变速驱动器的能源效率（第 1 部分）

在本文中，Control Techniques 的总工程师 Colin Hargis 探讨了变速驱动器的能源效率问题。

一些读者可能知道，一项新的欧盟法规正在制定中，旨在控制驱动器和驱动系统的效率。该法规仍在咨询中，因此尚未正式确定编号，但可以通过 EC 指令 M/476 进行识别，在能源相关产品指令 (ErP) 的咨询过程中被称为“第 30 号” .咨询目前似乎停滞不前，但支持该法规的技术标准已经存在，如 EN 50598-1 和 EN 50598-2。其目的是必须为驱动器分配效率等级，就像工业电机一样，并且在某个阶段可能会禁止最低等级的驱动器进入欧盟市场。制造商还必须提供有关部分负载损耗的更多数据，以帮助用户评估其应用的整体能效。

在法规本身生效之前，一些变频器用户可能有兴趣了解更多有关拟议法规和能效等级的信息，以评估它们是否与他们自己的最终产品或系统的能效相关。在本博客中，我们将了解驱动系统效率的一些基础知识。接下来，我们将更详细地探讨新标准和拟议法规引起的一些问题。

使用变速驱动器的主要原因之一是调节电机的速度以匹配其驱动的最终过程的需求，从而优化能源使用。 这在移动流体（气体和液体）时特别有价值，因为粘性摩擦意味着在回路中移动流体所需的功率随着流量的立方定律而变化，因此流量的小幅降低会大大降低使用的功率。阻尼器、阀门甚至可变导向叶片等控制方法也会导致不必要的功率损失。这个想法是众所周知的，没有必要写更多关于它的内容，有许多有用的指南可用[例如。参考文献 1 和 2]。然而，考虑到即将出台的法规，回顾一些原则是有帮助的，主要是为了保持法规的效果和标准的正确性。

驱动系统中的能量损失

该图未按比例绘制，大致说明了驱动器应用中的功耗情况。最清楚的是根据损失而不是效率来工作。在每个阶段，相关设备都会有功率损耗，一般用其额定吞吐量的比例来表示。

损失的能量以热量的形式出现，通常来自周围的空气。有时热量可以得到很好的利用，但通常必须将其视为浪费，如果需要对该区域进行额外的通风或冷却，甚至可能会产生进一步的成本。不同应用的实际损耗差异很大，但表 1 给出了以最大输出运行的空气移动应用的典型故障。请注意，在每个阶段，设备中产生的损耗都是有用系统输出的函数以及所有其他下游设备的累积损耗。

在本例中，总效率约为 56.6%。最大的损失在执行器中，30% 的损失数字对于移动空气的风扇来说是典型的。空气是一种难以有效移动的流体，现代泵的损失可能接近 10%。所有显示的损失都可以通过改进技术来减少，而对能源效率的关注意味着随着改进的设计变得具有成本效益或符合法规要求，它们都会随着时间的推移而减少。

请注意，驱动器损耗是列表中最小的，这在大多数应用程序中都是现实的。与其他人相比，3％的损失是相当微不足道的。现代驱动器的损耗非常低，主要驱动因素是对物理紧凑单元的需求，这意味着冷却设备（散热器和风扇）的尺寸必须最小化，因此损耗也必须最小化。驱动器的功率吞吐量确实包括所有其他损耗，因此基于驱动器数据的 3% 的总体驱动器损耗在以系统输出的比例表示时变为 5.1%。驱动器的智能使用通常可以有效地减少其他设备的损耗，从而带来远远超过驱动器损耗的节省。但是，我们确实必须考虑实际运行条件，而不仅仅是最大负载条件。

控制和损失

上面讨论的典型损耗值是在每个设备的额定负载或吞吐量下给出的“标题”值。因此，当系统以其最大设计输出运行时，它们是相关的。许多系统在其生命周期中的大部分时间都在低于其额定负载的情况下运行，因为需求各不相同，但系统必须设计为最大限度。此外，性能通常由最大吞吐量能力来判断，因此供应商倾向于加大组件尺寸，以避免在验收试验期间未能提供额定输出时客户拒绝系统的风险。因此需要一种控制系统，具有调节输出的方法。所应用的控制技术会极大地影响部分负载效率。例如，众所周知，空气阻尼器和调节阀会导致相当高的部分负载损失，因为它们会导致风扇或泵的压力升高，这意味着它必须产生比输送点所需更多的功率.变速驱动避免了这种额外的损失。

所有组件的效率随负载而变化。细节差异很大，但一般损失有以下几个要素：

• 与输出无关的固定损失。这往往会降低部分负载效率。
• 不影响部分负载效率的比例损失。
• 增加的损耗（例如平方律）会降低满载效率。

结果是通常有一个最佳的效率输出水平，例如在标准感应电机中，这大约是额定值的 80%。在较高的输出下，效率会略有下降。在较低的输出下，效率也会下降，但实际功率损耗也会下降。

变速电力驱动系统的损耗

总结了一般情况后，我们现在可以更详细地了解电驱动系统，即电机和驱动器。系统的输出是电机轴的机械功率，包括扭矩和速度的乘积。电机和驱动器都具有随扭矩和速度变化的损耗元件。表 2 总结了这些。为简单起见，我们假设电流与扭矩成正比。这是一种简化，因为它忽略了电机磁化电流。

请注意，我们必须分别考虑速度和扭矩的影响，也必须综合考虑。电机中的电阻损耗几乎完全与扭矩有关，与速度无关，驱动器的逆变器级也是如此。另一方面，驱动输入级整流器的损耗纯粹是功率吞吐量的函数，即扭矩和速度的乘积。

当考虑扭矩和速度相关的特定类型的负载时，可以简化这个相当复杂的情况。例如一个简单的泵或风扇，它以很小的静压头进入一个过程，因此压力主要是流量的平方函数，产生的扭矩是速度的平方函数。相反，输送系统等过程的扭矩在很大程度上与速度无关，但取决于输送机的需求。这两类负载分别被广义地称为“变转矩”和“定转矩”驱动应用。

除了单独考虑驱动器和电机固有的损耗外，还有一些损耗是两者结合的函数。相互依赖的关键因素是：

• 工作磁通密度，由驱动器控制并施加在电机上，影响磁化损耗。 （同样影响给定扭矩的电阻损耗，对于任何给定的扭矩和速度，都有一个最佳的磁通密度。）
• PWM 切换，由驱动器控制并导致电机中的额外损耗
• 电机的功率因数、电机施加的无功电流导致驱动器中的额外电流损耗

一个简单的驱动器效率标准将只处理驱动器中的损耗，使用标准化的电机负载。一个有用的标准必须解决相互依赖和管理权衡；例如，选择的 PWM 开关频率必须平衡最小化驱动器损耗（需要较低频率）和电机（需要较高频率）的需求。它还必须让完整系统或机器的设计者能够计算整台机器在其实际运行条件范围内的损耗。

在下一篇博客中，我们将更仔细地研究标准，特别是 EN 50598-2，它指定了驱动器的能效等级，并考虑它们如何管理这些要求。我们还研究了驱动器中可以优化效率的可用功能，特别是优化部分负载损耗，这可能比它们最初看起来更重要。

参考文献

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

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