對(duì)于機(jī)器控制和其它應(yīng)用，使用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以節(jié)約能源，但這并不像添加一臺(tái)變頻器那么簡(jiǎn)單。要提高電機(jī)控制系統(tǒng)的效率，還需要考慮哪些因素？

除了現(xiàn)代變頻器（VFD）具有的諸多功能外，類似以60Hz以外的轉(zhuǎn)速運(yùn)行交流感應(yīng)電機(jī)也是一件很棒的事情。通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)速以滿足應(yīng)用需求，變頻器降低了保持負(fù)載移動(dòng)所需的功率。最重要的是變頻器不以滿負(fù)荷運(yùn)行，從而節(jié)省能源。

對(duì)上述信息，大多數(shù)人都已經(jīng)很熟悉了，因?yàn)橐矡o(wú)需爭(zhēng)論是否應(yīng)該使用變頻器。假設(shè)變頻器采購(gòu)已經(jīng)完成，但這就是使用變頻器來(lái)省錢的全部嗎？就像生活中的大多數(shù)事情一樣，情況要比這復(fù)雜得多。如何充分利用變頻器裝置以實(shí)現(xiàn)節(jié)能？

01

正確安裝變頻器

首先，需要簡(jiǎn)要討論一下正確安裝變頻器的必要性。如果因安裝不當(dāng)，變頻器發(fā)生爆炸或熔斷，那沒(méi)人能通過(guò)降低能源成本來(lái)省錢。許多變頻器制造商都樂(lè)于為經(jīng)過(guò)他們審查或工廠培訓(xùn)的人員安裝和接線的產(chǎn)品提供延長(zhǎng)保修服務(wù)。作為一名工廠培訓(xùn)師，我強(qiáng)烈建議采用被派往工廠實(shí)習(xí)、且學(xué)習(xí)正確安裝變頻器所有細(xì)節(jié)的安裝人員。培訓(xùn)應(yīng)包括諸多不同場(chǎng)景，以避免錯(cuò)誤操作帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

正確安裝可以減少問(wèn)題出現(xiàn)并延長(zhǎng)變頻器的壽命。一個(gè)好的安裝技術(shù)人員會(huì)注意到可能導(dǎo)致變頻器過(guò)早發(fā)生故障的問(wèn)題，如環(huán)境溫度高、電機(jī)引線長(zhǎng)度長(zhǎng)和功率因數(shù)校正電容等。如果可以避免早期報(bào)廢，一些變頻器可以使用很長(zhǎng)時(shí)間，從而大大提高投資回報(bào)率。

02

電機(jī)-變頻器系統(tǒng)的選型注意事項(xiàng)

變頻器本身是節(jié)能不可或缺的關(guān)鍵組件，但它只是整個(gè)裝置的一部分。另外兩個(gè)最重要的部分是驅(qū)動(dòng)負(fù)載的電機(jī)以及連接變頻器和電機(jī)的電纜。

首先，確保電機(jī)能夠處理變頻器所發(fā)送的脈寬調(diào)制（PWM）電壓。一些較老的電機(jī)除了效率低下外，其絕緣系統(tǒng)也比較差，可能無(wú)法應(yīng)對(duì)變頻器產(chǎn)生的電壓，并且因電機(jī)引線過(guò)長(zhǎng)而加劇。一般來(lái)說(shuō)，任何電機(jī)引線超過(guò)100米的應(yīng)用，都應(yīng)考慮在電機(jī)和變頻器之間安裝輸出電抗器，以確保定子的第一匝（絕緣最薄的地方）不會(huì)發(fā)生故障。像許多事情一樣，需要考慮一個(gè)折衷方案。任何一種輸出濾波（如負(fù)載電抗器）都可能會(huì)造成損失。然而，有時(shí)效率輕微下降是值得的，因?yàn)榭梢匝娱L(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

另一個(gè)需要考慮的因素是電機(jī)規(guī)格。應(yīng)用需要一個(gè)能夠連續(xù)傳遞負(fù)載所需扭矩的電機(jī)。規(guī)格適中比過(guò)大的電動(dòng)機(jī)更可取。負(fù)載不足的電機(jī)可能會(huì)受到較差的功率因數(shù)的影響，這會(huì)大大降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。規(guī)格過(guò)大的電機(jī)可能會(huì)讓人放心，因?yàn)樗薪M件的熱損失都遠(yuǎn)低于其閾值，所以系統(tǒng)不會(huì)很快出現(xiàn)故障，但規(guī)格合適的電機(jī)會(huì)更高效。如果選型和安裝正確，規(guī)格合適的電機(jī)也可以延長(zhǎng)使用壽命，因此權(quán)衡的重點(diǎn)是選擇最合適的電機(jī)。

電機(jī)電纜的注意事項(xiàng)通常與電纜長(zhǎng)度和規(guī)格有關(guān)。應(yīng)查閱變頻器制造商的安裝文件，找到合適的電纜規(guī)格。如前所述，除非采取預(yù)防措施，否則引線過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)早故障。阻抗較大的變化可能會(huì)導(dǎo)致來(lái)自變頻器的PWM脈沖（具有其相應(yīng)的高dv/dt值）的反射點(diǎn)。這不是一件要么全有要么全無(wú)的事情。阻抗差越大，反射的脈沖越多。有時(shí)，唯一的解決方案是通過(guò)濾波來(lái)抑制脈沖的陡峭dv/dt。同樣，濾波本身也會(huì)帶來(lái)能量損失和額外的安裝成本。

03

變頻器的自動(dòng)調(diào)諧

通常，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速越接近同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)的效率就越高。為了優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行，變頻器需要電機(jī)額定滑差的準(zhǔn)確值。在連接到電機(jī)時(shí)，變頻器進(jìn)行良好的自動(dòng)調(diào)諧，可以產(chǎn)生非常好的電機(jī)滑差值。

為了從新變頻器中獲得最佳的每安培扭矩性能，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)調(diào)諧。變頻器的有效自動(dòng)調(diào)諧程序，將有助于驅(qū)動(dòng)器在變頻器中建立良好的電機(jī)模型。從工廠來(lái)看，變頻器很可能是為與其規(guī)格匹配的典型電機(jī)設(shè)置的。這意味著變頻器中的電機(jī)額定電流值將基于NPPA 70：NEC規(guī)定的電壓和功率值。除此之外，電機(jī)模型還需要繞組和磁場(chǎng)的預(yù)期損耗值。電機(jī)銘牌上很少規(guī)定損耗等數(shù)值。這些損耗值被命名為“線間電阻（Ω）”和“漏電感（%）”。

▲新型變頻器的自動(dòng)調(diào)諧操作很簡(jiǎn)單，可以更有效地控制電機(jī)。

在將一些典型的銘牌值輸入變頻器后，最好讓變頻器在電機(jī)上進(jìn)行測(cè)試?？梢钥隙ǖ氖牵罱K結(jié)果將顯示：運(yùn)行在與預(yù)調(diào)電機(jī)相同的轉(zhuǎn)速和負(fù)載時(shí)，輸出電流會(huì)減少。強(qiáng)烈建議在沒(méi)有任何負(fù)載的電機(jī)上運(yùn)行自動(dòng)調(diào)諧功能。附加負(fù)載會(huì)使電流和滑差測(cè)量值發(fā)生偏差。由于電阻隨溫度變化，自動(dòng)調(diào)諧電機(jī)的內(nèi)部溫度也最好接近其正常運(yùn)行溫度。

04

如何處理系統(tǒng)中的負(fù)載波動(dòng)？

幫助變頻器從應(yīng)用中獲得最佳效率的另一種方法是培訓(xùn)它如何處理負(fù)載波動(dòng)的情況。在低負(fù)載運(yùn)行期間，將輸出電壓降低到最佳點(diǎn)有助于最小化功耗并最大限度地提高效率。變頻器中的節(jié)能模式可以幫助最大限度地提高效率，尤其是風(fēng)扇和泵中的V/Hz應(yīng)用。將節(jié)能視為扭矩提升的倒數(shù)可能會(huì)有所幫助。一種是從正常水平增加電壓以增加輸出轉(zhuǎn)矩，另一種是降低電壓以最小化功率，從而更有效地利用電能。

▲在低需求工況下停運(yùn)變頻器有助于節(jié)約能源。

有時(shí)，如果負(fù)載過(guò)低，變頻器可能需要停止運(yùn)行。這就是所謂的“休眠”。之所以被稱為休眠，是因?yàn)楸M管變頻器輸出關(guān)閉，但它仍處于運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行監(jiān)控，以確定在條件滿足時(shí)能夠再次喚醒以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。這類操作在泵送應(yīng)用中很常見(jiàn)，其中泵的應(yīng)用可以根據(jù)需求或一天中的時(shí)間而改變。變頻器需要編程確定在哪些狀態(tài)下（例如以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行或輸出壓力過(guò)低時(shí)）才能使其進(jìn)入休眠或喚醒。

最后一種節(jié)能的可能性與俗稱的“待機(jī)功耗”有關(guān)。它指的是設(shè)備即使沒(méi)有打開(kāi)也能消耗電源。想想液晶平板電視吧。即使設(shè)備沒(méi)有“打開(kāi)”，也會(huì)消耗一定的剩余電源。也許它消耗的功率不大，不值得擔(dān)心，但想想還有多少其它設(shè)備在關(guān)閉時(shí)也會(huì)耗電。然后，將其乘以世界上所有的房屋和企業(yè)，擔(dān)憂就會(huì)累積起來(lái)。

同樣的原理也適用于變頻器。即使變頻器不運(yùn)行，它也會(huì)通過(guò)整流器和母線電容器消耗一部分電流。一些制造商開(kāi)發(fā)了一種功能，使用小型直流電源在短時(shí)期內(nèi)為變頻器“大腦”供電，同時(shí)打開(kāi)輸入斷路器。因?yàn)榇竽X仍然有電，所以每當(dāng)收到新的運(yùn)行命令時(shí)，它可以關(guān)閉輸入斷路器。也許一個(gè)變頻器在非運(yùn)行期間消耗的功率不值得增加額外的設(shè)備，但如果你有50或100個(gè)變頻器呢？那么，電力浪費(fèi)可能是非常嚴(yán)重的。

變頻器本身可以使電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載需求相匹配，從而在節(jié)能方面取得巨大勝利。然而，還應(yīng)考慮其它因素，如電機(jī)規(guī)格、電纜選擇、自動(dòng)調(diào)諧和節(jié)能功能，以最限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

審核編輯：劉清