【儀表網 行業科普】電機和驅動系統效率的測量結果表明，工業能效對機器設計很重要。
電機和驅動系統的能源效率是現代工業和技術進步的重要組成部分，有助于制造企業實現可持續發展和成本效益。通過量化和分析電機和驅動系統的能效，可以更好地了解哪些機器設計改進可以帶來更多好處。
01 為什么工業能效很重要？
工業能效對于制造企業實現節能計劃、機器效率提升和其它有用的改進非常重要。
在機器設計方面，使用節能電機和變頻器除了可以為企業帶來能耗降低方面的優勢之外，還可以帶來如下好處：
■ 成本效益：節能電機和變頻器保持最佳性能，同時消耗更少的電能。這可以大大降低能源賬單，縮短投資回報時間。
■ 設備壽命：熱量形式的能量損失較小，這使機器運行溫度更低，使用壽命更長。同時消耗更少的能量或更低的千瓦時。
■ 提高精度和控制能力：此外，產生的熱量更少，減少機械磨損。這可以實現整體設計的優化，最大限度地減少電氣噪聲，并提高精度、響應能力和控制能力。
為了支持制造企業的可持續發展，相關組織和機構也出臺了很多激勵政策。各種能源贊助項目和能源效率計劃為符合條件的申請者提供節省成本的機會和咨詢。
例如，位于英格蘭地區的一個示范項目，由Eversource 能源電氣服務公司運營。對于該項目的“變頻器和電機”計劃，可以從其網站上獲得相關信息，了解如何參與并可以獲得最新和現有變頻器和電機應用的信息。這類計劃可以幫助公司節省節能改造費用，并根據每年節省的千瓦時或改造增量成本的百分比獲得回報。
02 電機系統能源效率的測量和計算
對于電機和驅動能源效率的計算，本文列舉的案例將著眼于480 V的計算以及如何使用測功機從理論和機械上獲得數值。具體操作如下：
■ 了解如何使用能量分析儀測量能量使用情況；
■ 進行為期一周的功率讀數監測。
作為預防性維護的一部分，計算電機和變頻器的能源效率是評估性能和優化運營的一個重要方法。基本的理論涉及到計算理論能效(η)。
η=輸出功率(Po)/輸入功率(Pi)
對于電機，其中Po表示電機輸送的機械功率，Pi表示提供給電機的電功率。同樣，放大器的能量效率由輸送功率(Po)與消耗功率(Pi)的比率決定。系統整體的效率精度將取決于對伺服驅動器(傳導、開關、邏輯處理、備用電源等)和電機(銅損耗、鐵損耗、機械損耗等)潛在功率損耗的評估。
一些用戶可能更喜歡使用最新的技術和方法，這些技術和方法對為期幾天的能源測量更具依賴性和準確性。在這些情況下，使用測量獲得的信息，對評估和做出能源決策非常有用。在跨線電機啟動器電路操作系統的測量中，最終報告出具的有功能量為1.385 MWh，標準能量成本為346.34美元，這是系統在特定時間段內消耗的總能量。
通過所選的能源研究軟件，創建并跟蹤能源使用和其它信息以發現趨勢。有用的測量可能包括系統的功率因數，這是衡量電能轉化為有用功的有效程度的指標。該比率是有功功率(kW)和視在功率(kVA)的比值。功率因數接近1代表高效運行。
測功機等可用技術也可用于全面了解測試、測量和繪制各種負載下電機的能源效率。使用測量所得的系統扭矩和轉速(RPM)來確定功率輸出：
輸出功率=扭矩 * RPM * 2π/60
并確定電機消耗的功率輸入：
輸入功率=電壓 * 電流* 功率因數
在理論和機械方法都可用的情況下，使用一種方法和工具來確保系統繼續以最高效率運行并得到適當的維護。
03 量化電機和驅動效率成果
量化節能成果的一種方法是測量機器升級前后的實際能源使用量。這可以使用功率分析設備來完成，并給出能量使用的精確比較。重要的是要記住機器的性能曲線，即機器在測量過程中所做的實際工作，測量前和測量后兩個階段應相匹配。這樣才能確保能源效率的公平比較。
本文涉及的能量分析是使用跨線電機啟動器進行的。一旦面板通電，這類電路就會通電，并且只要有電源，就會一直通電。這就獲得了穩定的電流供應，而與機器的實際能量需求無關。當接觸器線圈通電時，L1-3觸點閉合，線路電壓和起動電流直接連接到定子繞組(圖1)。
▲圖1：圖中顯示了一個跨線電機啟動電路。與使用軟啟動器或變頻器相比，
將電機定子繞組置于線路電壓和電流下，可能會縮短電機的使用壽命。
跨線電機啟動器電路可以被替換為伺服電機，伺服電機被設計為節能型，可按需提供扭矩。這與空氣泵和液壓源以及跨線電機啟動器不同，后者需要始終保持運行，以備機器有需求。然而，當沒有需求時，伺服電機也可以降至零扭矩。與其它類型的能源相比，這提高了能源效率，并已被證明可以將機器能源使用量減半。
伺服電機使用伺服組件或伺服放大器來實現高效運行(圖2)。伺服放大器部件包括雙極結晶體管(BJT)、二極管、電容器和其它電氣部件，允許伺服電機降低能耗。當機器需求較低時，伺服電機的電流消耗要低得多，從而提高了能源效率。效率的提升主要源于：改用伺服電機，將機器中的能源使用量減少一半；以及消除氣泵、液壓源等。
▲圖2：伺服電機使用伺服組件或伺服放大器來實現高效運行。
此方框圖描繪了Yaskawa 400-V Servopack的電氣設計。圖片來源：Yaskawa
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