1 前言

近年來(lái)，以減輕地球升溫效應(yīng)（削減CO2排量）為代表的環(huán)境保護(hù)，以及應(yīng)對(duì)石油等能源枯竭的各種措施，推動(dòng)著全球規(guī)模的節(jié)能化發(fā)展，電動(dòng)機(jī)變頻器驅(qū)動(dòng)的節(jié)能意向高漲。在國(guó)內(nèi)，伴隨著《節(jié)能法》的制定及執(zhí)行力度的強(qiáng)化，取得ISO4001認(rèn)證的工廠企業(yè)日益增加，能源使用合理化計(jì)劃的推廣等，節(jié)能的需求愈益提高。另方面，工廠中的用電量約70％為電動(dòng)機(jī)所消耗，因此，電動(dòng)機(jī)的高效率化需求也不斷提高。尤其是，以風(fēng)機(jī)、水泵用途為中心，將變頻器和電動(dòng)機(jī)組合成可變速控制的變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正廣泛普及。本文對(duì)電動(dòng)機(jī)高效率化技術(shù)的動(dòng)向，電動(dòng)機(jī)變頻器驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的節(jié)能化以及有關(guān)注意點(diǎn)予以闡述。

2  電動(dòng)機(jī)的高效率化

電動(dòng)機(jī)是將輸入的電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的設(shè)備。電動(dòng)機(jī)的高效率化，就是為降低在這一能量轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的損耗。效率定義如下：

電動(dòng)機(jī)損耗有1次銅損、2次銅損、鐵損、機(jī)械損耗、雜散負(fù)荷損耗5種，如表1所列。

表1    損耗的定義

變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)可分為永磁電動(dòng)機(jī)（IPM）和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。IPM意為內(nèi)置式永磁電動(dòng)機(jī)，也被稱為高效率同步電動(dòng)機(jī)。有關(guān)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和IPM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的比較，如圖1所示。

IPM是將永磁體裝入轉(zhuǎn)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，內(nèi)置的永磁體產(chǎn)生磁通，故勿需勵(lì)磁電流，降低了1次銅損；其結(jié)果，IPM比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)最大能提高約10％的效率。IPM為低損耗電動(dòng)機(jī)，能減小熱容量，故對(duì)比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，具有小型輕量化的特點(diǎn)。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因無(wú)永磁體，易于維護(hù)且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，故在工廠企業(yè)中廣泛使用著。作為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高效率化的方法，必須減小表1所列的各種損耗。

1次銅損在損耗中占的比重較大，藉繞線方式的改變縮短導(dǎo)線的長(zhǎng)度，以及藉高密度充填繞線技術(shù)（提高占績(jī)率）均可降低銅損。而且，對(duì)轉(zhuǎn)子槽形的重新審核設(shè)計(jì)，可降低額定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的2次銅損。此外，由于低損耗、高磁密鐵芯材料的普及，使用能減少鐵損。對(duì)定子和轉(zhuǎn)子槽的優(yōu)化組合，對(duì)氣隙長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)子斜度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可降低雜散負(fù)載損耗。

高效率電動(dòng)機(jī)比較通用電動(dòng)機(jī)，損耗能減?。?0~30）％。冷卻風(fēng)量減小，采用小直徑風(fēng)扇還能減小通風(fēng)損耗。

3 變頻器原理

電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的定義如下：

式中：n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)；f—頻率 (HZ)；p—電動(dòng)機(jī)磁極數(shù)；s—感應(yīng)電動(dòng)機(jī)特有的轉(zhuǎn)差率，表示比同步轉(zhuǎn)速滯后的比例，額定情況下s ≈0.05。

由式（2）可知，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，可通過改變電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù)p或改變頻率f來(lái)實(shí)現(xiàn)。變頻器則是可以任意調(diào)節(jié)其輸出電壓頻率，能使三相AC電動(dòng)機(jī)在任意的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的一種裝置。

圖2所示為變頻器的結(jié)構(gòu)，變頻器主要由將工頻電源整流成直流的換流器和由直流逆變成任意頻率交流的逆變器所組成。此外，換流器部分又是由三相全波整流的整流器、平穩(wěn)脈動(dòng)成分的平波電容器以及抑制平波電容器充電時(shí)涌入電流的控制回路等構(gòu)成。將換流器部分變換的直流，在逆變器部分藉助脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)生交流?？磥?lái)，為改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，僅通過頻率的改變較好，但電壓仍保持恒定。輸出頻率若在50HZ以下時(shí)，隨著電動(dòng)機(jī)的磁通增加及至飽和，電動(dòng)機(jī)因電流的增大會(huì)過熱最終導(dǎo)致燒損。

為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)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，與頻率成反比。這一關(guān)系式需經(jīng)常保持一定。變頻器輸出電壓與輸出頻率之比，被稱為模式。這一關(guān)系，是控制電動(dòng)機(jī)的重要因素。

4 節(jié)能實(shí)例          

當(dāng)控制已裝設(shè)冷水泵的轉(zhuǎn)速時(shí)，利用變頻器的方法簡(jiǎn)單容易，且經(jīng)濟(jì)上有利。

作為具體的事例，建筑樓房空調(diào)用冷卻水泵系統(tǒng)。藉改變熱負(fù)荷來(lái)增減冷水的循環(huán)。與此相應(yīng)，對(duì)于壓力的變化，只用輸出閥來(lái)調(diào)壓，因而壓力損耗大，效率劣化。

如采用對(duì)冷水泵轉(zhuǎn)速的控制，保持最佳壓力的話，則不會(huì)發(fā)生因效率下降導(dǎo)致的壓力損耗，可達(dá)到節(jié)能的效果。

[!--empirenews.page--]

該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸出水量為2500L/min以下時(shí)，由一臺(tái)75kW電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；超過這一水量時(shí)，用2臺(tái)150kW電動(dòng)機(jī)，其中常用1臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，藉調(diào)正輸出閥按照熱負(fù)荷的變化，以增減冷水的循環(huán)。 

在這里（圖中），75kW的電動(dòng)機(jī)停止。相應(yīng)于常用和備用的2臺(tái)150k 冷卻水泵，通過變頻器設(shè)置1臺(tái)，能對(duì)2臺(tái)中無(wú)論哪一臺(tái)冷水 泵的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行切換。而且，對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的冷水泵，檢測(cè)出最上層的水壓，藉助PID調(diào)正計(jì)量?jī)x器保持壓力恒定，以進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。

水泵場(chǎng)合下，實(shí)際量程相對(duì)于全量程的比率越小，節(jié)能的效果則越大。也就是，按照?qǐng)D4所示的流量與電動(dòng)機(jī)輸入的關(guān)系，例如，在流量50%處，通過變頻器驅(qū)動(dòng)控制冷水泵的轉(zhuǎn)速，與對(duì)輸出閥的控制比較，電動(dòng)機(jī)的輸入功率可能減少到一半以下。

表2列出建筑物空調(diào)用冷水泵系統(tǒng)一年期間的運(yùn)轉(zhuǎn)模式與節(jié)能效果。在上述引入實(shí)例中，每年能削減49200kWh的用電量，每1kWh的電量按0.8元，每1kW的CO2消減量為0.000422噸計(jì)，則1年節(jié)約的電費(fèi)近4萬(wàn)元，削減CO2有20.76噸。

對(duì)于30年以上早期建設(shè)的建筑物，因多數(shù)采用中央空調(diào)方式，故引入變頻器后，可望達(dá)到很大的節(jié)電效果。但是，當(dāng)達(dá)到如期的節(jié)能時(shí)，必須對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)工況進(jìn)行仔細(xì)的事前調(diào)查和研討。

表2運(yùn)轉(zhuǎn)模式

5  對(duì)已裝好的電動(dòng)機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)的注意點(diǎn)

對(duì)電動(dòng)機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，對(duì)比用正弦波（工頻電源）驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于包含在變頻器輸出波形內(nèi)高次諧波的影響，必須注意電動(dòng)機(jī)的溫升和變頻器的涌浪電壓。

5.1 電動(dòng)機(jī)的溫度上升

因溫度升高10℃，絕緣物的壽命約縮短一半，故電動(dòng)機(jī)的溫升是非常重要的問題。電動(dòng)機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)的情況下，由于高次諧波的影響，損耗增大。與一般用工頻電源的驅(qū)動(dòng)比較，電流約增加10%左右，溫度上升約增加20%。

下面討論在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻效果降低的問題。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸端裝有冷卻風(fēng)扇的場(chǎng)合，低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，冷卻效果大幅度減小。一般，電動(dòng)機(jī)溫升與冷卻風(fēng)量導(dǎo)致的冷卻效果之關(guān)系，在電動(dòng)機(jī)的損耗相同時(shí)，溫度的上升△t與轉(zhuǎn)速n成反比關(guān)系：

另一方面，在工頻以上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因采用變頻器輸出電壓一定的控制，電動(dòng)機(jī)為恒定輸出功率特性。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流隨著頻率的升高而減小，冷卻效果也提高，故溫度上升方面的問題不大。但由軸承的容許轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)部分的強(qiáng)度、噪音、振動(dòng)等條件，限定了最大的容許轉(zhuǎn)速值。

5.2 變頻器的浪涌電壓

對(duì)于變頻器的電源，其換流操作產(chǎn)生浪涌電壓。為此，在電動(dòng)機(jī)的線圈處，施加了取決于變頻器頻率和控制方式的、一定交變周期的浪涌電壓，這一浪涌電壓對(duì)線圈的絕緣將造成大的影響。

而且，在通用變頻器中, 電壓急速建立因電動(dòng)機(jī)容量、繞線方式等的差異，的電壓施加于電動(dòng)機(jī)時(shí)，線圈之間的電壓分配，在靠近電源測(cè)的第一線圈上電壓偏高。所以，必須確保線圈之間的絕緣強(qiáng)度及其協(xié)調(diào)性。

變頻器一旦將工頻電源整流成直流，因利用開關(guān)控制，故輸出電壓的峰值通常為直流電壓E以下（直流電壓E為工頻電源電壓有效值的一定倍數(shù)，如AC440V時(shí)約DC620V, 其倍數(shù) 1.4）。

變頻器與電動(dòng)機(jī)之間配線的電感（L）, 配線之間的雜散電容（C）, 在開關(guān)切換時(shí)因LC共振產(chǎn)生的浪涌電壓，將與變頻器的輸出電壓疊加，其結(jié)果如圖5所示。對(duì)比變頻器的輸出電壓峰值，出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)輸入側(cè)端子電壓升高的現(xiàn)象。該電動(dòng)機(jī)的端子電壓峰值，理論上達(dá)到最高回路電壓（變頻器輸出電壓峰值）的2倍（620 2=1240V），也就是，由于開關(guān)切換速度和配線長(zhǎng)度的不同，產(chǎn)生的電壓也不同。根據(jù)其原理，特別
在PWM方式變頻器中，浪涌電壓是不可避免的。

圖6所示為，400系列變頻器與電動(dòng)機(jī)之間，相應(yīng)于配線長(zhǎng)度的電動(dòng)機(jī)輸入端子電壓進(jìn)行實(shí)測(cè)的例子。從圖6可見，電動(dòng)機(jī)端子電壓隨配線長(zhǎng)度的增加而升高?？纱_認(rèn)變頻器輸出電壓約2倍時(shí)達(dá)到飽和。而且，開關(guān)速度更快的IGBT，即使配線長(zhǎng)度短，電動(dòng)機(jī)的端子電壓也更高。還能確認(rèn)，配線長(zhǎng)度增加時(shí)的飽和電壓大致是相同的。

下面，在已裝設(shè)的冷水泵實(shí)例中，對(duì)變頻器驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合的節(jié)能效果予以介紹。一般，電動(dòng)機(jī)絕緣壽命約為40000h。按照使用環(huán)境、條件不能一概而論。電動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間按一日8h計(jì)，絕緣壽命大致標(biāo)準(zhǔn)約15年。并且，對(duì)已裝設(shè)的電動(dòng)機(jī)，大多尚未采取變頻器浪涌電壓的對(duì)策，特別400V級(jí)的電動(dòng)機(jī)改為變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)因變頻器的浪涌電壓導(dǎo)致絕緣劣化而燒損。因此，引入變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)，建議對(duì)電動(dòng)機(jī)的更換也要同時(shí)進(jìn)行研討。