1 前言
    近年來，以減輕地球升溫效應（削減CO2排量）為代表的環境保護，以及應對石油等能源枯竭的各種措施，推動著全球規模的節能化發展，電動機變頻器驅動的節能意向高漲。在國內，伴隨著《節能法》的制定及執行力度的強化，取得ISO4001認證的工廠企業日益增加，能源使用合理化計劃的推廣等，節能的需求愈益提高。另方面，工廠中的用電量約70％為電動機所消耗，因此，電動機的*率化需求也不斷提高。尤其是，以風機、水泵用途為中心，將變頻器和電動機組合成可變速控制的變頻器驅動系統正廣泛普及。本文對電動機*率化技術的動向，電動機變頻器驅動導致的節能化以及有關注意點予以闡述。
    2  電動機的*率化
    電動機是將輸入的電能轉換為旋轉的機械能的設備。電動機的*率化，就是為降低在這一能量轉換過程中所產生的損耗。效率定義如下： 
    電動機損耗有1次銅損、2次銅損、鐵損、機械損耗、雜散負荷損耗5種，如表1所列。
    表1    損耗的定義
損  耗定  義
1次銅損因流入一次導體的電流產生的損耗
2次銅損因流入二次導體的電流產生的焦耳（熱）損耗
鐵  損因磁場旋轉于鐵芯內產生的磁滯損耗和渦流損耗
機械損耗因軸承的摩擦和空氣阻抗形成的機械摩擦損耗
雜散負荷損耗上述損耗以外的損耗
    變頻器驅動的電動機可分為永磁電動機（IPM）和感應電動機。IPM意為內置式永磁電動機，也被稱為*率同步電動機。有關電動機的結構，感應電動機和IPM轉子結構的比較，如圖1所示。
    IPM是將永磁體裝入轉子內部的結構，內置的永磁體產生磁通，故勿需勵磁電流，降低了1次銅損；其結果，IPM比感應電動機*能提高約10％的效率。IPM為低損耗電動機，能減小熱容量，故對比感應電動機，具有小型輕量化的特點。
    感應電動機因無永磁體，易于維護且結構堅固，故在工廠企業中廣泛使用著。作為感應電動機*率化的方法，必須減小表1所列的各種損耗。
    1次銅損在損耗中占的比重較大，藉繞線方式的改變縮短導線的長度，以及藉高密度充填繞線技術（提高占績率）均可降低銅損。而且，對轉子槽形的重新審核設計，可降低額定運轉時的2次銅損。此外，由于低損耗、高磁密鐵芯材料的普及，使用能減少鐵損。對定子和轉子槽的優化組合，對氣隙長度和轉子斜度的優化設計，可降低雜散負載損耗。
    *率電動機比較通用電動機，損耗能減小（20~30）％。冷卻風量減小，采用小直徑風扇還能減小通風損耗。
    3 變頻器原理
    電動機旋轉速度的定義如下：   
    式中：n—電動機轉速(rpm)；f—頻率 (HZ)；p—電動機磁極數；s—感應電動機特有的轉差率，表示比同步轉速滯后的比例，額定情況下s ≈0.05。
    由式（2）可知，改變電動機的轉速n，可通過改變電動機的磁極數p或改變頻率f來實現。變頻器則是可以任意調節其輸出電壓頻率，能使三相AC電動機在任意的速度下運轉并實現無級調速的一種裝置。 
    圖2所示為變頻器的結構，變頻器主要由將工頻電源整流成直流的換流器和由直流逆變成任意頻率交流的逆變器所組成。此外，換流器部分又是由三相全波整流的整流器、平穩脈動成分的平波電容器以及抑制平波電容器充電時涌入電流的控制回路等構成。將換流器部分變換的直流，在逆變器部分藉助脈寬調制(PWM)產生交流。看來，為改變電動機的轉速，僅通過頻率的改變較好，但電壓仍保持恒定。輸出頻率若在50HZ以下時，隨著電動機的磁通增加及至飽和，電動機因電流的增大會過熱最終導致燒損。
    為避免出現這種現象，必須維持磁通一定。磁通的大小定義如下式：        
    由式（3）可知，磁通與電壓成正比，與頻率成反比。這一關系式需經常保持一定。變頻器輸出電壓與輸出頻率之比，被稱為模式。這一關系，是控制電動機的重要因素。
    4 節能實例         
    當控制已裝設冷水泵的轉速時，利用變頻器的方法簡單容易，且經濟上有利。
    作為具體的事例，建筑樓房空調用冷卻水泵系統。藉改變熱負荷來增減冷水的循環。與此相應，對于壓力的變化，只用輸出閥來調壓，因而壓力損耗大，效率劣化。
    如采用對冷水泵轉速的控制，保持*壓力的話，則不會發生因效率下降導致的壓力損耗，可達到節能的效果。
    該系統的組成結構如圖3所示。輸出水量為2500L/min以下時，由一臺75kW電動機運轉；超過這一水量時，用2臺150kW電動機，其中常用1臺運轉，藉調正輸出閥按照熱負荷的變化，以增減冷水的循環。
    在這里（圖中），75kW的電動機停止。相應于常用和備用的2臺150k 冷卻水泵，通過變頻器設置1臺，能對2臺中無論哪一臺冷水 泵的運轉進行切換。而且，對運轉的冷水泵，檢測出最上層的水壓，藉助PID調正計量儀器保持壓力恒定，以進行轉速控制。
    水泵場合下，實際量程相對于全量程的比率越小，節能的效果則越大。也就是，按照圖4所示的流量與電動機輸入的關系，例如，在流量50%處，通過變頻器驅動控制冷水泵的轉速，與對輸出閥的控制比較，電動機的輸入功率可能減少到一半以下。
    表2列出建筑物空調用冷水泵系統一年期間的運轉模式與節能效果。在上述引入實例中，每年能削減49200kWh的用電量，每1kWh的電量按0.8元，每1kW的CO2消減量為0.000422噸計，則1年節約的電費近4萬元，削減CO2有20.76噸。
    對于30年以上早期建設的建筑物，因多數采用中央空調方式，故引入變頻器后，可望達到很大的節電效果。但是，當達到如期的節能時，必須對設備的運轉工況進行仔細的事前調查和研討。
    表2運轉模式
運轉模式所需電力節能效果
變頻器引入前變頻器引入后
輸出流量
（L/分）運轉時間
（h/年）75kW電動機輸入功率（kW）150kW電動機輸入功率（kW）200kVA變頻器輸入功率（kW）節電力
（kW）節電量
（kWh）
3800750—121873425500
250085083—602319500
175050062—50126000
75050033—36.7-3.7-1850
一年的節電量（kWh）49200
    5  對已裝好的電動機采用變頻器驅動時的注意點
    對電動機采用變頻器驅動時，對比用正弦波（工頻電源）驅動時，由于包含在變頻器輸出波形內高次諧波的影響，必須注意電動機的溫升和變頻器的涌浪電壓。
    5.1 電動機的溫度上升
    因溫度升高10℃，絕緣物的壽命約縮短一半，故電動機的溫升是非常重要的問題。電動機采用變頻器驅動的情況下，由于高次諧波的影響，損耗增大。與一般用工頻電源的驅動比較，電流約增加10%左右，溫度上升約增加20%。
    下面討論在低速運轉時，冷卻效果降低的問題。當電動機轉子軸端裝有冷卻風扇的場合，低頻運轉時電動機轉速低，冷卻效果大幅度減小。一般，電動機溫升與冷卻風量導致的冷卻效果之關系，在電動機的損耗相同時，溫度的上升△t與轉速n成反比關系：   
    另一方面，在工頻以上運轉時，因采用變頻器輸出電壓一定的控制，電動機為恒定輸出功率特性。此時，電動機電流隨著頻率的升高而減小，冷卻效果也提高，故溫度上升方面的問題不大。但由軸承的容許轉速、轉動部分的強度、噪音、振動等條件，限定了*的容許轉速值。
    5.2 變頻器的浪涌電壓
    對于變頻器的電源，其換流操作產生浪涌電壓。為此，在電動機的線圈處，施加了取決于變頻器頻率和控制方式的、一定交變周期的浪涌電壓，這一浪涌電壓對線圈的絕緣將造成大的影響。
    而且，在通用變頻器中, 電壓急速建立因電動機容量、繞線方式等的差異，的電壓施加于電動機時，線圈之間的電壓分配，在靠近電源測的*線圈上電壓偏高。所以，必須確保線圈之間的絕緣強度及其協調性。
    變頻器一旦將工頻電源整流成直流，因利用開關控制，故輸出電壓的峰值通常為直流電壓E以下（直流電壓E為工頻電源電壓有效值的一定倍數，如AC440V時約DC620V, 其倍數 1.4）。
    變頻器與電動機之間配線的電感（L）, 配線之間的雜散電容（C）, 在開關切換時因LC共振產生的浪涌電壓，將與變頻器的輸出電壓疊加，其結果如圖5所示。對比變頻器的輸出電壓峰值，出現了電動機輸入側端子電壓升高的現象。該電動機的端子電壓峰值，理論上達到*回路電壓（變頻器輸出電壓峰值）的2倍（620 2=1240V），也就是，由于開關切換速度和配線長度的不同，產生的電壓也不同。根據其原理，特別
在PWM方式變頻器中，浪涌電壓是不可避免的。   
    圖6所示為，400系列變頻器與電動機之間，相應于配線長度的電動機輸入端子電壓進行實測的例子。從圖6可見，電動機端子電壓隨配線長度的增加而升高。可確認變頻器輸出電壓約2倍時達到飽和。而且，開關速度更快的IGBT，即使配線長度短，電動機的端子電壓也更高。還能確認，配線長度增加時的飽和電壓大致是相同的。
    下面，在已裝設的冷水泵實例中，對變頻器驅動場合的節能效果予以介紹。一般，電動機絕緣壽命約為40000h。按照使用環境、條件不能一概而論。電動機的使用時間按一日8h計，絕緣壽命大致標準約15年。并且，對已裝設的電動機，大多尚未采取變頻器浪涌電壓的對策，特別400V級的電動機改為變頻器驅動時，會因變頻器的浪涌電壓導致絕緣劣化而燒損。因此，引入變頻器驅動時，建議對電動機的更換也要同時進行研討。
    參考文獻
    1         阿知和  典弘. モ-タのィンバ-タ驅動にょる省ェネ化，《省ェネ化》2009.*1.P39-43.
    2  Yasuhisa Seki,  Toshiaki Idemitsu, Atsushi Koga, Masaki Nakai, Koji Iwshashi. Fan,Pump  and Compressor Applications .《安川電機》2009.NO.02.P66