电机的变频驱动器(vfd)。来自四面八方的报告说，它们可以帮助节约能源，减少维护，并降低公用事业成本。问题是:它们真的像听起来那么好吗?它们是如何工作的?

变频器控制交流电机的速度，这为过程提供了灵活性，因为速度可以很容易地改变以进行过程优化。它将提供给它的固定电源转换成一个可变频率和可变电压的电源，然后馈送给电动机。这使得驱动器可以控制电机产生的速度和扭矩。

变频器可以通过改进流程来提高用户的盈利能力，从而产生快速的投资回报(ROI)。过程改进可能来自以下方面:

• 速度控制;
• 流量控制;
• 压力控制;
• 温度控制;
• 张力控制;
• 转矩控制;
• 监测质量;和
• 加速/减速控制。

许多使用交流电机的应用将受益于使用这种驱动器，因为它们还可以在改进过程的同时降低运营成本。降低的成本来自:

• 提高系统可靠性;
• 减少停机时间;
• 减少设备安装时间;
• 节约能源;
• 较低的维护;
• 操作平稳，磨损少;和
• 功率因数控制。

这些改进的最终结果是提高了盈利能力。

评估应用程序

不同的驱动应用程序有不同的标准，应该单独评估。例如，当在离心泵或风扇应用中使用时，交流驱动通过允许用户将电机的速度调整到最有效的水平来节省能源。与带阀门控制的定速电机相比，这通常可以节省多达60%的能源。这通常足以在短时间内支付驾驶费用。

在讨论变频器和节能时，人们的注意力往往集中在这类离心风机或泵的应用上。然而，基于易于应用的概念，还有其他应用也有很大的节能和/或回收潜力，这些应用不应被忽视。这些应用包括功率因数校正、再生、公共总线应用或三者的组合。让我们检查所有这些，看看如何使用正确的驱动器产生它的好处。

离心应用:亲和规律

在离心风机或泵应用中节省的成本主要来自两个部分:

• 亲和定律，它显示了每马力产生最大流量或压力的操作范围。(参见图1。)
• 当电机以固定速度转动应用程序时，去除任何限制风扇或泵流量的机械流量装置。(参见图2和图3。)

交流驱动装置在初始投资回收期后的许多年里继续节省能源，同时降低了维护成本，并提供了更一致的产品流。当离心风机或泵与机械流量控制一起使用时，如果风扇或泵系统设计为全速运行40%至80%，则将应用程序转换为可调速交流驱动将节省10%至60%的能源成本。该应用程序通常在6到24个月的时间框架内产生投资回报。

亲和状态的规律:

• 流量与轴速成正比;
• 扬程(压力)与轴速的平方成正比;和
• 功率与轴速的立方成正比。

在比较不同的机械流量控制方法时，图表清楚地表明，唯一接近理论风扇曲线或泵流量的最大效率的是VFD。

功率因数

什么是功率因数(PF)?交流电源有两个基本组成部分:电压和电流。当这两个组件不同步时，由于效率低下而浪费了功率。这被称为功率因数位移。更糟糕的是，当交流电源具有高水平的谐波含量时，称为功率因数失真，位移和失真相互相乘，这进一步降低了效率。

如果你曾经收到过来自电力公司的账单，惩罚你的工厂，那么很有可能存在功率因数位移问题。即使电力公司不收取额外的罚款，你仍然要为所使用的多余能源付费。因此，使功率因数位移接近统一是非常重要的。

以下是总功率因数、功率因数位移和功率因数失真(谐波)的图形示例:

功率因数惩罚

虽然每个公用事业单位可能收取不同的费用，但公用事业收费的两种常见方式是按千伏安收费(低PF =高安培)或按千瓦收费。

如果功率因数小于90%，则测量的kW需求将乘以90%除以实际功率因数的比率:

功率因数为0.85的100kw电机:(100kw *0.9) / (0.85 PF) = 105 kW

在这种情况下，除了前面示例中浪费的千瓦时外，成本增加是账单的5%。

第二种方法是调整电力需求，其中需求将被调整以纠正平均功率因数低于95%。这样的调整将通过对平均功率因数小于95%滞后的每1%或主要部分增加1%的测量需求来实现。

在这种情况下，除了浪费的kvar外，功率因数每低于0.95 1%，惩罚增加1%。

虽然有可用的功率因数校正装置，如电容器和滤波器，但交流驱动器通常被忽视为校正功率因数位移的方法，同时具有低失真水平。具有有源前端(AFE)的变频器能够调整其功率因数工作点，并将谐波限制在4%以下。作为比较，当使用带有二极管整流器的标准六脉冲交流驱动器将输入交流电压转换为直流母线电压时，典型的谐波电平为30%至40%。目前至少有一种AFE交流驱动器能够将其功率因数从0.8调整到0.8滞后，并符合IEEE 519低功率因数失真谐波标准。这意味着驱动器可以提高目前的功率因数位移在一个设施。

失真功率因数描述了由于谐波和电流和电压之间的相移而传输的平均功率的减少。

这需要多少成本以及可以节省多少取决于当前存在的位移和变形量。

再生

交流电动机既可以作为把电能转化为机械能的电动机，也可以作为把机械能转化为电能的发电机。这取决于电机是否在转动一台需要动力才能转动机器的机器，或者机器的负载是否会有时使电机大修。(大修是一种情况，其中负载的力学或物理性质机械地导致电机试图转得比驱动器所命令的电机速度快，驱动器用于降低电机速度。)这种检修条件可能存在于几种类型的应用中。

1.恒减速:当负载(例如在重力影响下运行的下降输送机)将大修电机的速度，并且驱动器用于控制输送机速度到比应用程序的自然物理将产生的更慢的水平。

2.定期减速:当负载快速停止并且负载的惯性想要继续转动时，例如一个大滚筒。在这种情况下，循环时间，即负载在一段时间内停止的次数，以及所需停止功率的大小，决定了可以节省多少能源。

3.系统张力/保持扭矩:当机器的两个部分被用来在它们之间的材料上产生张力时，例如在带材轧机的金属带上。这两个部分可能以相同的速度运行，但这个过程需要一定的张力才能正常运行。这意味着前导段将向前运行并拉动带钢，后导段也将向前运行并同时向带钢的相反方向提供所需的扭矩，从而产生适当的张力。

在每一个例子中，电机和驱动器组合都有能力在电机作为发电机时回收电机产生的电力，并将这些电力发送给公用事业公司。节省多少能源取决于应用程序，但它可能是显著的。一个这样的应用，可以显著节省成本是变速箱试验台。在测试齿轮箱时，使用一个驱动器和电机来转动齿轮箱，而在齿轮箱的另一端使用另一个驱动器和电机来模拟负载。如果操作正确，该应用程序将以非常低的总能量运行，因为用于转动齿轮箱的能量与从齿轮箱上的模拟负载中恢复的能量相同，减少了系统中的损失。当试图确定应用程序是否可再生时，您应该问的一个问题是:“负载在任何时候都试图转动电机(可再生恢复)，还是电机被用来转动负载?”

常见的公共汽车

当在一个位置有多个交流驱动器时，公共总线系统通常是最有效的操作方式。它可以结合刚才讨论的节能和回收概念。如果系统中有再生交流驱动和电机部分，则非常适合最大限度地回收能源和节省成本。这样做的原因是当电源从交流电源转换到直流母线或从直流母线转换到交流电源时产生损耗。当您有多个独立驱动器时，电源必须经过两次或更多的交流到直流转换，以及两次直流到交流转换。(参见图8和图9。)在公共母线配置中，电源在运动方向上只经过一次交直流转换，当驱动器的逆变器部分将电源再生到直流母线时，电源通过公共直流母线链路直接进入另一个逆变器，这是运动的，根本不需要经过转换器。这种方法消除了两个能量会丢失的转换点。这将使每个再生部分的效率提高2%到4%。如果你有更多的可再生部分，你将积累更多的能源节省。 In addition to the savings of a common bus solution, if you have an AFE, the system will have the ability to do power factor correction, which increases the savings of a common bus system. The gearbox test stand is a great example of a common bus solution. Here there is one forward motoring drive motor section and one regenerative drive motor section. In this specific case the two drive and motor sections were rated at 1,000 A at 690 Vac each. Yet the incoming ac line and input modules were able to be sized at less than 1,000 A at 690 Vac. This was possible because one of the two sections required 1,000 A in the motoring or torque producing direction, while the other section that provided the load was able to recover through regeneration close to 1,000 A, less the losses in the system. Therefore, the amps generated from the recovery section almost canceled out the 1,000 A from the section providing torque to turn the gearbox, and the input ac could be sized at slightly larger than the losses of the system, which in this case was roughly 200 A at 690 Vac. This resulted in a lower installation cost due to the smaller ac-to-dc section. The application recovered $75,000 per year in energy costs, which translated to a four-year payback.

这种应用结合了再生系统在公共总线配置中的效率。如果工厂有功率因数校正问题，公共总线解决方案也能够将这些节省累积到这个总数中。

总之，当使用交流驱动和电机组合时，有许多不同的应用和方法可以节省能源和能源回收。虽然人们通常关注的是驱动器的初始成本，但应该对每个应用进行审查，以确定由于节能和能源回收而最大程度地提高生产率和降低运营成本。在许多情况下，节能和运行成本远远高于安装驱动器的成本。

Stephen Prachyl是西门子工业传动业务发展经理。

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