編者語：作為一名工程師，你需要無休止的提高效率。盡管最近一些能源的價格出現(xiàn)跳水，但是關注你的工廠能源使用情況絕對不會有錯。因為這些價格不可能永遠處在低位，這就意味著你當前在削減能源支出做的每一項工作日后都會為企業(yè)創(chuàng)造價值。這一系列文章關注的是離散和流程制造工廠直接并且簡單的能源節(jié)約方法，將給出每個領域里識別和解決問題的一些基本建議。

　　工廠和設備用電

　　如果想要工程師對于管理工廠能耗產(chǎn)生興趣，第一步就是要讓他們了解自己每天消耗了多少能源，以及是如何消耗的，貝加萊的產(chǎn)品經(jīng)理Corey Morton如是說：“這在單一工廠里很容易實現(xiàn)，只需要使用便攜測量設備或者安裝能源測量設備就可以。”

   Morton認為解決能源使用問題最簡單的方法，就是讓工程師觀察自己所在工廠的運營方式，以制定類似“削減負荷”這樣的能源管理原則。“舉例來說，考慮一個兩班生產(chǎn)的工廠，可能其中很多的操作都是依靠氣動的，動力來自一臺中心空氣壓縮機。由于只有兩個班次，就不需在第三個班次中開動壓縮機了。同樣的思路也可以擴展到HVAC系統(tǒng)、工廠照明和供水系統(tǒng)。”

　　另外一種解決能耗問題的方法，是發(fā)現(xiàn)“工作需要”。如果一家工廠在其生產(chǎn)過程同樣需要大量的水，那么用水量將取決于在同一時間工作設備的數(shù)量。“如果驅動水泵的電機可以跨生產(chǎn)線運行(比如它們按照生產(chǎn)線電壓接觸器開關的控制)，同樣的電力消耗與實際需要無關”，Morton解釋道。這一問題可以通過測量需求(流量)或者用按需驅動對泵進行調(diào)速來解決。

　　滿足工作需要的另外一個好處是“功率因數(shù)”的提高，驅動／電機系統(tǒng)的功率因數(shù)通常要比獨立電機更高。一般來說，功率因數(shù)是工廠利用電力效果如何的衡量標準。“功率因數(shù)較低，就意味著工廠和生產(chǎn)設施的配電系統(tǒng)必須進行調(diào)整，以保證與進行生產(chǎn)所需的電力水平(實際用電)匹配”，Morton說道：“因此，功率因數(shù)低的工廠可能就存在過度用電。”

　　上面提到的泵的使用也可以作為“峰值需要”的一個例子。每次依靠電機啟動泵的時候，都會出現(xiàn)一個瞬時的峰值電流，這會導致工廠用電在一瞬間突然增加。許多工廠在交電費的時候都是按照其常規(guī)需要的功率，而任伺的峰值需要都足以讓工廠的電費費率上升一個臺階。“限制峰值電流的一個簡單方法，就是使用軟啟動器或者驅動，它會將電機逐漸調(diào)整到運轉速度，因此降低了啟動電流”，Moron說道。

　　每一處已經(jīng)使用驅動器的地方都為能源管理提供了機會。舉例來說，在一個使用電機驅動展開材料、加工材料、然后在卷起材料的應用中，“展開環(huán)節(jié)通常使用的是一種反饋模式，也就是說電能從電機傳遞回驅動”，Moton說道：“接下來驅動肯定對于這些能量有所行動。很多情況下，它只通過電阻釋放這些能量一制動電阻就是這樣一個例子。因此，這些反饋回來的能量被浪費了。利用這些能量的一種方法，是共享每一臺驅動的直流總線。這就使得驅動消耗的能量來自展開驅動的反饋電能。”

　　Moton提到盡管共享每臺驅動的直流總線可以減少能量浪費，但是卻不能徹底消除浪費。“制動電阻仍然會消耗過多的能量”，他補充道。

　　電機與驅動

　　考慮到電機系統(tǒng)是最主要的三種工業(yè)能耗來源之一(見圖“美國工業(yè)能耗”  )，自動化工程師更多關注這個領域就顯得很有意義。

　　“令人吃驚的是，只有30％的制造企業(yè)在它們的三相電機中使用變頻驅動(VFD)”，安川電機新產(chǎn)品總監(jiān)Ron Koehler說道。然而，將VFD應用于三相電機只是工程師可以直接影響公司生產(chǎn)線的一項工作。

　　Koehler建議工程師思考下列四個與驅動相關的問題，這樣可以通過驅動同時節(jié)約能源和成本。“這些建議的最大優(yōu)勢在于它們不需要任何費用”，Kolhler說：“所以肯定是有投資回報的。”

　　●停止加大驅動和電機的規(guī)格。檢查每個特別項目的負載需求，最大發(fā)揮驅動的潛能。如果你降低了驅動的速度和扭矩，很明顯工作的時候就會節(jié)約大量能源。工程師應該觀察正在執(zhí)行的項目情況，確定完成工作所需的驅動規(guī)格。

　　●無翼驅動，這一類型特殊設計的驅動很有特點，可以降低對于附加冷卻方法的依賴。其類似散熱片的特征可以使熱量從驅動后部散發(fā)，所以就減少了機箱所需的尺寸，降低了驅動制冷的能量需求。

　　●通過散熱風扇開／關控制實現(xiàn)按序操作。自動開／關風扇控制的使用，可以減少不必要的電能，關機的時候可以節(jié)約能源和成本。這聽起來是一個很簡單的方法，但是很多情況下它并沒有受到足夠重視，能源也就白白損失掉了。工程師應該確保驅動器擁有這樣的選項，而且正在被使用。

　　●永磁控制，帶有永磁(PM)控制的電機可以通過管理磁場發(fā)揮優(yōu)勢。這些電機可以實現(xiàn)比NEMA標準更高規(guī)格能源節(jié)約。koehler說：“有時候，它的效率甚至要比高效能電機還要高出幾個百分點。”

  變頻驅動如何節(jié)約能源成本

    多家供應商都在追捧變頻驅動（VFD）的潛力，那么它到底是如何節(jié)約能源成本？SEW EURODRIVE美國產(chǎn)品經(jīng)理Rich Mintz說：“它是通過消除電動機啟動時候的涌流。客戶是按照生產(chǎn)設施的峰值，將峰值需求盡可能降低，VFD可以帶來顯著的節(jié)約，尤其是在高周應用的情況下。”

　　Mintz介紹了異步電動機自本原理，它是將電壓直接作用刁機線圈，在線圈上形成了旋轉磁場。與此同時，這也同轉子中的磁場發(fā)生感應。                   

   “這兩個場并不是同步的” Mintz說：“轉子運動以捕捉定子中的旋轉磁場。定子中磁場旋轉速度與轉子旋轉速度的差別叫做轉差，可以讓轉差最小化的是扭矩。轉差越大，電機就要消耗越多的電謂減少轉差。”         

   跨線啟動異步電機會使得電機的涌流非常高(最多可以達到平時或者滿載電流的10倍)，來調(diào)整電機。在電機跨線啟動時，轉差是100％，這是因為電機正在盡量“跟上線圈中突然產(chǎn)生的旋轉電磁場”， Mintz說道。

   “為了跟得上磁場，電機將釋放盡可能大的電流。當電機達到正常速度，轉差最小，電流也下降到工作或者正常電流，以保持速度”，Mintz解釋道。 

   通過使用VFD，電壓和頻率都用來在可選可調(diào)的斜線上進行調(diào)整。“因此，電機速度從來不會遠離電磁場的轉速，這就以為著轉差總是在最小的狀態(tài)，也就不會出現(xiàn)大電流造成差別”， Mintz說。

   很多大公司或者發(fā)電廠發(fā)現(xiàn)開發(fā)大型VFD產(chǎn)品是很有必要的。對于這些企業(yè)來說，大型中壓VFD可能是實現(xiàn)能源節(jié)約、改進電機系統(tǒng)性能的一個更好的選擇。

   “過去的二十年里。大型工業(yè)和發(fā)電企業(yè)已經(jīng)開始應用這項技術，結果是很好的”，西門子能源與自動化計劃核夏動業(yè)務總監(jiān)Mark Harshman說道。Harshman談到了通過機電技術使用中壓頻驅動實現(xiàn)的節(jié)能。

   “總的來說，機電方面的優(yōu)勢帶巨大的市場價值和節(jié)約”，他說“比如，電站的熱功率提高了1.0%~1.5%。水泵中的減速控制和風扇緩沖控制現(xiàn)在都已經(jīng)在應用了，已經(jīng)讓客戶和供電網(wǎng)絡都得到了收益。并且，大型中壓變頻驅動具備多換設備以及面向所有流程的控制程序，利用率很高。”大型變頻驅動被很多工程師認為容易安裝部署在生產(chǎn)流程之中。 Harshman說：“它們可以安裝工廠的一個角落，很容易在現(xiàn)有電機上進行翻新。”         　

　　通過直流總線實現(xiàn)能源重用

　　據(jù)安川電機新產(chǎn)品總監(jiān)Ron Koehle所說，有一些應用至少在一套協(xié)同系統(tǒng)上安裝了兩臺變頻驅動器，這樣借助通用直流總線實現(xiàn)多重轉換。使用通用直流總線連接VFD，可以在一條直流總線上共享電力負載，因為多個轉換器可以同時驅動電機以及發(fā)電。

　　Koehler說：“下面談一談它是如何工作的。在減速過程產(chǎn)生的反饋能量沒有浪費，而是重新利用，回收重新供給生產(chǎn)線，從而實現(xiàn)系統(tǒng)能效最高。工程師可以對他們的系統(tǒng)重新；進行配置，以確保能量正在有效使用。整流器所需或者使用的電力越少，系統(tǒng)的效率就越高。”

　　由于絕大部分變頻驅動器上的直流總線終端是標準的，所以材料成本也很少。但是，Koehler說：“工程師參與其中非常必要。”

　　通用總線連接可以傳輸能量，形成一個反饋負載，為主輸入電路進行補充。反饋電流可以用子驅動負載，因而減少了主輸入電流所需的電力。否則，反饋能量就白白損失，或者就在動態(tài)制動電阻之中變成熱量消耗了。