变频驱动器最大化能效专家指南：第一部分

本文中，Control Techniques 首席工程师 Colin Hargis 探讨变频驱动器能效问题。

部分读者可能知晓新欧盟法规在酝酿中，旨在管控驱动器和驱动系统效率。法规仍在磋商尚无正式编号，可通过 EC mandate M/476 识别，在能源相关产品指令 (ErP) 磋商流程中称为 “Lot 30”。磋商似乎停滞，但支撑法规的技术标准已存在为 EN 50598-1 和 EN 50598-2。意图是驱动器须像工业电机一样分配能效等级，某阶段可能禁止最低等级进入欧盟市场。制造商还须提供更多部载损耗数据，帮助用户评估其应用整体能效。本博客探讨驱动系统效率基础。下篇将详细分析新标准和拟议法规引发的问题。

使用变频驱动器主要原因之一是调节电机转速匹配其驱动的终端工艺需求，以优化能源使用。 输送流体 (气体和液体) 时尤为宝贵，因粘性摩擦使绕回路输送流体所需功率随流量立方变化，微小流量减少带来巨大功率节省。风阀、阀门甚至可变导叶等控制方法也导致不必要功率损耗。此理念广为人知，无需赘述，有许多实用指南 [如参考 1、2]。但考虑到即将出台的法规，回顾几个原则有助于保持对法规和标准影响的正确视角。

驱动系统能量损耗

图示 (非按比例) 大致说明驱动应用功率消耗分布。用损耗而非效率更清晰。每阶段相关器件有功率损耗，通常以其额定吞吐量比例表示。

损耗功率以热形式出现，通常散热周围空气。有时热量可利用，但通常视为浪费，甚至可能因需额外通风冷却区域而产生额外成本。实际损耗随应用差异巨大，但风机应用在最大输出时典型损耗分解见表 1。注意每阶段器件损耗既是其有用系统输出函数，也是所有下游器件累积损耗函数。

本例总效率约 56.6%。最大损耗在执行器，风机移动空气典型损耗 30%。空气难高效移动，现代泵损耗可能接近 10%。所有损耗均可通过改进技术降低，关注能效意味随改进设计具成本效益或法规要求而随时间减少。

注意驱动器损耗在列表中最小，这在绝大多数应用中真实。3% 损耗与其他相比微不足道。现代驱动器损耗极低，主驱动力是追求物理紧凑单元，意味散热器件 (散热器和风扇) 必须最小化，故损耗也须最小化。驱动器功率吞吐包含所有其他损耗，故基于驱动器数据的 3% 头线损耗，按系统输出比例换算为 5.1%。驱动器智能应用常能允许其他器件有用损耗减少，节省远超驱动器损耗。但须考虑实际工况而非仅最大负载工况。

控制与损耗

上述典型损耗值为各器件额定负载或吞吐量下的“头线”值。故在系统最大设计输出运行时相关。许多系统大部分寿命在额定负载以下运行，因需求变化但系统须按最大设计。性能通常以最大吞吐能力评判，供应商倾向过配组件避免验收试验中达不到额定输出被客户拒收。因此需要控制系统和调节输出方法。采用的控制技术极大影响部载效率。众所周知风阀和调节阀导致较高部载损耗，因导致风机或泵侧压力上升，意味着其须产生超出交付点需求的功率。变频驱动器避免此额外损耗。

所有组件效率随负载变化。细节差异大，但通常损耗含：

• 与输出无关的固定损耗。倾向降低部载效率。
• 不影响部载效率的比例损耗。
• 上升损耗 (如平方律) 倾向降低满载效率。

结果通常存在最优效率输出水平，如标准感应电机约在 80% 额定值。更高输出效率略降。更低输出效率也降，但实际功率损耗也下降。

变频电气驱动系统损耗

概括概况后，详细看电气驱动系统即电机和驱动器。系统输出为电机轴机械功率，含转矩与速度乘积。电机和驱动器均有随转矩速度变化的损耗要素。表 2 总结这些。为简化假设电流与转矩成正比。此简化忽略电机励磁电流。

注意须分别和组合考虑速度和转矩效应。电机电阻损耗几乎完全与转矩相关，与速度无关，驱动器逆变器级同理。另一方面驱动器输入整流器级损耗纯粹是功率吞吐函数，即转矩速度乘积。

考虑特定负载类型时，转矩速度相关，此复杂图景可简化。例如简单泵/风机向静水头小的工艺供料，压力以流量平方律为主，给出转矩为转速平方律函数。相反如输送机工艺，转矩主要与速度无关，取决于输送机需求。这两类负载大致称为“变转矩” 和“恒转矩” 驱动应用。

除驱动器和电机单独固有损耗外，还有组合函数损耗。相互依赖关键因素：

• 工作磁通密度，由驱动器控制施加于电机，影响励磁损耗。(也影响给定转矩速度下电阻损耗，任何给定转矩速度有最优磁通密度。)
• PWM 开关，由驱动器控制导致电机额外损耗
• 电机功率因数，电机施加无功电流导致驱动器额外电流损耗

驱动器简单效率标准仅处理驱动器单独损耗，用标准化电机负载。有用标准须处理相互依赖并管理权衡；例如所选 PWM 开关频率须平衡降低驱动器损耗 (需低频) 和电机损耗 (需高频) 的愿望。还须允许完整系统或机器设计者计算完整机器在实际工况范围内的损耗。

下篇博客将更仔细审视标准，特别是 EN 50598-2 规定驱动器能效等级，考虑其如何管理这些要求。也将看驱动器可用优化效率功能，特别是优化部载损耗，其重要性可能超初看。

参考文献

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] https://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html