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通过电磁流量计变频驱动器最大限度地节约能源
来源： 发布日期：2019-08-21 10:17:23 作者：
据国际能源署（IEA）称，全球约有一半的电力用于电动机。工业电动机系统约占所用制造电力的70％。
在美国，泵系统占所有工业电机系统电力的约40％。趋势是设计更高效的泵系统，以实现最高的节能回报。
在许多应用中，使用两种方式之一来调节流量和压力。可以使用节流阀或使用变速驱动器调节电机速度来机械控制它们。限制系统中流动的节流阀在机械和电气上都是低效的。
因此，调节泵速和流量的优选方式通常是变频驱动器（电磁流量计）。电磁流量计将频率电气地改变为AC电动机的频率。电动机速度与频率直接相关，而电动机电流与所需转矩成正比。随着离心泵速度的降低，所需的扭矩和电机电流急剧下降。
了解使用变频器（电磁流量计）的泵运行
在离心泵操作中，流量与速度下降成比例地减小。换句话说，速度降低50％会使流量减少50％。然而，产生的压力或压头减小了速度的平方。速度降低50％可使压力降低25％。由于功耗与工作有关，因此当流量和压力都降低时，所需的相对工作量将大大减少。功率降低是速度降低的立方。因此，当电机速度降低50％时，与全速运行相比，所需的功率为（0.5）3，即所需电机转矩和电流的12.5％。这被称为亲和力法。
泵匹配到电磁流量计
通过降低泵速可以实现显着的节能效果。但是，根据所需的流量和压力为应用选择正确的泵仍然至关重要。与往常一样，必须评估泵速 - 扭矩曲线。泵速降低时存在机械限制。例如，体积可以减少到泵不能满足系统要求的程度。
变速电机为使用满足当前需求的泵提供了更大的灵活性，并可能在未来增加。电磁流量计通过低于设计的压力限制来帮助提高泵的使用寿命。它还能提升速度，减少机械冲击或水锤，并使功率与性能相匹配。虽然电磁流量计在帮助系统保持最高效率方面值得称赞，但它们也有可能损坏它们驱动的电机 - 除非采取措施减少其有害影响。
了解电磁流量计对电机的挑战
电磁流量计带来的挑战与它们用于调制提供给电机的频率和电压的脉冲宽度调制（PWM）功率波形有关。反过来，这会控制电机速度。在电磁流量计中，整流器将AC转换为DC电压，晶体管（开关） - 称为逆变器部分 - 产生脉冲以输出模拟所需频率的正弦波的波形。PWM开关波形会影响电机的绕组绝缘和轴承寿命。
更具体地说，PWM可以使电动机绕组经历远高于其标准电压极限的电压尖峰。例如，在三相交流线路电压上，标准正弦波功率从一个峰值转换到下一个峰值需要大约8毫秒。PWM会导致电压急剧上升，从最小值到最大值脉冲小于0.001毫秒或1微秒（μs）。由于这些尖峰超过了标准绝缘的极限，因此与绕组未超过额定最大电压时可能出现的情况相比，它们会导致电机绝缘快速击穿。
波反射是另一种可能影响峰值电压及其对电机绕组影响的现象。波反射是波浪上升所需时间和电磁流量计与电机之间电缆长度的函数。反射回到其源头的反射波可以成为入射波的附加波。电缆越长，波反射越大。反射波形可能会损坏电磁流量计和电机。当电磁流量计与其控制的电机之间的距离超过电磁流量计制造商建议的距离时，应考虑这种现象。允许在现场发生更大距离的技术可以添加到系统中。
电机绕组和电磁流量计损坏不是受PWM影响的唯一问题。轴承过早失效也可归因于快速上升的电压脉冲。用于实现所需PWM波形的高开关频率逆变器导致在转子和定子之间建立电容能量。
如果这种能量在通过电机轴承的路径上释放，则可能导致放电加工（EDM），也称为凹槽，这可能导致轴承过热并可能过早失效。
由于在标准逆变器上使用PWM波形而导致的转子和定子之间的电压差也会影响电动机的轴承。
电磁流量计使用脉冲直流电压来产生模拟正弦波，其具有在转子和定子之间建立差分电荷的效果。
由标准正弦波功率驱动的三相电机具有均衡电荷。然而，PWM波形不是真正的正弦波。相反，电磁流量计使用脉冲直流电压来产生仿真正弦波，其具有在转子和定子之间建立差分电荷的效果。称为共模电压（CMV），必须通过轴接地和正确的系统安装来减轻转子和定子之间建立的差动电荷，以避免损坏轴承。
保护支持电磁流量计的电机
意识到这些挑战，许多电机制造商已经创建了专门设计用于电磁流量计的产品线。这些电机包括专门设计的绕组和轴承保护，可减轻PWM波形对电机的某些影响。向电磁流量计的转变导致增加了逆变器线作为整体马力随机绕线电机的标准功能。电动机设计和制造技术也经历了变化，以适应电磁流量计应用，以及消除轴电流。
为了防止超过其额定电压的电压尖峰，逆变器负载电机设计用于电磁流量计，通常包括额定处理发生的电压尖峰的逆变器负载绝缘系统。绝缘设计标准由美国国家电气制造商协会（NEMA）监管，该协会规定了每种绝缘必须承受的最大峰值电压，以及功率波形的最小上升时间。
根据NEMA MG1第31部分，额定电压为600伏或更低的电磁流量计电机上的绕组必须至少保护额定电压为3.1倍且上升时间大于或等于0.1μs的电压尖峰。电压额定值大于600伏的电动机必须至少保护电压峰值不超过电动机额定电压的2.04倍，上升时间大于或等于1μs。
为了防止CMV，这些电机上的轴承需要保护，提供低阻抗接地路径，以减少任何电荷累积。这通常需要根据电机的本地代码安装轴接地装置 - 外部或内部。
为了提供额外的保护，100多马力的电机将其中一个轴承与电机轴隔离，以中断循环电流，否则会为电机轴增加额外的能量。这通常通过用绝缘材料涂覆轴承座来实现，从而将轴与轴承隔离。如果电动机位于危险环境中，制造商可能会对两个轴承进行绝缘，但更常见的是，它会使联轴器绝缘。
找到问题的根源
虽然这些电机保护很有帮助，但它们并没有解决PWM波形损坏的根本原因。事实上，制造商经常添加这些保护措施，因为他们无法预测这些组件的安装位置，方式或时间。
在整体检查系统时，请遵循制造商的指导原则，以提供正确尺寸的电线，过滤器和导管。请参阅手册以了解电机和电磁流量计的正确接地要求。以下指南有助于实现成功的设计和安装（有关任何其他信息，请参阅制造商手册）：
电磁流量计安装：将电磁流量计连接到电机的电源线应屏蔽并额定用于电磁流量计。制造商应该能够推荐适合系统电压和电流限制的电缆。大多数电磁流量计经销商都提供满足这些要求的产品。
接地： 电磁流量计产生高频噪声。为减少噪音的破坏性影响，电机必须接地到驱动器。这需要编织类型的接地线，使电机与驱动器接地。至少，该导线应与单个电源导线的尺寸相同，并且位于电源导线管中。为了获得最佳的缓解效果，安装人员应考虑使用多根接地线。电磁流量计产生高频噪声。为减少噪音的破坏性影响，电机必须接地到驱动器。
导线选择：电源线和接地线应安装在金属导管中，金属导管应与电机和驱动器连接，不得隔离。建议不要使用PVC，塑料或其他绝缘材料将金属导管连接到驱动器或电机接线盒。如果使用这些材料，则带有电源线和接地电缆的金属导管必须正确连接到接地电路。电磁流量计制造商可能能够建议其他过滤选项以进一步降低风险。
对于现有系统，更难找到PWM的根本原因。尽管如此，通常可以通过系统附件减少其破坏性影响，例如：
负载电抗器：这些电感设备可以减缓快速上升时间并消除高峰值电压。
电感式吸收器：使用这些电感器件可以减少一些有害的轴承电流。
dV / dt滤波器：这些滤波器限制电机的峰值电压。
正弦滤波器：与dV / dt滤波器类似，这些滤波器包括与载波频率匹配的调谐电子器件，以获得最佳输出波形。
结论
在整个系统在项目开始之前检查PWM功率的影响时，可以充分利用将电磁流量计添加到泵系统中的好处。为了获得最大的保护，有必要将这些组件设计和安装为集成系统。了解电磁流量计系统的问题和操作要求将导致多年的成功运作。
在美国，泵系统占所有工业电机系统电力的约40％。趋势是设计更高效的泵系统，以实现最高的节能回报。
在许多应用中，使用两种方式之一来调节流量和压力。可以使用节流阀或使用变速驱动器调节电机速度来机械控制它们。限制系统中流动的节流阀在机械和电气上都是低效的。
因此，调节泵速和流量的优选方式通常是变频驱动器（电磁流量计）。电磁流量计将频率电气地改变为AC电动机的频率。电动机速度与频率直接相关，而电动机电流与所需转矩成正比。随着离心泵速度的降低，所需的扭矩和电机电流急剧下降。
了解使用变频器（电磁流量计）的泵运行
在离心泵操作中，流量与速度下降成比例地减小。换句话说，速度降低50％会使流量减少50％。然而，产生的压力或压头减小了速度的平方。速度降低50％可使压力降低25％。由于功耗与工作有关，因此当流量和压力都降低时，所需的相对工作量将大大减少。功率降低是速度降低的立方。因此，当电机速度降低50％时，与全速运行相比，所需的功率为（0.5）3，即所需电机转矩和电流的12.5％。这被称为亲和力法。
泵匹配到电磁流量计
通过降低泵速可以实现显着的节能效果。但是，根据所需的流量和压力为应用选择正确的泵仍然至关重要。与往常一样，必须评估泵速 - 扭矩曲线。泵速降低时存在机械限制。例如，体积可以减少到泵不能满足系统要求的程度。
变速电机为使用满足当前需求的泵提供了更大的灵活性，并可能在未来增加。电磁流量计通过低于设计的压力限制来帮助提高泵的使用寿命。它还能提升速度，减少机械冲击或水锤，并使功率与性能相匹配。虽然电磁流量计在帮助系统保持最高效率方面值得称赞，但它们也有可能损坏它们驱动的电机 - 除非采取措施减少其有害影响。
了解电磁流量计对电机的挑战
电磁流量计带来的挑战与它们用于调制提供给电机的频率和电压的脉冲宽度调制（PWM）功率波形有关。反过来，这会控制电机速度。在电磁流量计中，整流器将AC转换为DC电压，晶体管（开关） - 称为逆变器部分 - 产生脉冲以输出模拟所需频率的正弦波的波形。PWM开关波形会影响电机的绕组绝缘和轴承寿命。
更具体地说，PWM可以使电动机绕组经历远高于其标准电压极限的电压尖峰。例如，在三相交流线路电压上，标准正弦波功率从一个峰值转换到下一个峰值需要大约8毫秒。PWM会导致电压急剧上升，从最小值到最大值脉冲小于0.001毫秒或1微秒（μs）。由于这些尖峰超过了标准绝缘的极限，因此与绕组未超过额定最大电压时可能出现的情况相比，它们会导致电机绝缘快速击穿。
波反射是另一种可能影响峰值电压及其对电机绕组影响的现象。波反射是波浪上升所需时间和电磁流量计与电机之间电缆长度的函数。反射回到其源头的反射波可以成为入射波的附加波。电缆越长，波反射越大。反射波形可能会损坏电磁流量计和电机。当电磁流量计与其控制的电机之间的距离超过电磁流量计制造商建议的距离时，应考虑这种现象。允许在现场发生更大距离的技术可以添加到系统中。
电机绕组和电磁流量计损坏不是受PWM影响的唯一问题。轴承过早失效也可归因于快速上升的电压脉冲。用于实现所需PWM波形的高开关频率逆变器导致在转子和定子之间建立电容能量。
如果这种能量在通过电机轴承的路径上释放，则可能导致放电加工（EDM），也称为凹槽，这可能导致轴承过热并可能过早失效。
由于在标准逆变器上使用PWM波形而导致的转子和定子之间的电压差也会影响电动机的轴承。
电磁流量计使用脉冲直流电压来产生模拟正弦波，其具有在转子和定子之间建立差分电荷的效果。
由标准正弦波功率驱动的三相电机具有均衡电荷。然而，PWM波形不是真正的正弦波。相反，电磁流量计使用脉冲直流电压来产生仿真正弦波，其具有在转子和定子之间建立差分电荷的效果。称为共模电压（CMV），必须通过轴接地和正确的系统安装来减轻转子和定子之间建立的差动电荷，以避免损坏轴承。
保护支持电磁流量计的电机
意识到这些挑战，许多电机制造商已经创建了专门设计用于电磁流量计的产品线。这些电机包括专门设计的绕组和轴承保护，可减轻PWM波形对电机的某些影响。向电磁流量计的转变导致增加了逆变器线作为整体马力随机绕线电机的标准功能。电动机设计和制造技术也经历了变化，以适应电磁流量计应用，以及消除轴电流。
为了防止超过其额定电压的电压尖峰，逆变器负载电机设计用于电磁流量计，通常包括额定处理发生的电压尖峰的逆变器负载绝缘系统。绝缘设计标准由美国国家电气制造商协会（NEMA）监管，该协会规定了每种绝缘必须承受的最大峰值电压，以及功率波形的最小上升时间。
根据NEMA MG1第31部分，额定电压为600伏或更低的电磁流量计电机上的绕组必须至少保护额定电压为3.1倍且上升时间大于或等于0.1μs的电压尖峰。电压额定值大于600伏的电动机必须至少保护电压峰值不超过电动机额定电压的2.04倍，上升时间大于或等于1μs。
为了防止CMV，这些电机上的轴承需要保护，提供低阻抗接地路径，以减少任何电荷累积。这通常需要根据电机的本地代码安装轴接地装置 - 外部或内部。
为了提供额外的保护，100多马力的电机将其中一个轴承与电机轴隔离，以中断循环电流，否则会为电机轴增加额外的能量。这通常通过用绝缘材料涂覆轴承座来实现，从而将轴与轴承隔离。如果电动机位于危险环境中，制造商可能会对两个轴承进行绝缘，但更常见的是，它会使联轴器绝缘。
找到问题的根源
虽然这些电机保护很有帮助，但它们并没有解决PWM波形损坏的根本原因。事实上，制造商经常添加这些保护措施，因为他们无法预测这些组件的安装位置，方式或时间。
在整体检查系统时，请遵循制造商的指导原则，以提供正确尺寸的电线，过滤器和导管。请参阅手册以了解电机和电磁流量计的正确接地要求。以下指南有助于实现成功的设计和安装（有关任何其他信息，请参阅制造商手册）：
电磁流量计安装：将电磁流量计连接到电机的电源线应屏蔽并额定用于电磁流量计。制造商应该能够推荐适合系统电压和电流限制的电缆。大多数电磁流量计经销商都提供满足这些要求的产品。
接地： 电磁流量计产生高频噪声。为减少噪音的破坏性影响，电机必须接地到驱动器。这需要编织类型的接地线，使电机与驱动器接地。至少，该导线应与单个电源导线的尺寸相同，并且位于电源导线管中。为了获得最佳的缓解效果，安装人员应考虑使用多根接地线。电磁流量计产生高频噪声。为减少噪音的破坏性影响，电机必须接地到驱动器。
导线选择：电源线和接地线应安装在金属导管中，金属导管应与电机和驱动器连接，不得隔离。建议不要使用PVC，塑料或其他绝缘材料将金属导管连接到驱动器或电机接线盒。如果使用这些材料，则带有电源线和接地电缆的金属导管必须正确连接到接地电路。电磁流量计制造商可能能够建议其他过滤选项以进一步降低风险。
对于现有系统，更难找到PWM的根本原因。尽管如此，通常可以通过系统附件减少其破坏性影响，例如：
负载电抗器：这些电感设备可以减缓快速上升时间并消除高峰值电压。
电感式吸收器：使用这些电感器件可以减少一些有害的轴承电流。
dV / dt滤波器：这些滤波器限制电机的峰值电压。
正弦滤波器：与dV / dt滤波器类似，这些滤波器包括与载波频率匹配的调谐电子器件，以获得最佳输出波形。
结论
在整个系统在项目开始之前检查PWM功率的影响时，可以充分利用将电磁流量计添加到泵系统中的好处。为了获得最大的保护，有必要将这些组件设计和安装为集成系统。了解电磁流量计系统的问题和操作要求将导致多年的成功运作。
