節(jié)能——不僅僅是電機

能源的消耗對任何行業(yè)來說都是一個無法回避的話題，而隨著如今越來越多的關(guān)注開始投向于化石燃料的燃燒會對全球氣候造成怎樣的影響，各種公司，不分大小，都開始尋找一種更節(jié)能的運營方式。顯然，高能效電動機的出現(xiàn)是一種必然的趨勢。但是電動機的高能效并不總是等于節(jié)省能源。

　　真正能產(chǎn)生節(jié)能效果的是一個要大得多的動作，一個將整個傳動系統(tǒng)考慮在內(nèi)的大動作。這是因為，一個高能效電動機即使在最佳運行狀態(tài)下，也只能減少10%的能耗量。因此，要想大幅度節(jié)約用能，更重要的是對可以節(jié)能30%的電子速度控制裝置和節(jié)能60%的優(yōu)化機械系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　在考慮節(jié)約用能時，大的一塊蛋糕可能不是電子系統(tǒng)，而在于機械系統(tǒng)。

　　理解能量的損失

　　能量被定義為儲存在一個系統(tǒng)中的功的總量或一個系統(tǒng)所能產(chǎn)生功的能力總和。如果部分電能流過一個系統(tǒng)時未能實際用于做功，則這部分電能被認為是被浪費了。換句話說，一個系統(tǒng)的效率越高，損失的能量就越少。

　　工程師們將進入系統(tǒng)的能量與系統(tǒng)輸出的能量相減來計算系統(tǒng)工作時浪費的能量值，具體公式如下：Pin – Pout = Ploss 。

　　那么能量是怎么流失的呢？一個傳動系統(tǒng)通常由一個電動機、一個驅(qū)動器、一套傳動裝置及其相關(guān)的線纜配置組成。能量可以從其中任一組件上流失。舉例來看，在一個感應(yīng)電動機中，就存在著摩擦、磁化和電阻損耗。一個電動機的構(gòu)造設(shè)計與制造它所用的材料材質(zhì)都會對能量損失產(chǎn)生重要的影響。

　　既然任一組件上都會發(fā)生能量流失，那么就讓我們一個一個地來分析一下。

　　高能效電動機通常只能在特定運行環(huán)境下實現(xiàn)最佳性能表現(xiàn)。而當它在其理想環(huán)境之外工作時，它的表現(xiàn)可能尚不如一臺常規(guī)電機。請在做出你的選擇前確定，你已經(jīng)充分理解了這些特性。

　　電動機——電動機產(chǎn)生能量損耗的主要原因有：軸承與密封圈的摩擦，電機風(fēng)扇的風(fēng)阻，表現(xiàn)為磁滯和渦流形式的鐵損（由制作定子和轉(zhuǎn)子疊合時采用的金屬片質(zhì)量所決定）、銅損（I2R損耗），以及諧波。

　　因此，改進電動機的用能效率可以通過使用更低阻抗的優(yōu)質(zhì)材料來達到，例如用銅代替鋁來制造轉(zhuǎn)子籠；亦可以通過增加電動機有功分量的大小來實現(xiàn)。這就是為什么高能效電動機的轉(zhuǎn)子慣量比普通電動機要高的原因。不過這里必須要注意一點——有時候你會覺得使用一臺標識著更高能效的電動機是一個更好的選擇，即使這臺電動機的額定功率要高于你實際需要的大小，但事實上，這個標識的能效數(shù)值只有在全負荷運作時才能達到。

　　一臺10馬力的電動機可能在能效排名中高于一臺5馬力的電動機，但是它所需的電流也要多得多。并且，一臺非滿負荷運行的電動機是非常低效的。有條經(jīng)驗法則是這樣說的，保持電動機在其額定功率的80%~90%范圍內(nèi)使用是最好的。使用VFD（變頻驅(qū)動器）可以幫助我們將電動機的速度降低，使其保持在最佳使用范圍內(nèi)。

　　配線——電纜同時具有兩種損耗：電阻損耗和電容（能量的儲存）損耗。導(dǎo)體中的電阻損耗與其直徑成反比，與其長度成正比。按照設(shè)計標準，電纜中的整體能量損耗允許值為總傳輸量的5%。短又粗的導(dǎo)體能大程度減少能量的損失。

　　傳動裝置——傳動裝置中的能量損耗主要是由于齒輪間相互咬合時產(chǎn)生的摩擦所帶來的。例如，渦輪傳動裝置，就是一種效率最低的傳動裝置，因為它工作時包括了相當數(shù)量的滑動動作，從而產(chǎn)生了大量的摩擦。

　　缺乏足夠的潤滑同樣也是摩擦和能量損耗產(chǎn)生的原因之一。錯誤的安裝位置、溫度和浸入深度是這里面的關(guān)鍵因素。潤滑油的流動由其自身的溫度和粘度決定。油的粘稠度越高，齒輪運動所需扭矩就越大。而油的溫度越高，其介質(zhì)就顯得更為稀薄，同時損失的能量就越少。外殼的設(shè)計同樣決定了內(nèi)部組件的結(jié)構(gòu)安排，以及潤滑油的流動。

　　軸承和油密封圈同樣也在高能效系統(tǒng)組件中占有一席之地。傳動部件的效率由其自身的損耗和電動機和傳動件之間的密封圈共同決定。輸入的速度越快，傳動裝置產(chǎn)生的損耗和由于油劇烈波動而產(chǎn)生的損耗就越高。

　　變換器——當變換器或變速驅(qū)動器被用于動力傳動系中以減少能量的消耗時，它們本身也會在運行中消耗電能。一個驅(qū)動器能對節(jié)能產(chǎn)生多大的效用取決于它能在多大程度上幫助你管理電動機運行情況以降低輸出功率的能力。而其對電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速斜坡和有效扭矩的控制往往就直接轉(zhuǎn)化為對能量消耗的管理。

　　提高系統(tǒng)效率

　　在設(shè)計高能效系統(tǒng)的時候，對系統(tǒng)或過程進行一個全面的審視是很重要的。當幾臺機器或者組件作為一個系統(tǒng)一起工作時，它們各自的工作效率必須相乘以得到整體的效率。

　　舉例來說，當一臺高效電動機的工作效率為95%左右，一套渦輪傳動裝置的效率就在50%~80%之間，具體數(shù)值由其構(gòu)成和型號決定。而將這臺高效電動機與渦輪傳動裝置一起使用時，卻無法達到預(yù)期的生產(chǎn)效果，因為這個系統(tǒng)的整體工作效率會更接近傳動裝置的效率，而不是電動機的。

　　充分理解這一事實與正確選擇合適的組件同樣重要。高能效電動機的設(shè)計初衷都是為了能在持續(xù)的運行中，例如風(fēng)扇或泵，減少能量的消耗。因此，它們的轉(zhuǎn)子通常比普通電動機更重一些，以使它們在啟動后能更好地利用慣性的作用。但是在一些應(yīng)用中，電機需要間歇性地運行，頻繁地啟動與停止，這時，這些重量較大（通常尺寸也較大）的大慣性轉(zhuǎn)子就成了真正的能量燃燒器，因為它需要更多的能量來啟動這些高能效電動機。

　　現(xiàn)在想想你身邊有的設(shè)備，比如在機場和包裹處理系統(tǒng)常見的分類器、推進器和索引器；或者自動化工廠里的傳輸帶、包裝機械上的出料傳輸帶之類的設(shè)備；也可以是大型包裝機械，如碼堆機和托盤包裝機。用于這些機械的高頻電動機可能只會全速運行幾秒鐘的時間，但卻時時處于啟動狀態(tài)。因此在這些應(yīng)用場合，采用低慣性轉(zhuǎn)子的電動機會節(jié)省大量的能源。