由變頻器驅動的電動機節能

1 前言

近年來，以減輕地球升溫效應（削減CO2排量）為代表的環境保護，以及應對石油等能源枯竭的各種措施，推動著全球規模的節能化發展，電動機變頻器驅動的節能意向高漲。在國內，伴隨著《節能法》的制定及執行力度的強化，取得ISO4001認證的工廠企業日益增加，能源使用合理化計劃的推廣等，節能的需求愈益提高。另方面，工廠中的用電量約70％為電動機所消耗，因此，電動機的高效率化需求也不斷提高。尤其是，以風機、水泵用途為中心，將變頻器和電動機組合成可變速控制的變頻器驅動系統正廣泛普及。本文對電動機高效率化技術的動向，電動機變頻器驅動導致的節能化以及有關注意點予以闡述。

2 電動機的高效率化

電動機是將輸入的電能轉換為旋轉的機械能的設備。電動機的高效率化，就是為降低在這一能量轉換過程中所產生的損耗。效率定義如下：

電動機損耗有1次銅損、2次銅損、鐵損、機械損耗、雜散負荷損耗5種，如表1所列。

表1 損耗的定義

變頻器驅動的電動機可分為永磁電動機（IPM）和感應電動機。IPM意為內置式永磁電動機，也被稱為高效率同步電動機。有關電動機的結構，感應電動機和IPM轉子結構的比較，如圖1所示。

IPM是將永磁體裝入轉子內部的結構，內置的永磁體產生磁通，故勿需勵磁電流，降低了1次銅損；其結果，IPM比感應電動機最大能提高約10％的效率。IPM為低損耗電動機，能減小熱容量，故對比感應電動機，具有小型輕量化的特點。

感應電動機因無永磁體，易于維護且結構堅固，故在工廠企業中廣泛使用著。作為感應電動機高效率化的方法，必須減小表1所列的各種損耗。

1次銅損在損耗中占的比重較大，藉繞線方式的改變縮短導線的長度，以及藉高密度充填繞線技術（提高占績率）均可降低銅損。而且，對轉子槽形的重新審核設計，可降低額定運轉時的2次銅損。此外，由于低損耗、高磁密鐵芯材料的普及，使用能減少鐵損。對定子和轉子槽的優化組合，對氣隙長度和轉子斜度的優化設計，可降低雜散負載損耗。

高效率電動機比較通用電動機，損耗能減小（20~30）％。冷卻風量減小，采用小直徑風扇還能減小通風損耗。

3 變頻器原理

電動機旋轉速度的定義如下：

式中：n—電動機轉速(rpm)；f—頻率 (HZ)；p—電動機磁極數；s—感應電動機特有的轉差率，表示比同步轉速滯后的比例，額定情況下s ≈0.05。

由式（2）可知，改變電動機的轉速n，可通過改變電動機的磁極數p或改變頻率f來實現。變頻器則是可以任意調節其輸出電壓頻率，能使三相AC電動機在任意的速度下運轉并實現無級調速的一種裝置。

圖2所示為變頻器的結構，變頻器主要由將工頻電源整流成直流的換流器和由直流逆變成任意頻率交流的逆變器所組成。此外，換流器部分又是由三相全波整流的整流器、平穩脈動成分的平波電容器以及抑制平波電容器充電時涌入電流的控制回路等構成。將換流器部分變換的直流，在逆變器部分藉助脈寬調制(PWM)產生交流。看來，為改變電動機的轉速，僅通過頻率的改變較好，但電壓仍保持恒定。輸出頻率若在50HZ以下時，隨著電動機的磁通增加及至飽和，電動機因電流的增大會過熱最終導致燒損。

為避免出現這種現象，必須維持磁通一定。磁通的大小定義如下式：

由式（3）可知，磁通與電壓成正比，與頻率成反比。這一關系式需經常保持一定。變頻器輸出電壓與輸出頻率之比，被稱為模式。這一關系，是控制電動機的重要因素。

4 節能實例

當控制已裝設冷水泵的轉速時，利用變頻器的方法簡單容易，且經濟上有利。

作為具體的事例，建筑樓房空調用冷卻水泵系統。藉改變熱負荷來增減冷水的循環。與此相應，對于壓力的變化，只用輸出閥來調壓，因而壓力損耗大，效率劣化。

如采用對冷水泵轉速的控制，保持最佳壓力的話，則不會發生因效率下降導致的壓力損耗，可達到節能的效果。