為什么電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效管理很重要？據(jù)估計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所消耗的電量，約占世界發(fā)電總量的一半。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載可能占您設(shè)施能源賬單的很大一部分。隨著時(shí)間的推移，擁有高效的電機(jī)管理系統(tǒng)并利用變頻器的節(jié)能機(jī)會(huì)可為您的工廠節(jié)省大量成本。

　　Advanced Energy公司的電機(jī)實(shí)驗(yàn)室主任Michael Lyda在電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試和管理方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，他最近向工程師們分享了如何簡(jiǎn)化電機(jī)管理實(shí)踐、快速提高過程可靠性和降低能源成本的實(shí)踐和技巧。

圖1：客戶一般在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行見證測(cè)試，這樣可以讓多名工程師參與其中。圖片來源：Advanced Energy

　　電機(jī)的理想運(yùn)行條件

　　在理想的情況下www.cechina.cn，首先需要平衡電壓。例如，如果您所在位置有三相480V電源，則這些相位應(yīng)平衡到至少1%或更好的范圍內(nèi)。相間電壓越不平衡，對(duì)電機(jī)效率和長(zhǎng)期可靠性的不利影響就越大。如果電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在如此高的不平衡狀態(tài)下運(yùn)行，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看肯定是要產(chǎn)生更多成本的。業(yè)界普遍的認(rèn)知是“每1%的電壓不平衡就會(huì)造成7%的電流不平衡”。當(dāng)電壓不平衡時(shí)，三相線中至少有一個(gè)電流可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電機(jī)的額定值。

　　其次，電機(jī)應(yīng)與負(fù)載對(duì)齊，以盡可能減少機(jī)械振動(dòng)。這通常通過良好的軸對(duì)中來實(shí)現(xiàn)。擁有激光對(duì)準(zhǔn)工具可能是您工具箱的一個(gè)很好的補(bǔ)充，特別是如果您在內(nèi)部進(jìn)行大量電機(jī)安裝。否則，請(qǐng)驗(yàn)證服務(wù)提供商是否正在使用某種類型的精密對(duì)準(zhǔn)工具。

　　第三，需要一個(gè)干凈的電機(jī)環(huán)境?？紤]到工業(yè)應(yīng)用的苛刻環(huán)境，這并不總是可行的。但一般來說，只要確保電機(jī)沒有污染物即可。如果電機(jī)有風(fēng)扇，請(qǐng)保持風(fēng)扇暢通無阻，以便空氣可以適當(dāng)?shù)卮┻^電機(jī)以實(shí)現(xiàn)良好的冷卻。如果您處于灰塵較多的區(qū)域，請(qǐng)經(jīng)常清潔風(fēng)扇葉片。當(dāng)然，在執(zhí)行任何類似操作之前，請(qǐng)確保您的電機(jī)已斷電。

　　第四，電機(jī)的環(huán)境溫度很重要。如果電機(jī)銘牌上標(biāo)明了最高環(huán)境溫度，應(yīng)確保應(yīng)用符合規(guī)定。如果您看到環(huán)境溫度始終高于電機(jī)銘牌上的額定值，則電機(jī)很可能需要對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行降額。

　　高效電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

　　一般來說，與效率較低的電機(jī)相比，高效的電機(jī)將具有更多的銅和鋼以及更小的風(fēng)扇，盡管這只是一般而言。鋼和銅的增加使電機(jī)的重量更重，更多的材料也意味著更多的錢，更高效的電機(jī)通常更昂貴。

　　高效的電機(jī)通常運(yùn)行溫度更低。人們可能會(huì)有一個(gè)常見問題，當(dāng)設(shè)備上只有一個(gè)較小的冷卻風(fēng)扇時(shí)，如何讓設(shè)備運(yùn)行得更涼爽？答案之一是，由于繞組電阻較低，效率更高的電機(jī)可能會(huì)具有更低的工作電流。這意味著定子的功率損耗會(huì)更少。當(dāng)然，更低的損耗也會(huì)帶來更高的整體效率。

　　從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，效率低下和功率因數(shù)低會(huì)讓用戶付出代價(jià)，而電機(jī)尺寸過大是整個(gè)行業(yè)的普遍問題。如果應(yīng)用需要15馬力的電機(jī)，采購(gòu)人員有時(shí)可能會(huì)認(rèn)為購(gòu)買20馬力的電機(jī)可能會(huì)使電機(jī)使用壽命更長(zhǎng)，但通常情況并非如此。

　　電機(jī)故障的主要原因

　　來自美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì) (IEEE)的調(diào)查顯示，51%的電機(jī)故障來自軸承的問題。例如潤(rùn)滑不足或者過度潤(rùn)滑，錯(cuò)誤的潤(rùn)滑脂，錯(cuò)位或角度不對(duì)中，軸承振動(dòng)以及過熱等。

　　電機(jī)故障的另外一個(gè)主要原因是定子繞組問題，大約占比16%。其特點(diǎn)是短路或開路，這些可能是由反復(fù)過載和電機(jī)過熱引起的，從而導(dǎo)致繞組出現(xiàn)一些問題。

　　電機(jī)制造質(zhì)量絕對(duì)會(huì)在電機(jī)可靠性和長(zhǎng)期壽命方面發(fā)揮重要作用。作為維修人員，您可以做任何事情，但是如果電機(jī)在出廠時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量問題，它仍然可能會(huì)過早出現(xiàn)故障。

　　最基本、最有用的預(yù)防性維護(hù)技術(shù)之一可能是動(dòng)用您的感官。例如，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)引線和電線的零件變色，感受電機(jī)的強(qiáng)烈振動(dòng)和外殼上的過熱，聞到機(jī)器發(fā)出的異味或燒焦味，以及聆聽是否有過多或異常的噪音等。

　　熱量會(huì)“殺死”電機(jī)。是什么導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱？可能的因素包括環(huán)境溫度高、風(fēng)扇堵塞、冷卻通風(fēng)口堵塞、電機(jī)過載超過額定負(fù)載等。當(dāng)然，也包括電機(jī)端子的電能質(zhì)量問題。典型的電能質(zhì)量問題包括電壓不平衡、單相、相位下降或相對(duì)接近的非線性負(fù)載，它們會(huì)導(dǎo)致電壓和電流失真，也被稱為諧波。

圖2：用于測(cè)試的大型測(cè)功機(jī)。在該圖中，與測(cè)功機(jī)相連的電機(jī)是一臺(tái)200馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　如何防止電機(jī)故障？

　　維護(hù)人員的主要目標(biāo)之一是防止故障。通過適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)維護(hù)來限制停機(jī)時(shí)間可以減輕壓力。

　　首先，我們需要檢查一些機(jī)械條件。即使電機(jī)在安裝時(shí)對(duì)準(zhǔn)良好，在運(yùn)行過程中各種因素也會(huì)導(dǎo)致未對(duì)準(zhǔn)。如果電機(jī)本身開始發(fā)出一些響亮或奇怪的噪音，請(qǐng)將其關(guān)閉并驗(yàn)證對(duì)齊。您可以使用簡(jiǎn)單的直邊驗(yàn)證平行對(duì)齊。要檢查角度偏差，您可能需要一個(gè)伸縮式量規(guī)，并不是每個(gè)人的標(biāo)準(zhǔn)工具箱中都有。

　　其次，需要保持電機(jī)軸承的良好潤(rùn)滑。軸承故障是電機(jī)故障的主要原因。按照制造商推薦的間隔潤(rùn)滑電機(jī)軸承ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，并確保使用推薦的正確類型和數(shù)量的潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑驅(qū)動(dòng)端軸承和非驅(qū)動(dòng)端軸承。在添加潤(rùn)滑脂之前，確保潤(rùn)滑脂塊是干凈的，以免污染物進(jìn)入潤(rùn)滑脂。

　　此外，還要檢查風(fēng)扇是否有障礙物，并確保任何時(shí)候都沒有雜物進(jìn)入風(fēng)扇罩內(nèi)。然后對(duì)于一些電氣問題，請(qǐng)隨身攜帶一個(gè)萬用表來驗(yàn)證您的相間電壓。如果您可以接觸到電機(jī)端子，請(qǐng)檢查平衡電壓。

　　如果您將電機(jī)安裝在接觸器上，請(qǐng)定期檢查接觸器端子是否有積碳或污染物堆積，特別是像傳送帶或印刷機(jī)之類的應(yīng)用。還要注意接觸器上的電弧或隨著時(shí)間的推移點(diǎn)蝕。如果您可以使用安培計(jì)或電流計(jì)，還可以使用它們來驗(yàn)證電機(jī)導(dǎo)線上的電流強(qiáng)度。獲得安培數(shù)讀數(shù)后，將這些讀數(shù)與電機(jī)銘牌滿載安培數(shù)進(jìn)行比較。

　　在電機(jī)斷電的情況下，還可以檢查電機(jī)的繞組電阻。電機(jī)應(yīng)具有平衡的相間電阻。如果電機(jī)很熱，并且您可能想將繞組電阻與原始制造商的值進(jìn)行比較，那么您需要讓電機(jī)冷卻一段時(shí)間才能進(jìn)行比較。

　　如果電阻不平衡，那么您可能需要使用 Megger 或其他工具進(jìn)行一些介電測(cè)試。當(dāng)然，對(duì)于所有這些，只有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人員才能完成維護(hù)程序并使用上述任何設(shè)備。

圖3：盡管許多感應(yīng)電機(jī)可能相似，但建造質(zhì)量將決定可靠性和生命周期。電機(jī)構(gòu)造檢查可以分析電機(jī)構(gòu)造的質(zhì)量并就潛在改進(jìn)提出建議。

　　創(chuàng)建高效的電機(jī)管理系統(tǒng)

　　相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，一臺(tái)電機(jī)在其使用壽命期間消耗的電力成本平均下來至少是其購(gòu)買價(jià)格的 50 倍。電機(jī)采購(gòu)價(jià)格僅占電機(jī)壽命成本的2%至3%，剩下的一小部分用于維護(hù)和保養(yǎng)，而電機(jī)生命周期成本的絕大部分是用電量。

　　大約80%發(fā)生故障的電機(jī)被維修而不是更換，而只有一小部分最終用戶在決定修理或更換故障電機(jī)時(shí)會(huì)考慮能源成本。

　　電機(jī)管理系統(tǒng)的主要組成部分包括三個(gè)方面：采購(gòu)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，最后做出維修還是更換的決定。一個(gè)好的電機(jī)管理系統(tǒng)可以幫助制造企業(yè)減少能耗、降低成本、增加產(chǎn)量和縮短停機(jī)時(shí)間。

　　對(duì)于采購(gòu)，應(yīng)該先制定采購(gòu)規(guī)范。需要考慮生命周期成本，而不是只考慮初始成本。標(biāo)準(zhǔn)化的采購(gòu)流程讓您更輕松地訂購(gòu)所需的產(chǎn)品，總體上花費(fèi)的時(shí)間也更少。采購(gòu)人員需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)。為您最關(guān)鍵的機(jī)器購(gòu)買備件，建立備件庫存。

　　對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行資格預(yù)審，在某些情況下，甚至需要進(jìn)行測(cè)試。電機(jī)效率是電機(jī)管理中的一個(gè)重要因素。如今，許多電機(jī)都受到效率監(jiān)管，并且必須滿足在法規(guī)中的最低效率要求。

　　電機(jī)銘牌上列出的效率數(shù)字不一定是它實(shí)際運(yùn)行時(shí)的效率。它可以更高，也可能會(huì)更低，而很多經(jīng)驗(yàn)顯示，大多數(shù)時(shí)候它會(huì)更低。對(duì)您的電機(jī)供應(yīng)商進(jìn)行質(zhì)量檢查總是很好的，以確保電機(jī)制造質(zhì)量和運(yùn)行效率不會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。

　　電機(jī)維護(hù)也是良好電機(jī)管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。首先，確保您的供應(yīng)商提供高質(zhì)量的維修。與制定采購(gòu)規(guī)范類似，您應(yīng)該制定維修規(guī)范。任何經(jīng)認(rèn)可的維修計(jì)劃的目標(biāo)都是確保您的電機(jī)得到最高質(zhì)量的維修，并且所使用的過程是標(biāo)準(zhǔn)化的，可以對(duì)每臺(tái)電機(jī)進(jìn)行時(shí)時(shí)跟蹤。

　　維修供應(yīng)商通常會(huì)保留他們?yōu)槟S修或翻新過的電機(jī)的記錄，因此他們可以幫助您跟蹤管理系統(tǒng)。與您的供應(yīng)商保持開放的溝通渠道。一旦您擁有電機(jī)管理系統(tǒng)，可以跟蹤電機(jī)故障以及能源成本與生產(chǎn)的關(guān)系，您就可以使用這些數(shù)字來更新和改進(jìn)您的策略。

圖4.當(dāng)電網(wǎng)供電給電機(jī)時(shí)，可以看到干凈的正弦波。一旦將變頻器添加到電路中，變頻器的電容特性將導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓和電流諧波。

　　變頻器的應(yīng)用技巧和建議

　　變頻器是一種用于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)速度的裝置。可以將電網(wǎng)電源連接到變頻器的輸入端子，然后將變頻器的輸出端子連接到電機(jī)。變頻器在速度控制、過程控制、消除電機(jī)的高浪涌電流、在所有負(fù)載下保持高功率因數(shù)和增加節(jié)能潛力方面都非常有益。

　　但是，變頻器也有一些缺點(diǎn)，包括額外的資本投資、系統(tǒng)中增加的諧波、可能由于錯(cuò)誤編程而導(dǎo)致的誤跳閘，甚至可能會(huì)縮短電機(jī)壽命。變頻器并不適合所有應(yīng)用。在開始添加變頻器之前，請(qǐng)仔細(xì)檢查您的應(yīng)用要求。

　　如果變頻器的編程或尺寸不正確，您可能會(huì)在應(yīng)用中遇到麻煩的跳閘。而且，如果變頻器的應(yīng)用不當(dāng)可能會(huì)縮短電機(jī)壽命。變頻器導(dǎo)致電機(jī)壽命縮短的方式有很多。其中一種是使電機(jī)過熱。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)，先在60Hz下，利用電網(wǎng)電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)，然后同樣在60Hz下，讓變頻器驅(qū)動(dòng)同一電機(jī)，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)10到15度的溫升。

　　當(dāng)您走進(jìn)工廠設(shè)施時(shí)ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，如果使用了變頻器，您可能會(huì)聽到一些高音調(diào)的可聽噪音。這稱為開關(guān)頻率或載波頻率，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)商用變頻器，通常為 2 到 20 kHz。這就是任何變頻器與電機(jī)之間的連接，需要使用變頻器專用電纜的原因之一。無論如何，大多數(shù)變頻器制造商都建議這樣做控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，盡管專用電纜比標(biāo)準(zhǔn)電纜貴，但使用專用電纜有助于減輕噪音問題。

　　此外，變頻器也不適合添加到高負(fù)載的應(yīng)用中。變頻器本身確實(shí)會(huì)消耗一些能量。如果您將變頻器安裝在電機(jī)上并且電機(jī)接近滿載運(yùn)行，則會(huì)為電路增加不必要的功率，實(shí)際上會(huì)增加您的用電量。在這里添加變頻器沒有意義。當(dāng)我們的應(yīng)用負(fù)載為中等或較低，甚至有些負(fù)載低于50%，但總體運(yùn)行時(shí)間仍然很高。這是添加變頻器比較好的時(shí)機(jī)，也是顯著節(jié)能的絕佳機(jī)會(huì)。

　　由于變頻器發(fā)送到電機(jī)的脈寬調(diào)制信號(hào)，電機(jī)端子實(shí)際上可能會(huì)看到機(jī)器額定電壓3到4倍的峰值電壓。更高質(zhì)量的變頻器有助于減輕這種情況。當(dāng)變頻器和電機(jī)之間有很長(zhǎng)的引線時(shí)，這個(gè)問題變得尤其嚴(yán)重，而這在工業(yè)設(shè)施中很常見。

　　如何減輕諧波和反射波問題？一種方法很簡(jiǎn)單，在變頻器和電機(jī)之間使用較短的電纜。但這并不總是可行的。您還可以購(gòu)買帶有變頻器的可選線路電抗器或負(fù)載電抗器。也有可用的濾波器可以為系統(tǒng)增加電感。添加濾波器和電抗器可以將諧波失真降低到更合理的水平，但您需要權(quán)衡利弊。

　　與電機(jī)壽命一樣，變頻器壽命取決于環(huán)境和運(yùn)營(yíng)條件。確保變頻器在其規(guī)格書所規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，保持冷卻通風(fēng)口暢通，并確保風(fēng)扇正常工作。需要注意的是，在運(yùn)行過程中，變頻器風(fēng)扇可能會(huì)根據(jù)電流消耗情況反復(fù)打開和關(guān)閉。較高的電流會(huì)導(dǎo)致變頻器散熱器升溫更多，因此在較低負(fù)載下，風(fēng)扇可能不會(huì)啟動(dòng)。

　　電機(jī)與變頻器的應(yīng)用問答

　　問：是否有軟件工具可以有效計(jì)算電機(jī)消耗的實(shí)際功率？

　　答：大多數(shù)測(cè)量設(shè)備都應(yīng)配置某種類型的軟件。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中使用的Yokogawa高精度精密功率分析儀以及National Instruments數(shù)據(jù)采集硬件和LabVIEW軟件。用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和驗(yàn)證的儀表，我喜歡使用Fluke 355。它可以提供電壓、電流和功率因數(shù)。它比標(biāo)準(zhǔn)的萬用表貴，但您可以獲得實(shí)際功率數(shù)據(jù)ConTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，可用于計(jì)算功率因數(shù)。

　　問：請(qǐng)談?wù)勛冾l器上的電機(jī)冷卻風(fēng)扇的問題。安裝變頻器會(huì)影響工廠功率因數(shù)嗎？

　　答：在變頻電機(jī)的銘牌上，會(huì)標(biāo)明恒定轉(zhuǎn)矩(CT)和可變轉(zhuǎn)矩(VT)額定值。只要負(fù)載在這些限值范圍內(nèi)工作，就不需要額外的外部冷卻。如果在這些轉(zhuǎn)速/扭矩范圍之外運(yùn)行，應(yīng)咨詢電機(jī)制造商。安裝變頻器會(huì)增加系統(tǒng)的電容，因此，如果目前主要是感性負(fù)載（即很多電機(jī)），則功率因數(shù)可能會(huì)因?yàn)樘砑幼冾l器而得到改善。如果您的主要負(fù)載是照明、其它電容性電源或純電阻性電源，那么變頻器不會(huì)提高功率因數(shù)，甚至可能會(huì)使情況變得更糟。

　　問：如果安裝了冗余電機(jī)/泵，運(yùn)行它們的最佳做法是什么？

　　答：如果配置了冗余或備用電機(jī)/泵，可以與主電機(jī)/泵交替使用，以確保隨著時(shí)間的推移，兩臺(tái)機(jī)器的磨損相同。每個(gè)電機(jī)/泵組合都可以輪流作為備用，然后選擇您認(rèn)為適用的任何時(shí)間間隔，比如每周、每月或其它間隔。

　　問：在電機(jī)不運(yùn)行時(shí)關(guān)閉電機(jī)是否有意義？頻繁重啟會(huì)造成磨損嗎？

　　答：如果應(yīng)用需要頻繁重啟，您可能不想完全關(guān)閉電機(jī)。在這方面，變頻器和過程控制可以提供幫助。當(dāng)不需要負(fù)載時(shí)，變頻器會(huì)使電機(jī)減速停止，當(dāng)需要時(shí)，變頻器可以在沒有極端浪涌電流（就像異步啟動(dòng)）的情況下為電機(jī)加速。

　　問：您提到過大的電動(dòng)機(jī)效率低下。變頻器能否克服這種負(fù)載匹配效率低下的問題？

　　答：對(duì)于可變負(fù)載應(yīng)用，可以對(duì)變頻器進(jìn)行編程，以在較低負(fù)載工況下降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)相似定律，降低機(jī)器轉(zhuǎn)速可以節(jié)省能源。但是，在新建項(xiàng)目中，變頻器和電機(jī)應(yīng)盡可能與負(fù)載匹配，以實(shí)現(xiàn)最大能效。請(qǐng)記住，較大的電機(jī)比較小的電機(jī)具有更高的感應(yīng)電流。例如，如果應(yīng)用是5馬力，但使用10馬力的電機(jī)，則負(fù)載僅為50%，這時(shí)您無法獲得應(yīng)有的效率，并且由于電流消耗的更多，所消耗的功率就會(huì)更大。

　　問：在變頻器的線路側(cè)測(cè)量時(shí)，會(huì)對(duì)功率因數(shù)產(chǎn)生什么影響？

　　答：變頻器通常會(huì)提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，因?yàn)樽冾l器的電容會(huì)“抵消”電機(jī)和配電線路的電感。如果變頻器的規(guī)格合適且電機(jī)接近滿載運(yùn)行，則功率因數(shù)應(yīng)該很高。然而，并非所有變頻器都是完全匹配的。在實(shí)際應(yīng)用中也碰到多個(gè)變頻器顯示線路側(cè)功率因數(shù)不佳的情況。（作者：Michael Lyda）