变速驱动器的能源效率（第 2 部分）

在本博​​客系列的第二部分，Control Techniques 的总工程师更深入地研究了如何使用变速驱动器实现更高的能源效率。

上一篇博客概述了驱动器及其应用的效率，以及它们如何受到给定应用中速度和扭矩组合模式的影响。我们现在看看拟议的欧盟法规及其相关标准如何通过设定性能标准和提供数据来尝试提高终端应用的能源效率。这包括为驱动器提议的新 IE 类。

驱动效率的标准和拟议的欧盟法规

有一套欧洲 (CENELEC) 标准是作为未来可能法规的起点而创建的，即 EN 50598 第 1 至 3 部分 [1]。很可能这些将在适当的时候用作国际标准 (IEC) 的基础，就像适用于电机一样。欧盟法规可能会使用 EN 50598-2 中的 IE 类定义。

在这个标准系列中，第 3 部分一般涉及具有环保意识的设计，重点是产品中使用的材料及其最终处置对环境的影响。这超出了本博客的范围。第 1 部分涉及包含电机和驱动器的完整系统的设计。它旨在解决产品标准所面临的挑战，这些产品标准不可避免地适用于单独考虑特定产品的能源效率，而实际目的是试图确保在最终应用中实现能源的最佳利用，而不是单独考虑单独的部分。它解释了我们在上一篇博客中讨论的问题，但更详细地介绍了一种方法，使用第 2 部分中更详细定义的驱动器数据来评估整个系统的能源效率。第 1 部分旨在供致力于特定终端应用能源效率的技术委员会使用。这被称为“扩展产品方法”（EPA）。第 1 部分包含对系统设计人员有用的教程材料。

第 2 部分被称为 EN 50598-2，它给出了驱动器的能效指标，即 IE 等级，这很可能成为未来法规的基础。法规 [2] 将适用于作为产品投放到欧盟市场的驱动器。我们之前已经看到，驱动器的能源影响远远超过其自身的能源消耗（损失），因为它可以在最终应用的其他组件中节省大量能源。该法规无法预见到各种不同的最终应用，因此它将旨在定义驱动器制造商必须向购买者提供的数据。这些数据形成了用于 EPA 的“半分析模型”。

负责制定法规和标准的团体很清楚，在合适的地方使用驱动器的能源收益远远超过损失，他们的目标是保持标准的简单和实用。这是一个相当长的文件，但大部分材料是对损失来源和要使用的数学模型的详细解释。如果您有兴趣了解有关该主题的更多信息，建议阅读。

总之，根据标准，驱动器制造商必须提供以下内容：

• 驱动器的一种能效等级，在 IE0 到 IE2 范围内，它基于一个特定工作点的损耗，额定转矩产生电流和 90% 的额定输出频率。对于高达 90 kW 的额定功率和高于 90 kW 的 2 kHz，PWM 开关频率固定为 4 kHz。定义基线 IE1 等级的“参考损耗”取决于逆变器额定值，但对于 5 kW 至 75 kW 范围内的额定值，它约为视在输出功率的 5%。 IE2 类损失约为 IE1 的一半。
• 显示以下 9 种扭矩产生电流和输出频率组合矩阵的功率损耗数据：

该法规很可能会禁止在欧盟销售 IE0 级驱动器，并可能设定禁止 IE1 级驱动器的时间表。该标准确实包含了对 IE2 之后可能的未来类的规定，但尝试更进一步并没有什么好处。

所需数据矩阵的目的是允许用户预测其应用的能量损失，同时考虑其特定的扭矩/速度特性和负载模式，正如我们在上一篇博客中讨论的那样，也在 EN 50598 中进行了解释- 1.

提高驱动系统能效的实用方法

了解完整流程

为了优化能源效率，到目前为止，受控速度应用的最重要方面是正确设计控制功能，以便优化过程，并且无论输出是什么，都可以根据需要提供，但不会过多。驱动系统设计人员的主要技能是充分了解整个过程，以确保为过程适当设置电机速度和/或扭矩。从上一篇博客中的表 1 可以看出，在这个例子中，电机和驱动器的损耗仅为输出的 20.7%，而变速器和执行器的损耗为 56%。 10% 的电机损耗是额定功率约为 7.5 kW 的现代 IE3 级电机的典型特征，很难在此基础上进行太大改进。驱动损失是相当微不足道的。然而，驱动工程师也许能够找到改进整个系统的机会。让我们看一个新设计，其中电机和执行器匹配，因此不需要变速传动。这可以通过使用驱动能力来改变电机的基本速度来实现。在这种情况下，表 1 将变为：

现在效率从56.5%提高到67.9%，损耗从76.7%降低到47.3%。

在这种情况下，我们使用驱动器的能力来摆脱由主电源频率和电机极数决定的有限数量的基本速度。该驱动器还具有可编程控制能力，因此来自各种过程传感器的输入可用于帮助优化系统实际运行条件的速度。最后，驱动器还可以根据实际负载来优化电机的运行状态。

优化电机控制 - 磁通密度

IE3 级 4 极电机的满载损耗在 0.75 kW 额定值的 14.5% 到 185 kW 以上额定值的 3.8% 范围内变化。在 5.5 kW 至 55kW 左右的广泛使用和能源密集型范围内，这一比例约为 6%。这里似乎没有太大的改进空间。大部分损耗是与工作电流有关的铜（导体）损耗，任何驱动功能都无法改善。高负载时最好的改进范围是使用永磁电机，使电机功率因数（cos f）接近1，从而降低电流。

然而，值得再次关注电机中的固定损耗，因为在大类应用中，操作扭矩通常远低于其额定值。这可能是在风扇或泵应用中正常输送小于可能的最大值，或者在扭矩通常小于可能的最大值的恒定扭矩应用中。在这种情况下，电机在其工作电压下的磁通密度高于实现所需转矩所需的磁通密度，并且可以通过降低电源电压和磁通密度来降低磁钢的固定损耗。

为了大致了解这些可能性，以一个通常以 50% 额定速度和 25% 额定扭矩运行的风扇应用为例。因此，功率仅为 12.5%。电机磁固定损耗为额定值的 2%，这似乎微不足道。然而，这实际上是正常功耗的 16%。可能有可能在不显着增加电流的情况下将电压降低多达 50%，从而将固定损耗降低到消耗的 4% 左右。损耗的降低与额定功率相比是很小的，但与实际平均运行功率相比却是显着的，这决定了业主的电费。

在可变转矩应用中控制电机磁通密度的传统方法是二次 V/F 模式，其中 V/F 比决定了电机磁通密度。假设负载是真正的二次方，即转矩与速度的平方成正比，并且没有负载转矩瞬变，则此方法效果很好。

对于恒转矩应用，Control Techniques Dynamic V/F 功能非常有效。这是通过主动使电压适应电机电流来实现的。它的优点是当负载转矩减小时，磁通会被有效地自动减弱，而不需要对负载的转矩/速度特性做任何假设。但是负载转矩的突然增加仍然会导致快速反应，磁通快速增加，因此电机不太可能停转。

优化电机控制 - 开关频率

逆变器驱动 PWM 开关会导致电机中的损耗增加，这在很大程度上与负载无关，即它是一个额外的固定损耗。开关频率越高，电机中的附加损耗越低，但逆变器中与电流相关的开关损耗越高。在满载时，EN 50598-2 开发中进行的研究表明，当开关频率约为 4 kHz 时，IE3 电机和驱动器在额定负载下的最佳整体效率低于 90 kW，曲线相当浅的。这就是为什么要在这些开关频率下进行标准损耗测量的原因。

图 1 显示了在满载 (FL) 和半载 (HL) 下，小型电机及其驱动器在开关频率变化时的损耗示例。

此示例中满载时的最佳开关频率约为 5 kHz，而半载时约为 7 kHz，因为在给定频率下的驱动损耗在部分负载时较低。将其开关频率调整到电机电流的驱动器可以提高部分负载效率，这在大部分时间都在部分负载上花费的应用中也是值得的。

Control Techniques Unidrive M 驱动器具有自动开关频率适应功能。驱动器尽可能以用户指定的最高开关频率运行，但如果驱动器损耗变得太高，则降低该频率。这意味着电机中的开关损耗被最小化，除非这会导致过多的驱动损耗。