电机和驱动器:效率节约能源

企业不能让飙升的能源成本扼杀了他们为客户服务的能力，尤其是当他们从事拯救生命的业务时。面对过高的电费，纽约州洛维尔市刘易斯县综合医院和住宅护理设施的管理人员开始寻找技术，以控制其过时的供暖、通风和空调(HVAC)系统造成的经济损失。在夏季，暖通空调系统将24小时运行，并使用排放空气阻尼器将冷空气引导到需要的地方。

医院的计算机化能量管理系统发现，输送冷空气的风扇是出血的主要来源。“我们知道有办法提高暖通空调系统的能源效率，但我们必须找到一种创造性的方式来支付这笔费用，”医院的维护主管理查德•施耐德(Richard Schneider)说。刘易斯县总医院与其他大多数县办医院不同的是，它必须靠服务收入维持运营。因此，它加入了投资现代电机和变速驱动器的企业行列，以产生足够的储蓄来支付这些费用，并实现自动化运行。

医院的暖通空调系统的核心是一个闭环冷水机，其中包括一个现场冷却塔和频繁的空气交换器，这是卫生保健组织认证联合委员会(Joint Commission on Accreditation for Health Care Organizations)的要求。闭环系统依靠三个循环泵水通过空气处理器和线圈冷却空气。风扇不停地运转，把冷气从那里输送到不同的房间，每个房间都有自己的恒温器。

因为二氧化碳传感器显示，为了通风而持续运行系统是不必要的，医院管理部门要求施耐德与位于纽约州锡拉丘兹(Syracuse)的电气分销商CED Baldwin-Hall合作，在不需要满负荷运行时，将供回风扇的开关调低。为了做到这一点，鲍德温-霍尔的工程师建议在风扇上安装艾伦-布拉德利PowerFlex 400交流驱动器。制造商是密尔沃基的罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation Inc.)，该公司设计的驱动器可以与风扇和其他通常在建筑物中使用的自动化设备一起工作。

刘易斯县综合医院(Lewis County General)在六个月内收回了购买并安装暖通空调系统四个空气处理器驱动器的3.2万美元，这比它预期的要快得多。投资回报如此之快的一个原因是，对储蓄的预测过于保守。施耐德说:“我们估计，这将使暖通空调系统的能耗减少8%左右。”“结果，我们降低了15%的成本。”

让你的回扣

如果没有鲍德温-霍尔的帮助，通过纽约州能源研究与发展局(New York State Energy Research and Development Authority)申请“纽约能源智能退税”(New York Energy Smart返利)，回报的速度是原来的两倍。NYSERDA是众多国家机构和公共事业机构中的一个，为投资降低设施能源消耗的技术提供激励。在刘易斯县综合医院的案例中，NYSERDA根据项目节能情况，向医院返还了升级费用的一半。

这些激励措施的存在是因为美国能源部(DOE)发现，优化电机可以降低电机能源成本高达18%。Lewis Country General了解到，安装变速驱动器是削减这些成本的一种策略。根据汽车决策问题(MDM)的说法，用优质高效电机取代低效的传统电机是另一种策略。MDM是由总部位于波士顿的能源效率联盟组织的一项全国性活动。该活动旨在教育工业界，让他们了解制造商可以从电机和驱动器中获得的节能效果。该联盟代表能源效率组织、汽车制造商和服务中心、电力公司、贸易协会和政府机构的联盟开展了这项运动

电力成本的不断上涨，对于几乎连续运行数十台甚至数百台电机的设备来说，即使是很小的效率提高也意义重大。根据NYSERDA的数据，伊士曼柯达仅在一个园区就有7万到9万辆电机，通过用更高效的型号替换低效的电机，就能节省20万美元。

估计回报

为了鼓励其他公司进行类似的投资，一些私人和公共组织提供资源，帮助用户估计节省和回报。例如，MDM在其网站上发布了汽车规划套件、案例研究和各种工具。其中一个工具是一个交互式图表，用来估算安装更高效的电机每年可以节省的能源。其他可以寻找资源和窍门的地方还有环境保护署的“能源之星”计划和美国能源部工业技术办公室的“最佳实践”计划。

商业部门也提供了工具。阿肯色州史密斯堡的Baldor Electric Co.。例如，该公司开发了一个程序，可以计算换成电机制造商的Super-E电机、增加变速驱动器或两者兼有，可以节省多少钱。该项目被称为Baldor节能工具(BE$T)，它根据当地电价、设备的运行时间和负载来确定运行设备电机所需的电力成本。

三个因素——经济、技术进步和政府指令——影响了节能电机和驱动器的发展。也许与经济相关的最大因素是在今天的马达中加入更多过去马达所使用的铁和铜。由于老式电机比一些较新的型号含有更多的这种金属，它们运行起来更凉爽，因此效率更高。

威斯康辛州新柏林ABB公司全国系统集成商账户经理查克·霍利斯说:“制造商开始减少铁和铜的使用，让马达滑出更多一点，运行温度更高，因为当时的能源效率没有马达的成本那么重要。”“现在，能源效率是一个大问题，他们正在把一些铁，特别是更高级别的层压钢和铜重新放入他们的电机中，并正在设计滑移率低得多的电机。一些电机甚至被设计成低滑移，因此具有很高的跨线启动电流，它们只能在变频驱动下运行。”因此，与80%到85%的效率相比，新的高级高效电机的效率是84%到95%。

虽然恢复金属含量和将NEMA设计B改为设计A以减少滑移可能是最近电机效率提高的主要原因，但霍利斯也认为还有其他因素，比如更多地使用更好的计算机辅助设计软件，能够优化设计。霍利斯补充说:“还有更好的计算机数控(CNC)机床和自动绕线机，这使得制造电机的重复性更强、气隙更小、槽填充量更大成为可能。”

裁员

尽管有技术的贡献，Baldor公司的产品经理John Malinowski认为，效率的最大提高实际上来自于“合适的尺寸”电机的应用。他解释说:“在最近的一项电机调查中，NYSERDA发现55%安装的电机都是超大的。”“电机效率峰值的‘最佳点’是满载时的80%到100%。”在较低的负载下，效率和功率因数都会下降。

马林诺夫斯基敦促用户在考虑效率时不要只考虑交流感应电机。他说:“伺服电机也非常高效，可能比感应电机好一点。”此外，他指出，在给定的时间内，它们比恒速电机允许更多的吞吐量。

当然，电机，特别是那些操作风扇和泵的装置，在由变速驱动器控制时通常能节省最多的能量。“节省超过50%是可能的，”马林诺夫斯基说。对于机械设备，他建议通过确保风扇、泵、齿轮和其他机械系统都是最有效的类型和尺寸来获得更多收益。

与电机一样，驱动器也经历了许多技术进步，大多数趋向于减少热损失和缩小尺寸。在过去15年左右的时间里，设计师们已经将交流驱动器的尺寸缩小到原来尺寸的一半以下，扩大了它们的应用范围。这一趋势几乎没有减弱的迹象。事实上，总部位于法国的自动化供应商施耐德电气(Schneider Electric)报告称，其新推出的Telemecanique Altivar 61驱动器比前一代小了15%。

许多促进小型化的进步也有助于控制热的产生。施耐德电气工业自动化与控制集团交流驱动产品线经理Ivan Spronk表示:“热是电子性能的最大敌人之一，可能导致故障。”为了解决这一问题，施耐德及其许多竞争对手开发了新一代绝缘栅双极晶体管(igbt)和新材料。

多亏了沟槽技术，新型igbt具有高开关速度、低传导电压降和大电流容量，这有助于降低其成本并扩大其应用范围。沟槽技术提高了igbt的现场电阻，从而减少了热产生，提高了热效率。其结果是更低的热损失和更高的可靠性。耗散的热量更少，也意味着该设备需要更少的散热片材料来保持散热，这一事实使工程师能够设计更小的封装。

对于额定功率为30马力及以上的型号，施耐德电气的工程师已经将用于给直流母线充电的机械预充电电阻和接触器替换为一个由微处理器控制的输入桥，该桥可以将传入的交流电源转换为直流电源。这种组合更小，而且是固态封装。斯普林克说:“通过用电子部件取代机械部件，设计师再次获得了更小、更可靠的驱动器，并消除了产生热量的连接。”

现代变频驱动器不仅可以减少运行它们所监督的电机所需的电力。正如奥斯丁的德克萨斯大学(University of Texas)校园发电厂的管理人员所发现的那样，它们还可以在使用过程中节省大量能源。通过使用ABB的ACS800驱动对其中一个锅炉的风扇进行改造，该大学预计每年可以节省50万至100万美元，从而减少其每年对燃料和电力的需求32亿英热单位(Btu)和74.6千瓦时(kwh)。

尽管成本巨大，但这并不是改造的催化剂。相反，它们是一个排放控制项目的副产品，受到欢迎，该项目是为了遵守将于明年生效的更严格的州法规而启动的。自从项目结束后，15万磅重的三号锅炉每年只排放21吨氮氧化物，是之前151.7吨的零头。工厂管理层预计，7号锅炉将在今年春天完成这个重达50万磅的机组的改造，届时也将节省和削减类似的开支。

风扇速度插值

变频驱动是computer - nox的基本组成部分，这是一种控制氮氧化物排放的系统。该系统通过风扇的速度和它产生的气流之间的线性关系来控制燃烧。位于拉斯维加斯的奔驰空气工程公司是该大学新排放控制系统的供应商，该公司总裁罗伯特·本茨解释说:“该系统测量燃油流量，然后插入正确的风扇转速，以给出所需的流量。”

以前用阻尼器控制气流时，风扇必须一直全速运转，不仅浪费能源，而且控制不精确。“当阻尼器上下移动时，即使是轻微的移动，也会产生大量的气流，”该校公用事业和能源管理系的项目工程师瑞安·汤普森(Ryan Thompson)说。“有了ABB驱动器，我们可以非常精确地控制气流，这在燃料效率和排放方面带来了很大的不同。”

精确控制气流的一个意想不到的结果是辅助锅炉的储存能力，也就是说，使它们保持在热待机模式，以备需要时使用。“这使我们可以在不使用任何可测量的天然气的情况下，保持一个锅炉随时待命，”该大学公用事业和能源管理系主任胡安·昂提维罗斯说，“这是一个很大的优势，每小时为我们节省了3万磅蒸汽。”无论锅炉负载如何，都能保持稳定而精确的风扇转速，这意味着三号锅炉的输入功率可以低于100万Btu，考虑到它的输入额定值为1.83亿Btu，这是一个了不起的成就。

选择基于变速驱动器的排放控制系统在其他方面也可以节省开支，比如不用为三号锅炉和七号锅炉投资200万美元购买新燃烧器。“无论运行速度或负载如何，驱动器的功率因数几乎是统一的，”奔驰补充道。“通过安装驱动器，我们能够增加变压器的供电能力，因此它使大学不必进行功率因数校正。”考虑到能源消耗的减少以及电力和燃料成本的飙升，工厂管理层预计改造的回报将在12个月内实现。因此，一个更有效的系统已经堵住了能源预算的缺口。

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