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能源管理:更高效的第一步

2009年10月28日 15:48

来源:东方网综合 选稿:王呈恺

  摘要:这一系列的文章,将给出一些例子--关于工程师如何在工厂内部几乎不增加开支的前提下找到能源浪费的根源。第一部分关注的是工厂、设备用电、电机和驱动;第二部分将关注能源重用以及特别节能方案。
  
  作为一名工程师,你需要无休止的提高效率。尽管最近一些能源的价格出现跳水,但是关注你的工厂能源使用情况绝对不会有错。因为这些价格不可能永远处在低位,这就意味着你当前在削减能源支出做的每一项工作日后都会为企业创造价值。
  
  这一系列文章关注的是离散和流程制造工厂里直接并且简单的能源节约方法,将给出每个领域里识别和解决问题的一些基本建议。
  
  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,而任何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”,Morton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”,Morton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-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。”
  
  Morton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”,Koehler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呢?SEW Eurodrive美国产品经理Rich Mintz说:“它是通过消除电机启动时候的涌流。客户是按照生产设施的峰值需求付费,通过限制启动峰值,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介绍了异步电动机的基本原理,它是将电压直接作用于电机线圈,在线圈上形成了旋转电磁场。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流以减少转差。”
  
  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能驱动业务总监Mark Harshman说道。Harshman谈到了通过机电技术使用中压变频驱动实现的节能。
  
  “总的来说,机电方面的优势带来了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中的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台转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是很容易安装部署在生产流程之中。Harshman说:“它们可以安装工厂的任何一个角落,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 Koehler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。反馈电流可以用于驱动负载,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。来源:安川电机