由变频器驱动的电动机节能

  1 前言

    近年来，以减轻地球升温效应（削减CO2排量）为代表的环境保护，以及应对石油等能源枯竭的各种措施，推动着全球规模的节能化发展，电动机变频器驱动的节能意向高涨。在国内，伴随着《节能法》的制定及执行力度的强化，取得ISO4001认证的工厂企业日益增加，能源使用合理化计划的推广等，节能的需求愈益提高。另方面，工厂中的用电量约70％为电动机所消耗，因此，电动机的高效率化需求也不断提高。尤其是，以风机、水泵用途为中心，将变频器和电动机组合成可变速控制的变频器驱动系统正广泛普及。本文对电动机高效率化技术的动向，电动机变频器驱动导致的节能化以及有关注意点予以阐述。

    2  电动机的高效率化

    电动机是将输入的电能转换为旋转的机械能的设备。电动机的高效率化，就是为降低在这一能量转换过程中所产生的损耗。效率定义如下： 

    电动机损耗有1次铜损、2次铜损、铁损、机械损耗、杂散负荷损耗5种，如表1所列。

    表1    损耗的定义

    变频器驱动的电动机可分为永磁电动机（IPM）和感应电动机。IPM意为内置式永磁电动机，也被称为高效率同步电动机。有关电动机的结构，感应电动机和IPM转子结构的比较，如图1所示。

    IPM是将永磁体装入转子内部的结构，内置的永磁体产生磁通，故勿需励磁电流，降低了1次铜损；其结果，IPM比感应电动机最大能提高约10％的效率。IPM为低损耗电动机，能减小热容量，故对比感应电动机，具有小型轻量化的特点。

    感应电动机因无永磁体，易于维护且结构坚固，故在工厂企业中广泛使用着。作为感应电动机高效率化的方法，必须减小表1所列的各种损耗。

    1次铜损在损耗中占的比重较大，藉绕线方式的改变缩短导线的长度，以及藉高密度充填绕线技术（提高占绩率）均可降低铜损。而且，对转子槽形的重新审核设计，可降低额定运转时的2次铜损。此外，由于低损耗、高磁密铁芯材料的普及，使用能减少铁损。对定子和转子槽的优化组合，对气隙长度和转子斜度的优化设计，可降低杂散负载损耗。

    高效率电动机比较通用电动机，损耗能减小（20~30）％。冷却风量减小，采用小直径风扇还能减小通风损耗。

    3 变频器原理

    电动机旋转速度的定义如下： 

    式中：n—电动机转速(rpm)；f—频率 (HZ)；p—电动机磁极数；s—感应电动机特有的转差率，表示比同步转速滞后的比例，额定情况下s ≈0.05。

    由式（2）可知，改变电动机的转速n，可通过改变电动机的磁极数p或改变频率f来实现。变频器则是可以任意调节其输出电压频率，能使三相AC电动机在任意的速度下运转并实现无级调速的一种装置。

    图2所示为变频器的结构，变频器主要由将工频电源整流成直流的换流器和由直流逆变成任意频率交流的逆变器所组成。此外，换流器部分又是由三相全波整流的整流器、平稳脉动成分的平波电容器以及抑制平波电容器充电时涌入电流的控制回路等构成。将换流器部分变换的直流，在逆变器部分藉助脉宽调制(PWM)产生交流。看来，为改变电动机的转速，仅通过频率的改变较好，但电压仍保持恒定。输出频率若在50HZ以下时，随着电动机的磁通增加及至饱和，电动机因电流的增大会过热最终导致烧损。

    为避免出现这种现象，必须维持磁通一定。磁通的大小定义如下式：       

    由式（3）可知，磁通与电压成正比，与频率成反比。这一关系式需经常保持一定。变频器输出电压与输出频率之比，被称为模式。这一关系，是控制电动机的重要因素。

    4 节能实例          

    当控制已装设冷水泵的转速时，利用变频器的方法简单容易，且经济上有利。

    作为具体的事例，建筑楼房空调用冷却水泵系统。藉改变热负荷来增减冷水的循环。与此相应，对于压力的变化，只用输出阀来调压，因而压力损耗大，效率劣化。

    如采用对冷水泵转速的控制，保持最佳压力的话，则不会发生因效率下降导致的压力损耗，可达到节能的效果。

    该系统的组成结构如图3所示。输出水量为2500L/min以下时，由一台75kW电动机运转；超过这一水量时，用2台150kW电动机，其中常用1台运转，藉调正输出阀按照热负荷的变化，以增减冷水的循环。 

    在这里（图中），75kW的电动机停止。相应于常用和备用的2台150k 冷却水泵，通过变频器设置1台，能对2台中无论哪一台冷水 泵的运转进行切换。而且，对运转的冷水泵，检测出最上层的水压，藉助PID调正计量仪器保持压力恒定，以进行转速控制。

    水泵场合下，实际量程相对于全量程的比率越小，节能的效果则越大。也就是，按照图4所示的流量与电动机输入的关系，例如，在流量50%处，通过变频器驱动控制冷水泵的转速，与对输出阀的控制比较，电动机的输入功率可能减少到一半以下。

    表2列出建筑物空调用冷水泵系统一年期间的运转模式与节能效果。在上述引入实例中，每年能削减49200kWh的用电量，每1kWh的电量按0.8元，每1kW的CO2消减量为0.000422吨计，则1年节约的电费近4万元，削减CO2有20.76吨。

    对于30年以上早期建设的建筑物，因多数采用中央空调方式，故引入变频器后，可望达到很大的节电效果。但是，当达到如期的节能时，必须对设备的运转工况进行仔细的事前调查和研讨。

    表2运转模式

    5  对已装好的电动机采用变频器驱动时的注意点

    对电动机采用变频器驱动时，对比用正弦波（工频电源）驱动时，由于包含在变频器输出波形内高次谐波的影响，必须注意电动机的温升和变频器的涌浪电压。

    5.1 电动机的温度上升

    因温度升高10℃，绝缘物的寿命约缩短一半，故电动机的温升是非常重要的问题。电动机采用变频器驱动的情况下，由于高次谐波的影响，损耗增大。与一般用工频电源的驱动比较，电流约增加10%左右，温度上升约增加20%。

    下面讨论在低速运转时，冷却效果降低的问题。当电动机转子轴端装有冷却风扇的场合，低频运转时电动机转速低，冷却效果大幅度减小。一般，电动机温升与冷却风量导致的冷却效果之关系，在电动机的损耗相同时，温度的上升△t与转速n成反比关系：

    另一方面，在工频以上运转时，因采用变频器输出电压一定的控制，电动机为恒定输出功率特性。此时，电动机电流随着频率的升高而减小，冷却效果也提高，故温度上升方面的问题不大。但由轴承的容许转速、转动部分的强度、噪音、振动等条件，限定了最大的容许转速值。

    5.2 变频器的浪涌电压

    对于变频器的电源，其换流操作产生浪涌电压。为此，在电动机的线圈处，施加了取决于变频器频率和控制方式的、一定交变周期的浪涌电压，这一浪涌电压对线圈的绝缘将造成大的影响。

    而且，在通用变频器中, 电压急速建立因电动机容量、绕线方式等的差异，的电压施加于电动机时，线圈之间的电压分配，在靠近电源测的第一线圈上电压偏高。所以，必须确保线圈之间的绝缘强度及其协调性。

    变频器一旦将工频电源整流成直流，因利用开关控制，故输出电压的峰值通常为直流电压E以下（直流电压E为工频电源电压有效值的一定倍数，如AC440V时约DC620V, 其倍数 1.4）。

    变频器与电动机之间配线的电感（L）, 配线之间的杂散电容（C）, 在开关切换时因LC共振产生的浪涌电压，将与变频器的输出电压叠加，其结果如图5所示。对比变频器的输出电压峰值，出现了电动机输入侧端子电压升高的现象。该电动机的端子电压峰值，理论上达到最高回路电压（变频器输出电压峰值）的2倍（620 2=1240V），也就是，由于开关切换速度和配线长度的不同，产生的电压也不同。根据其原理，特别 
在PWM方式变频器中，浪涌电压是不可避免的。 

    图6所示为，400系列变频器与电动机之间，相应于配线长度的电动机输入端子电压进行实测的例子。从图6可见，电动机端子电压随配线长度的增加而升高。可确认变频器输出电压约2倍时达到饱和。而且，开关速度更快的IGBT，即使配线长度短，电动机的端子电压也更高。还能确认，配线长度增加时的饱和电压大致是相同的。

    下面，在已装设的冷水泵实例中，对变频器驱动场合的节能效果予以介绍。一般，电动机绝缘寿命约为40000h。按照使用环境、条件不能一概而论。电动机的使用时间按一日8h计，绝缘寿命大致标准约15年。并且，对已装设的电动机，大多尚未采取变频器浪涌电压的对策，特别400V级的电动机改为变频器驱动时，会因变频器的浪涌电压导致绝缘劣化而烧损。因此，引入变频器驱动时，建议对电动机的更换也要同时进行研讨。

    参考文献

    1         阿知和  典弘. モ-タのィンバ-タ驱动にょる省ェネ化，《省ェネ化》2009.NO.11.P39-43.

    2  Yasuhisa Seki,  Toshiaki Idemitsu, Atsushi Koga, Masaki Nakai, Koji Iwshashi. Fan,Pump  and Compressor Applications .《安川电机》2009.NO.02.P66■