由变频器驱动的电动机节能

1 前言

近年来，以减轻地球升温效应（削减CO2排量）为代表的环境保护，以及应对石油等能源枯竭的各种措施，推动着全球规模的节能化发展，电动机变频器驱动的节能意向高涨。在国内，伴随着《节能法》的制定及执行力度的强化，取得ISO4001认证的工厂企业日益增加，能源使用合理化计划的推广等，节能的需求愈益提高。另方面，工厂中的用电量约70％为电动机所消耗，因此，电动机的高效率化需求也不断提高。尤其是，以风机、水泵用途为中心，将变频器和电动机组合成可变速控制的变频器驱动系统正广泛普及。本文对电动机高效率化技术的动向，电动机变频器驱动导致的节能化以及有关注意点予以阐述。

2 电动机的高效率化

电动机是将输入的电能转换为旋转的机械能的设备。电动机的高效率化，就是为降低在这一能量转换过程中所产生的损耗。效率定义如下：

电动机损耗有1次铜损、2次铜损、铁损、机械损耗、杂散负荷损耗5种，如表1所列。

表1 损耗的定义

变频器驱动的电动机可分为永磁电动机（IPM）和感应电动机。IPM意为内置式永磁电动机，也被称为高效率同步电动机。有关电动机的结构，感应电动机和IPM转子结构的比较，如图1所示。

IPM是将永磁体装入转子内部的结构，内置的永磁体产生磁通，故勿需励磁电流，降低了1次铜损；其结果，IPM比感应电动机最大能提高约10％的效率。IPM为低损耗电动机，能减小热容量，故对比感应电动机，具有小型轻量化的特点。

感应电动机因无永磁体，易于维护且结构坚固，故在工厂企业中广泛使用着。作为感应电动机高效率化的方法，必须减小表1所列的各种损耗。

1次铜损在损耗中占的比重较大，藉绕线方式的改变缩短导线的长度，以及藉高密度充填绕线技术（提高占绩率）均可降低铜损。而且，对转子槽形的重新审核设计，可降低额定运转时的2次铜损。此外，由于低损耗、高磁密铁芯材料的普及，使用能减少铁损。对定子和转子槽的优化组合，对气隙长度和转子斜度的优化设计，可降低杂散负载损耗。

高效率电动机比较通用电动机，损耗能减小（20~30）％。冷却风量减小，采用小直径风扇还能减小通风损耗。

3 变频器原理

电动机旋转速度的定义如下：

式中：n—电动机转速(rpm)；f—频率 (HZ)；p—电动机磁极数；s—感应电动机特有的转差率，表示比同步转速滞后的比例，额定情况下s ≈0.05。

由式（2）可知，改变电动机的转速n，可通过改变电动机的磁极数p或改变频率f来实现。变频器则是可以任意调节其输出电压频率，能使三相AC电动机在任意的速度下运转并实现无级调速的一种装置。

图2所示为变频器的结构，变频器主要由将工频电源整流成直流的换流器和由直流逆变成任意频率交流的逆变器所组成。此外，换流器部分又是由三相全波整流的整流器、平稳脉动成分的平波电容器以及抑制平波电容器充电时涌入电流的控制回路等构成。将换流器部分变换的直流，在逆变器部分藉助脉宽调制(PWM)产生交流。看来，为改变电动机的转速，仅通过频率的改变较好，但电压仍保持恒定。输出频率若在50HZ以下时，随着电动机的磁通增加及至饱和，电动机因电流的增大会过热最终导致烧损。

为避免出现这种现象，必须维持磁通一定。磁通的大小定义如下式：

由式（3）可知，磁通与电压成正比，与频率成反比。这一关系式需经常保持一定。变频器输出电压与输出频率之比，被称为模式。这一关系，是控制电动机的重要因素。

4 节能实例

当控制已装设冷水泵的转速时，利用变频器的方法简单容易，且经济上有利。

作为具体的事例，建筑楼房空调用冷却水泵系统。藉改变热负荷来增减冷水的循环。与此相应，对于压力的变化，只用输出阀来调压，因而压力损耗大，效率劣化。

如采用对冷水泵转速的控制，保持最佳压力的话，则不会发生因效率下降导致的压力损耗，可达到节能的效果。

该系统的组成结构如图3所示。输出水量为2500L/min以下时，由一台75kW电动机运转；超过这一水量时，用2台150kW电动机，其中常用1台运转，藉调正输出阀按照热负荷的变化，以增减冷水的循环。

在这里（图中），75kW的电动机停止。相应于常用和备用的2台150k 冷却水泵，通过变频器设置1台，能对2台中无论哪一台冷水 泵的运转进行切换。而且，对运转的冷水泵，检测出最上层的水压，藉助PID调正计量仪器保持压力恒定，以进行转速控制。

水泵场合下，实际量程相对于全量程的比率越小，节能的效果则越大。也就是，按照图4所示的流量与电动机输入的关系，例如，在流量50%处，通过变频器驱动控制冷水泵的转速，与对输出阀的控