变频驱动器提升能效专家指南：第二部分

本博客系列第二部分，Control Techniques 首席工程师深入探讨利用变频驱动器实现更高能效。

上篇博客概述了驱动器及其应用效率，及其如何受给定应用中转速转矩组合模式影响。本文探讨拟议欧盟法规及其相关标准如何通过设定性能标准和数据提供要求，尝试提升终端应用能效。这包括驱动器拟议新 IE 能效等级。

驱动器能效标准与拟议欧盟法规

有一套欧洲 (CENELEC) 标准作为未来可能法规起点，即 EN 50598 第 1-3 部分 [1]。未来可能作为国际标准 (IEC) 基础，如电机标准。欧盟法规可能采用 EN 50598-2 的 IE 等级定义。

此标准族中，第 3 部分涉及环保设计，重点在产品材料及最终处置环境影响。超出本博客范围。第 1 部分处理含电机驱动器的完整系统设计。旨在解决产品标准不可避免仅针对单一产品能效、而实际目的是确保最终应用而非单独部件最佳用能的挑战。详细阐述上篇博客议题，制定使用第 2 部分定义驱动器数据的完整系统能效评估方法论。第 1 部分供特定终端应用能效技术委员会使用。称为“扩展产品法” (EPA)。第 1 部分含系统设计师有用教程材料。

第 2 部分即 EN 50598-2，给出驱动器能效指标即 IE 等级，可能成为未来法规基础。法规 [2] 适用于投放欧盟市场的驱动器产品。我们已见驱动器能源影响远超自身消耗 (损耗)，因能使最终应用其他部件大幅节能。法规无法预见广泛最终应用，故旨在定义驱动器制造商必须向采购方提供的数据。此数据构成 EPA 使用的“半解析模型”。

制定法规和标准的小组深知在适用场合使用驱动器的能源收益远超损耗，旨在保持标准简洁实用。文档较长，但大量内容为损耗来源和数学模型详细解释。有兴趣深入了解者推荐阅读。

摘要：按标准驱动器制造商须提供：

• 驱动器能效等级，范围 IE0 至 IE2，基于额定转矩电流和 90% 额定输出频率下特定工况点损耗。PWM 开关频率 ≤90kW 固定 4 kHz，>90kW 固定 2 kHz。定义基准 IE1 等级的“参考损耗”取决于逆变器额定值，5-75 kW 范围约为视在输出功率 5%。IE2 等级损耗约为 IE1 一半。
• 显示以下 9 种转矩电流与输出频率组合矩阵的功率损耗数据：

法规可能禁止 IE0 级驱动器在欧盟销售，并可能设定禁售 IE1 级时限。标准含未来 IE2 以上等级预留，但进一步提升收益有限。

要求数据矩阵旨在让用户结合特定转矩/转速特性和负载模式预测应用能耗损耗，正如上篇博客和 EN 50598-1 所述。

驱动系统提升能效实用方法

理解完整过程

优化能效，受控转速应用最重要层面是正确设计控制功能，使过程优化、输出按需提供无过量。驱动系统设计师核心技能是充分理解整体过程，确保电机转速和/或转矩按过程需要适当设定。从上篇博客表 1 可见，本例中电机和驱动器损耗仅占输出 20.7%，传动和执行器占 56%。10% 电机损耗为约 7.5 kW 现代 IE3 级电机典型值，难大幅改进。驱动器损耗微不足道。但驱动工程师可能发现改进整个系统机会。看新设计：电机与执行器匹配无需变速传动。利用驱动器改变电机基频能力可实现。此时表 1 变为：

效率从 56.5% 提升至 67.9%，损耗从输出 76.7% 降至 47.3%。

此例利用驱动器能力摆脱由市电频率和电机极数决定的有限基频选择。驱动器可编程控制能力还可利用各过程传感器输入优化实际工况下转速。最后，驱动器还可根据实际负载优化电机运行工况。

优化电机控制——磁通密度

IE3 级 4 极电机满载损耗随额定值 0.75 kW 时 14.5% 至 185 kW 以上 3.8% 变化。广泛使用且高能耗的 5.5-55 kW 范围约 6%。此处似无大改进空间。大部分损耗为工作电流相关铜损 (导体损耗)，驱动器功能无法改善。高负载下最佳改进空间是使用永磁电机，使电机功率因数 (cos φ) 接近 1 从而降低电流。

但值得再审视电机固定损耗，因大类应用工作转矩常远低于额定值。风机泵应用正常输出低于最大，或恒转矩应用转矩通常低于最大。此时电机工作电压下磁通密度高于产生所需转矩所需，可通过降低供电电压从而降低磁通密度减少磁钢固定损耗。

粗略估算可能性：风机应用通常 50% 额定转速、25% 额定转矩运行。功率仅 12.5%。电机磁固定损耗为额定值 2%，看似微不足道。但实际为正常功耗 16%。可能降低电压 50% 而不显著增加电流，固定损耗降至约 4% 消耗。损耗减少相对额定功率小，但相对决定电费的实际平均运行功率显著。

变转矩应用控制电机磁通密度传统方法是二次 V/F 模式，V/F 比决定电机磁通密度。前提负载真正为二次 (转矩与转速平方成正比) 且无负载转矩瞬变时效果良好。

恒转矩应用中 Control Techniques 动态 V/F 功能极有效。通过主动适应电机电流调整电压。优势：负载转矩降低时自动有效削弱磁通，无需假设负载转矩/转速特性。但负载转矩骤增仍快速反应，磁通快速增加使电机不易失速。

优化电机控制——开关频率

逆变器 PWM 开关导致电机额外损耗，主要与负载无关，即额外固定损耗。开关频率越高电机附加损耗越低，但逆变器电流相关开关损耗越高。满载时，EN 50598-2 开发研究显示 90 kW 以下 IE3 电机与驱动器整体最佳效率在开关频率约 4 kHz，曲线平缓。此为标准损耗测量采用这些开关频率的原因。

图 1 示例展示小电机及其驱动器随开关频率变化损耗，含满载 (FL) 和半载 (HL)。

本例满载最佳开关频率约 5 kHz，半载约 7 kHz，因给定频率下驱动器损耗随负载减小而降低。能随电机电流自适应调整开关频率的驱动器可提升轻载效率，这在应用长期轻载运行时值得。

Control Techniques Unidrive M 驱动器具备自动开关频率自适应功能。驱动器在用户指定最高开关频率下运行，但若驱动器损耗过高则降低。这意味着除非导致过大驱动器损耗，否则电机开关损耗最小化。