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能源管理:更高效的一步

2009年07月17日 10:40中国机床商务网点击:2891

      工厂和设备用电

  如果想要工程师对于管理工厂能耗产生兴趣,第一步就是要让他们了解自己每天消耗了多少能源,以及是如何消耗的,贝加莱的产品经理Corey Morton如是说:“这在单一工厂里很容易实现,只需要使用便携测量设备或者安装能源测量设备就可以。”

    Morton认为解决能源使用问题最简单的方法,就是让工程师观察自己所在工厂的运营方式,以制定类似“削减负荷”这样的能源管理原则。“举例来说,考虑一个两班生产的工厂,可能其中很多的操作都是依靠气动的,动力来自一台中心空气压缩机。由于只有两个班次,就不需在第三个班次中开动压缩机了。同样的思路也可以扩展到HVAC系统、工厂照明和供水系统。”

  另外一种解决能耗问题的方法,是发现“工作需要”。如果一家工厂在其生产过程同样需要大量的水,那么用水量将取决于在同一时间工作设备的数量。“如果驱动水泵的电机可以跨生产线运行(比如它们按照生产线电压接触器开关的控制),同样的电力消耗与实际需要无关”,Morton解释道。这一问题可以通过测量需求(流量)或者用按需驱动对泵进行调速来解决。
 

  满足工作需要的另外一个好处是“功率因数”的提高,驱动/电机系统的功率因数通常要比独立电机更高。一般来说,功率因数是工厂利用电力效果如何的衡量标准。“功率因数较低,就意味着工厂和生产设施的配电系统必须进行调整,以保证与进行生产所需的电力水平(实际用电)匹配”,Morton说道:“因此,功率因数低的工厂可能就存在过度用电。”

  上面提到的泵的使用也可以作为“峰值需要”的一个例子。每次依靠电机启动泵的时候,都会出现一个瞬时的峰值电流,这会导致工厂用电在一瞬间突然增加。许多工厂在交电费的时候都是按照其常规需要的功率,而任伺的峰值需要都足以让工厂的电费费率上升一个台阶。“限制峰值电流的一个简单方法,就是使用软启动器或者驱动,它会将电机逐渐调整到运转速度,因此降低了启动电流”,Moron说道。

  每一处已经使用驱动器的地方都为能源管理提供了机会。举例来说,在一个使用电机驱动展开材料、加工材料、然后在卷起材料的应用中,“展开环节通常使用的是一种反馈模式,也就是说电能从电机传递回驱动”,Moton说道:“接下来驱动肯定对于这些能量有所行动。很多情况下,它只通过电阻释放这些能量一制动电阻就是这样一个例子。因此,这些反馈回来的能量被浪费了。利用这些能量的一种方法,是共享每一台驱动的直流总线。这就使得驱动消耗的能量来自展开驱动的反馈电能。”

  Moton提到尽管共享每台驱动的直流总线可以减少能量浪费,但是却不能彻底消除浪费。“制动电阻仍然会消耗过多的能量”,他补充道。

  电机与驱动

  考虑到电机系统是最主要的三种工业能耗来源之一(见图“美国工业能耗”  ),自动化工程师更多关注这个领域就显得很有意义。

  “令人吃惊的是,只有30%的制造企业在它们的三相电机中使用变频驱动(VFD)”,安川电机新产品总监Ron Koehler说道。然而,将VFD应用于三相电机只是工程师可以直接影响公司生产线的一项工作。

  Koehler建议工程师思考下列四个与驱动相关的问题,这样可以通过驱动同时节约能源和成本。“这些建议的最大优势在于它们不需要任何费用”,Kolhler说:“所以肯定是有投资回报的。”

  ●停止加大驱动和电机的规格。检查每个特别项目的负载需求,最大发挥驱动的潜能。如果你降低了驱动的速度和扭矩,很明显工作的时候就会节约大量能源。工程师应该观察正在执行的项目情况,确定完成工作所需的驱动规格。

  ●无翼驱动,这一类型特殊设计的驱动很有特点,可以降低对于附加冷却方法的依赖。其类似散热片的特征可以使热量从驱动后部散发,所以就减少了机箱所需的尺寸,降低了驱动制冷的能量需求。

  ●通过散热风扇开/关控制实现按序操作。自动开/关风扇控制的使用,可以减少不必要的电能,关机的时候可以节约能源和成本。这听起来是一个很简单的方法,但是很多情况下它并没有受到足够重视,能源也就白白损失掉了。工程师应该确保驱动器拥有这样的选项,而且正在被使用。

  ●永磁控制,带有永磁(PM)控制的电机可以通过管理磁场发挥优势。这些电机可以实现比NEMA标准更高规格能源节约。koehler说:“有时候,它的效率甚至要比高效能电机还要高出几个百分点。”

    变频驱动如何节约能源成本

     多家供应商都在追捧变频驱动(VFD)的潜力,那么它到底是如何节约能源成本?SEW EURODRIVE美国产品经理Rich Mintz说:“它是通过消除电动机启动时候的涌流。客户是按照生产设施的峰值,将峰值需求尽可能降低,VFD可以带来显著的节约,尤其是在高周应用的情况下。”

  Mintz介绍了异步电动机自本原理,它是将电压直接作用刁机线圈,在线圈上形成了旋转磁场。与此同时,这也同转子中的磁场发生感应。                   

    “这两个场并不是同步的” Mintz说:“转子运动以捕捉定子中的旋转磁场。定子中磁场旋转速度与转子旋转速度的差别叫做转差,可以让转差最小化的是扭矩。转差越大,电机就要消耗越多的电谓减少转差。”         

    跨线启动异步电机会使得电机的涌流非常高(最多可以达到平时或者满载电流的10倍),来调整电机。在电机跨线启动时,转差是100%,这是因为电机正在尽量“跟上线圈中突然产生的旋转电磁场”, Mintz说道。

    “为了跟得上磁场,电机将释放尽可能大的电流。当电机达到正常速度,转差最小,电流也下降到工作或者正常电流,以保持速度”,Mintz解释道。 

    通过使用VFD,电压和频率都用来在可选可调的斜线上进行调整。“因此,电机速度从来不会远离电磁场的转速,这就以为着转差总是在最小的状态,也就不会出现大电流造成差别”, Mintz说。

    很多大公司或者发电厂发现开发大型VFD产品是很有必要的。对于这些企业来说,大型中压VFD可能是实现能源节约、改进电机系统性能的一个更好的选择。

    “过去的二十年里。大型工业和发电企业已经开始应用这项技术,结果是很好的”,西门子能源与自动化计划核夏动业务总监Mark Harshman说道。Harshman谈到了通过机电技术使用中压频驱动实现的节能。

    “总的来说,机电方面的优势带巨大的市场价值和节约”,他说“比如,电站的热功率提高了1.0%~1.5%。水泵中的减速控制和风扇缓冲控制现在都已经在应用了,已经让客户和供电网络都得到了收益。并且,大型中压变频驱动具备多换设备以及面向所有流程的控制程序,利用率很高。”大型变频驱动被很多工程师认为容易安装部署在生产流程之中。 Harshman说:“它们可以安装工厂的一个角落,很容易在现有电机上进行翻新。”          

  通过直流总线实现能源重用

  据安川电机新产品总监Ron Koehle所说,有一些应用至少在一套协同系统上安装了两台变频驱动器,这样借助通用直流总线实现多重转换。使用通用直流总线连接VFD,可以在一条直流总线上共享电力负载,因为多个转换器可以同时驱动电机以及发电。

  Koehler说:“下面谈一谈它是如何工作的。在减速过程产生的反馈能量没有浪费,而是重新利用,回收重新供给生产线,从而实现系统能效最高。工程师可以对他们的系统重新;进行配置,以确保能量正在有效使用。整流器所需或者使用的电力越少,系统的效率就越高。”

  由于绝大部分变频驱动器上的直流总线终端是标准的,所以材料成本也很少。但是,Koehler说:“工程师参与其中非常必要。”

  通用总线连接可以传输能量,形成一个反馈负载,为主输入电路进行补充。反馈电流可以用子驱动负载,因而减少了主输入电流所需的电力。否则,反馈能量就白白损失,或者就在动态制动电阻之中变成热量消耗了。

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