近幾年來(lái)，很多不同的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都對(duì)節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用問題進(jìn)行了廣泛的討論，并且提出了不少的技術(shù)解決方案。這些方案一方面涉及到零部件的優(yōu)化，另一方面涉及到系統(tǒng)分析的復(fù)雜性和優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。本文主要介紹了工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中一種可行的解決方案。
包括政治家在內(nèi)，許多相關(guān)人士都對(duì)能源效率問題發(fā)表了自己的意見。其目的在于通過在國(guó)內(nèi)下達(dá)節(jié)能的定義和在國(guó)際上提出節(jié)能的任務(wù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)全球化的節(jié)能。為此，歐盟成員國(guó)做出了一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃：通過多種提高能源利用效率的方法，到2020年實(shí)現(xiàn)節(jié)能20％的目標(biāo)。德國(guó)政府認(rèn)為，就“提高能源效率”來(lái)講，工業(yè)企業(yè)中的電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有著相當(dāng)大的潛力可以挖掘。在電子驅(qū)動(dòng)設(shè)備更新?lián)Q代的工作完成之后，企業(yè)大約可以節(jié)約12億歐元的能源費(fèi)用。
可行節(jié)能措施
節(jié)能潛力的觀察往往與很長(zhǎng)的工作時(shí)間相互聯(lián)系在一起。一般情況下是用優(yōu)化了的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而獲得能源費(fèi)用的節(jié)約方案。Hanning電子產(chǎn)品有限責(zé)任公司是研發(fā)、生產(chǎn)和銷售電子驅(qū)動(dòng)部件和提供整套解決方案的專業(yè)廠家，在驅(qū)動(dòng)部件、電子技術(shù)、泵系統(tǒng)、通風(fēng)技術(shù)以及調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域中有著很高的專業(yè)技術(shù)水平。另外，他們還與用戶一起在優(yōu)化生產(chǎn)流程、降低能源費(fèi)用和提高能源利用率方面進(jìn)行了密切的合作。
1.提高零部件的節(jié)能措施
(1)工藝技術(shù)調(diào)研（也包括在非驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中的調(diào)研）。
(2)新材料應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。
(3)利用高性能模擬工具進(jìn)行分析和計(jì)算。
(4)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。
(5)安裝條件的優(yōu)化。
2.提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能措施
(1)現(xiàn)有系統(tǒng)的分析。
(2)負(fù)載狀況的優(yōu)化（轉(zhuǎn)速、扭矩和加速度等）。
(3)選擇合適的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
(4)利用智能化的機(jī)電一體化系統(tǒng)置換機(jī)械解決方案。
(5)通過有目的的機(jī)械和電子技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行費(fèi)用優(yōu)化。
(6)將用戶專用的物流部件集成到電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。
(7)為最終用戶提供附加服務(wù)。
徹底挖掘和利用節(jié)能潛力
在IEC 60034-30標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)功率為0.75kW以上的異步電動(dòng)機(jī)效率做出了規(guī)定。在高性能同步電動(dòng)機(jī)研發(fā)的框架內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的這一節(jié)能效率在小功率范圍內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10％（圖1）。
圖1 效率比較（IEC 60034-30與永磁電動(dòng)機(jī)）
利用多個(gè)小型異步電動(dòng)機(jī)取代大型驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及少用功率損失較大的機(jī)械驅(qū)動(dòng)元器件是一件非常有利的事情，因?yàn)檫@些電動(dòng)機(jī)在功率相同的情況下體積比標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)要小。由此也帶來(lái)了質(zhì)量慣性矩的降低，減少了金屬材料的用量；在動(dòng)態(tài)應(yīng)用時(shí)也節(jié)約了加速能量。
某一機(jī)床中使用的是帶
變頻器的55kW的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過中央動(dòng)力分配軸和變速器實(shí)現(xiàn)為各個(gè)工作軸分配50％~100％的機(jī)械功率。在對(duì)機(jī)床進(jìn)行了總功率的平衡計(jì)算后，最后用高性能的電動(dòng)機(jī)（EFF2和EFF3）以及電子同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代了原有的驅(qū)動(dòng)方案。在機(jī)械傳動(dòng)中，人們注意到了機(jī)械效率的不同。在計(jì)算總費(fèi)用時(shí)使用了LCC壽命周期費(fèi)用法。此計(jì)算包括了所有在該電動(dòng)機(jī)使用期間所發(fā)生的費(fèi)用（市場(chǎng)通常的采購(gòu)費(fèi)用，能源費(fèi)用按7.5歐分/kWh計(jì)算，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用和其他費(fèi)用），并在整個(gè)使用壽命周期中考慮到了利率系數(shù)等因素。設(shè)備的工作時(shí)間按5500h/年計(jì)算。
由于選用了變頻器，圖1所示的電動(dòng)機(jī)效率為96％?？紤]現(xiàn)有系統(tǒng)機(jī)械損失后的效率為75％。在采取改進(jìn)優(yōu)化措施之后，效率可以提高到80％，但需要增加一些附加費(fèi)用。這些費(fèi)用是因?yàn)檫x用了更好的材料、更高價(jià)值的零部件或者附加的維護(hù)保養(yǎng)而產(chǎn)生的。例如更換了一個(gè)性能更好的軸承、使用了效率優(yōu)化了的變速器以取代皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及更加準(zhǔn)確的校正了的集中傳動(dòng)軸等。
圖2 集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命周期費(fèi)用（機(jī)械效率75%和永磁電動(dòng)機(jī)）
圖3 集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命周期費(fèi)用（機(jī)械效率75%和永磁電動(dòng)機(jī)）
在圖2和圖3中，給出的是機(jī)床工作期間不同機(jī)床配置方式的累計(jì)費(fèi)用。在這一實(shí)例中，可以清楚看到如下的相互關(guān)系：
（1）與能源費(fèi)用相比，設(shè)備的采購(gòu)費(fèi)用不是主要的費(fèi)用因素。
（2）較差的機(jī)械效率在整個(gè)系統(tǒng)中有著決定性的作用。
（3）機(jī)械效率的改進(jìn)提高與購(gòu)進(jìn)附件的投資有著成比例的關(guān)系。
（4）高檔和優(yōu)質(zhì)電動(dòng)機(jī)的效率對(duì)節(jié)能的作用有限。
（5）最大的節(jié)能潛力在于使用采購(gòu)成本相對(duì)較高的永磁電動(dòng)機(jī)。
節(jié)能效益是不能僅依靠將標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)更換成高效電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)優(yōu)化和永磁電動(dòng)機(jī)的使用也能帶來(lái)節(jié)能和節(jié)約費(fèi)用的好處。本例中可以實(shí)現(xiàn)的節(jié)約效益共計(jì)約29％。
驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
在全球化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，目前驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新水平和生產(chǎn)費(fèi)用具有決定性意義；而在將來(lái)，質(zhì)量、產(chǎn)品的可靠性以及節(jié)能將具有更加重要的意義。德國(guó)的傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)——驅(qū)動(dòng)技術(shù)將繼續(xù)發(fā)揮更大的作用并鞏固自己的地位。這些觀點(diǎn)還沒有考慮到經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步而帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)量與未來(lái)家用電器的增加。基于經(jīng)濟(jì)的或者系統(tǒng)技術(shù)的原因，還會(huì)出現(xiàn)非電子驅(qū)動(dòng)向電子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)。而最后一個(gè)原因就不僅僅是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框架內(nèi)降低電力消耗的問題了。
同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用
由Hanning公司研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的新型同步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)緊湊、高效、尤其是在部分負(fù)載情況下的高效性以及符合用戶需要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而著稱。他們研發(fā)設(shè)計(jì)的同步電動(dòng)機(jī)種類繁多，既有有電機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)形式，也有無(wú)電機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)形式，規(guī)格在56~132之間，功率范圍最大為7.5kW。其均勻無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速絕對(duì)穩(wěn)定，因此對(duì)負(fù)載的變動(dòng)不敏感。轉(zhuǎn)子由高性能的永磁磁鐵制造，工作時(shí)沒有損耗。
該系列電動(dòng)機(jī)不僅在機(jī)械方面，而且在電氣性能方面都能準(zhǔn)確的按照用戶的要求進(jìn)行匹配。同步電動(dòng)機(jī)由電子部件啟動(dòng)，能夠很好的與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能相匹配；它不僅僅做到了工藝和技術(shù)上的優(yōu)化，而且也能非常節(jié)能的運(yùn)行。
