1 前言
    近年來，以減（jiǎn）輕地球（qiú）升溫效（xiào）應（削減CO2排量）為代表的環境保護，以及應對石油等能源枯竭的各（gè）種措施，推動著全球規模的節（jiē）能化（huà）發展，電動機變頻器驅動（dòng）的節能意向高漲。在國內，伴隨著《節能法》的製定及執行（háng）力度的強化，取得ISO4001認證的工廠企業日益增加，能源使用合理化計（jì）劃的推廣等，節能的需求愈益提高。另方麵（miàn），工廠中的用電（diàn）量約（yuē）70％為電動機所消（xiāo）耗，因此，電動機的*率化需求也不斷提高。尤其是，以風機、水（shuǐ）泵用途為中心，將變（biàn）頻器和（hé）電動機組（zǔ）合成可（kě）變速控製的變頻器驅動係統正廣泛普及。本（běn）文對電動機*率化技術的動向，電動機（jī）變頻器（qì）驅動導致的節能化以及有關注意點予以（yǐ）闡述。
    2  電動機的*率化
    電動機是將輸入的電能轉換（huàn）為旋轉的機（jī）械能的設備。電動機的*率化，就是為降低在這一（yī）能量轉（zhuǎn）換過程中所產生的損耗。效率定義如（rú）下： 
    電動機損耗有1次銅損、2次銅損、鐵損、機械損耗、雜散負荷損耗5種，如表1所列。
    表1    損耗（hào）的定（dìng）義
損  耗（hào）定  義
1次銅損因流入一次導體的電流產生的損耗
2次銅損（sǔn）因流入二次導（dǎo）體的電流（liú）產生的焦耳（熱）損耗
鐵  損因磁場旋轉於鐵芯內產生的磁滯損耗和渦流損耗
機械損耗因軸承的摩擦和空氣阻抗形成的機械摩擦損耗
雜散負荷（hé）損耗（hào）上述損耗以（yǐ）外的損耗
    變（biàn）頻器驅動的電動機可分為（wéi）永磁（cí）電動機（IPM）和感應電動機。IPM意為內置式永磁電動機，也被稱為*率同步電動機。有關電動（dòng）機的結構，感應電動機和IPM轉子結構的比較，如圖1所示。
    IPM是將永磁體裝入（rù）轉子內部的結構，內置（zhì）的永磁（cí）體產生磁通，故勿（wù）需勵磁電流，降低了1次銅損；其結果，IPM比感應電動機（jī）*能提高約10％的效率。IPM為低損耗電動機，能減小熱（rè）容量，故（gù）對比感應電動機（jī），具有小型輕量化（huà）的特點。
    感應電動機因無永磁體，易於維（wéi）護且結構堅固，故（gù）在工廠企業（yè）中廣泛使用著。作為感應電動機（jī）*率化的方法，必（bì）須減（jiǎn）小表1所（suǒ）列的各（gè）種損耗。
    1次銅損在損耗中占的比重較（jiào）大，藉（jiè）繞線方式的改變縮短導線的長度，以及藉高密度（dù）充填繞線技術（提高占績率）均可降低銅損。而且，對轉子槽形的（de）重新審核（hé）設計，可降低（dī）額定運轉時的2次銅損（sǔn）。此外，由於低損耗、高磁密鐵芯材（cái）料的普及，使用能減少鐵損。對定子（zǐ）和轉子槽的優化組合，對氣隙（xì）長度和轉子斜度的優（yōu）化設計，可降低雜散負載損耗。
    *率電動機比較通用電動機，損耗能減小（20~30）％。冷卻風量減小，采用小直徑風扇還（hái）能減小通（tōng）風損耗。
    3 變頻器原理
    電動機旋轉速度的定義如下：   
    式（shì）中：n—電動機轉速(rpm)；f—頻率 (HZ)；p—電動機磁極數；s—感應電動機特有的轉差率，表示比同步轉速滯後的比例，額（é）定情況（kuàng）下s ≈0.05。
    由式（shì）（2）可知，改變電動機的轉速n，可通過改（gǎi）變電動機的磁極（jí）數p或改（gǎi）變頻率f來實現。變頻器則是（shì）可以任意調節其輸出電壓頻率，能使三相AC電動機在任意的速度下運轉並實現（xiàn）無級調速（sù）的一種裝置。 
    圖2所示為變頻（pín）器（qì）的結構，變頻器主要由將工頻電源整流成直流的換流器和由直流（liú）逆（nì）變成任意頻率交流的逆變器所組成。此外，換流器（qì）部（bù）分又是由三相全波整流的整流器、平穩脈動成分的平波電容器以及抑製平波電容器充電時湧入電流（liú）的控（kòng）製回（huí）路等構成（chéng）。將換（huàn）流器部分變換的直流，在逆（nì）變（biàn）器部分藉助脈寬調製(PWM)產生交流。看（kàn）來，為改變電動（dòng）機的轉速，僅通過（guò）頻率的改（gǎi）變較好，但電壓（yā）仍保持恒定。輸出頻率若在50HZ以下時，隨著電動機的磁通（tōng）增（zēng）加及至飽和，電動機因電流的增大會過熱最終導（dǎo）致燒損。
    為避免（miǎn）出現這種現象，必須維持磁通一定。磁通的大小定義如下式：        
    由式（3）可知，磁通與電壓成正比，與頻率成（chéng）反比。這一關係式需經常保持一定。變頻（pín）器輸出電（diàn）壓與輸出頻率之比，被稱為模式。這一關係，是控製電（diàn）動機的重要因素。
    4 節能實例         
    當控製已裝設冷水泵的轉速時，利用變頻器的方法簡單容易，且經濟上（shàng）有利。
    作為具（jù）體（tǐ）的事例，建築樓房空調用冷卻水（shuǐ）泵係統。藉改變熱負荷來增減冷水的循（xún）環。與此相應，對於壓力的變化，隻用輸出閥來調壓，因而壓力損耗大，效率劣化。
    如采用對冷水泵轉速的控製，保持*壓力的話，則不會發生因效率下降導致的壓力損耗，可達到（dào）節能的（de）效果。
    該（gāi）係統的組成結構如圖3所示。輸出水（shuǐ）量為2500L/min以下時，由一台75kW電動機運（yùn）轉；超過這一水量時，用2台150kW電動機，其中常用1台運轉（zhuǎn），藉調正輸出閥按照熱負荷的變化，以增減（jiǎn）冷水的循（xún）環。
    在這裏（lǐ）（圖中），75kW的電動機停止。相應於常用和備用的2台150k 冷卻水（shuǐ）泵，通過變頻器設置1台，能對2台（tái）中無論哪一台冷水 泵的（de）運轉進行切換。而且，對運（yùn）轉的冷水泵，檢測出最上層的（de）水壓（yā），藉助PID調正計量儀器保持壓（yā）力（lì）恒定，以進行轉速控製。
    水泵（bèng）場合下，實際量程相對於全量程的比率越小，節能的效果則越大。也（yě）就是，按照圖（tú）4所示的流（liú）量與（yǔ）電動（dòng）機輸入的關係，例如，在流量（liàng）50%處，通過變頻器驅動（dòng）控製冷水泵的轉速，與（yǔ）對輸出閥的控製比較，電動機（jī）的輸入功率可能減少到（dào）一半以下。
    表2列出建築物空調用（yòng）冷水泵係統一年期間的運轉模式與節能效果。在上述引入實例中，每年能削減49200kWh的用電量，每1kWh的（de）電量按0.8元，每1kW的CO2消減量為0.000422噸計，則1年節約的電費近4萬（wàn）元，削減CO2有20.76噸。
    對（duì）於30年以上（shàng）早期建設的建築物，因多數（shù）采用中央空（kōng）調方（fāng）式（shì），故引入變頻器（qì）後，可望達到很大（dà）的節電效果。但是（shì），當達到如（rú）期的（de）節能（néng）時（shí），必須對設（shè）備的運轉工況進行（háng）仔細的事前調查和研討。
    表2運轉模式
運（yùn）轉模式所需電力節能效果
變頻器引入前變頻器引入（rù）後
輸（shū）出流量
（L/分）運轉時間
（h/年）75kW電動機輸入（rù）功率（kW）150kW電動機輸入功率（kW）200kVA變頻（pín）器輸入功率（kW）節電力
（kW）節電量
（kWh）
3800750—121873425500
250085083—602319500
175050062—50126000
75050033—36.7-3.7-1850
一年的節電量（kWh）49200
    5  對已裝好的電動機采用變頻器驅動時的注意點
    對電動機采用變頻器驅動時（shí），對比用（yòng）正弦波（工頻（pín）電源）驅動（dòng）時，由於包含在變頻器輸出波（bō）形內高次諧波的影響，必須注意電動機的溫升和變頻器的湧浪（làng）電壓。
    5.1 電動機的溫度上升
    因（yīn）溫度升高10℃，絕緣物的壽命約縮短一半，故電動機的溫（wēn）升是非常重要的問題。電動機采用變頻器驅動的情況下，由於高次諧波的影響，損耗增大。與一般（bān）用工（gōng）頻電源的驅動比較，電流約增加10%左（zuǒ）右，溫度上升（shēng）約增加20%。
    下麵討論在低速（sù）運轉時，冷卻（què）效果（guǒ）降低的問題。當電動機轉子軸端裝有冷卻風扇的場合，低（dī）頻運轉時電動機轉速低，冷卻效果大（dà）幅度減小。一般，電動機溫升與冷卻風（fēng）量導致的冷卻效果之關係（xì），在電動（dòng）機的損耗相（xiàng）同時（shí），溫度的上升△t與轉速n成反比關係：   
    另一（yī）方麵，在工頻以上運轉時，因采用變頻（pín）器輸出電壓（yā）一定（dìng）的控（kòng）製，電動機為恒定輸出功率特性。此時，電動機電流隨著頻率的升高（gāo）而（ér）減小，冷卻效果也（yě）提高，故溫（wēn）度上升方麵的問題（tí）不大。但由軸承（chéng）的容許轉速、轉動部分的強度、噪音、振動（dòng）等條件，限定了*的容許轉速（sù）值（zhí）。
    5.2 變頻器的浪湧電壓
    對於變頻器的電源，其換（huàn）流操作產生浪湧電壓。為此，在電動機的線圈處，施加了取決於變頻器頻率和控製方（fāng）式的、一（yī）定交變周期的浪湧電（diàn）壓，這一浪湧（yǒng）電壓對線（xiàn）圈的絕（jué）緣將造成大的（de）影（yǐng）響。
    而（ér）且，在（zài）通用變頻（pín）器中, 電壓急速建立因電動機容量、繞線方式等的差（chà）異（yì），的（de）電壓施加於電（diàn）動機時，線（xiàn）圈之（zhī）間（jiān）的電壓分配，在靠近電源測的*線圈上電壓（yā）偏高。所以，必須確（què）保線圈之間的絕緣（yuán）強度（dù）及其協調性。
    變頻器一旦將工頻電源整流成（chéng）直流，因利用開關控製，故輸（shū）出電（diàn）壓的峰值通（tōng）常為直流電壓（yā）E以下（直流電壓E為工（gōng）頻電源電壓有效值的一定倍數，如AC440V時約DC620V, 其倍數 1.4）。
    變頻器與電動機之間配線的電感（L）, 配線之間的雜散電容（C）, 在開關切換時因LC共振產生的浪湧電壓，將與變（biàn）頻器的輸出（chū）電壓疊加，其結果如圖5所示。對比變頻器的輸（shū）出電壓峰值，出現了電動機輸入側（cè）端子電壓（yā）升高的現象。該電動機的端子電（diàn）壓峰值，理論上達到*回路電壓（變（biàn）頻器輸出電壓（yā）峰值）的2倍（620 2=1240V），也就是，由於開關切換速度和配線長度（dù）的不同，產生的電（diàn）壓也不同。根據其原理，特別
在PWM方式變頻器中（zhōng），浪湧電壓是不可避免（miǎn）的。   
    圖6所示（shì）為，400係列變頻器與電（diàn）動機之間，相應於配線長度的電動機輸入端子電壓進行實測（cè）的例子。從圖6可見，電動機端子電壓隨配線長度的（de）增加而升高。可確認變頻器輸出電壓約2倍時達（dá）到飽和。而（ér）且，開關速度更快的IGBT，即使配線長度短（duǎn），電動機的端子電壓（yā）也更高。還（hái）能確認，配線長度增加時的飽和電壓大致是相同（tóng）的（de）。
    下麵，在已裝（zhuāng）設的冷水泵實例中，對變頻器驅動場合的節能（néng）效果予（yǔ）以（yǐ）介紹（shào）。一般，電動機絕緣壽命約為40000h。按照使用環（huán）境（jìng）、條件不能一概而論。電動機的使用時間按一日8h計，絕緣壽命大致標準約（yuē）15年。並且，對已裝設的電動機，大多尚未采取（qǔ）變（biàn）頻器浪湧電壓（yā）的對策，特別400V級的電動（dòng）機改為變頻器驅動時，會因變頻器的浪湧電壓導致絕緣劣化而燒損。因（yīn）此，引入變頻器驅動時，建議對（duì）電動機的更換也要同時進行研（yán）討。
    參考文獻
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