节能并降低标准传动应用领域的成本
――利用“高效能量回馈”能量再生技术可降低电气传动的运行和基本设施成本--即使在较低额定功率下，也能实现高性价比
作者：Siemens AG, Mr. Christian Coy
节能已成为全球主要的政治性话题之一，它关系到每一家企业的切身利益。节能的关键是使用高效率的电气传动产品，事实证明，其多出的成本在 9 到 12 个月内就能收回。即使额定功率较低，如果利用具有能量再生功能的标准变频器，亦能实现快速投资回报。不仅如此，此类传动的工程组态也非常简单，安装速度快，不仅节能，而且节省空间，无需安装冷却系统和其他部件。
如今，成本意识已经成为各行各业的共识，它涉及到企业的生存和能否取得成功。对于从事制造业的企业而言，成本节约应先从降低资本投资成本开始。但是，从整个生命周期来看，运行成本往往会超过开始的资本投资成本。因此，缜密分析机器和生产设施的能源需求、维修的方便性、可靠性和可维护性是成功的关键所在。
而传动技术的选择是重点，原因是：电气传动是主要的耗能器件，在控制柜内占据的空间大，能量再生时往往需要特殊的散热措施。
尤其是对于只有几千瓦的小额定功率应用，变频器常被看成节能但并不经济的驱动解决方案，并且只用在本身需要变速驱动的技术或过程内。但是，市场上也不乏注重整体经济效益的变频器产品，即便在低额定功率应用场合。
节能效果明显
问题在于如何说服终端客户的采购部门增加资本投资以减少运行成本。代为采购的机构是不会考虑运营或生命周期成本，它们只会考虑资本投资成本。为了让客户直观地看到高能效传动技术对运营和生命周期成本的影响，西门子特地委托德国卡尔斯鲁厄大学开发了一种可比较传统型驱动解决方案和节能型解决方案的程序，这一程序还能够清楚地向用户或生产设计人员展示在何种前提下、多长时间后收回相对较高的资本投资成本。对于变频器而言，这一过程只有几个月时间，在这之后，客户所得将是投资所带来的所能节省下来运行成本。
（图1：SinaSave工具）
SinaSave工具能够非常准确地记录应用条件，以此定义经过多长时间后变频器和/或节能电机开始收回投资，以及节省了多少电能。上图所示为使用和不使用变频器情况下进行比较的输入画面，本例中的控制对象是一台泵，使用了没有能量再生功能的标准变频器产品。当在计算中考虑了能量再生的因素时，节能和运营成本节约的优势就非常显而易见了。
创新性节能技术可降低成本，节约能源
一般而言，对于速度需频繁变化、传动频繁变向或负载要求电气制动的应用场合，采用变频器是不错的选择，无论是从事生产还是从事机械制造的企业，都是如此。例如，众多使用传送装置的场合都可以使用变频器，包括各种传送带、电梯、起重机、运输车辆、扶梯等等。
具有能量再生功能的变频器的其他典型应用还包括抽水蓄能电站和风力发电系统。
以前需要使用有源反馈式或矩阵式变频器才能向供电线路馈送机械能或势能，而出于成本考虑，只有标准传动任务和/或额定功率较低时才适合使用此类产品。现在有一种新型的能量再生技术能够克服这一缺陷，这一创新性解决方案不仅具有先进的技术，而且价位更易令人接受，人们称这一技术为“高效能量回馈”技术。
从基本原理和智能回路方面大幅节省成本
使用具有能量再生功能的变频器产品，在工程设计阶段即可降低成本。电气设计人员完全不必考虑尺寸大小、连接、冷却或制动电阻等问题，控制柜中不再需要考虑安装制动电阻、输入电抗器及其相关连接。与需要本地散热和浪费能源的制动能量相比，使用能量再生时控制柜和配电室内的热负荷更低。因此许多情况下，可不必使用温度控制系统，不仅节省成本，而且节约空间。
能量再生技术还有一个独特的优势：采用“高效能量回馈”技术的变频器可产生容性无功功率，从而补偿工业环境中绝大多数负载的感性无功功率，从而不必使用或使用较小的昂贵的无功功率补偿系统。另外，由于生产企业的能源成本一般取决于无功功率――因而降低无功功率，可显著地降低其能源成本。
直流母线采用较小的电容，减少了和电网能量的无用交换，由于其容抗相当低，使电网提供的电流非常接近理想的方波形状，从而很大程度上防止了低阶谐波的发生，而低阶谐波消耗的能量是非常高的。因此，这种具有能量再生功能的创新性传动的电流消耗比同样功率的传统传动将低达20%。此类变频器在传动的同时还可帮助节约能耗。不仅如此：许多情况下所用连接电缆的尺寸还将降低22%，从而方便了在生产设施和系统内的安装，明显降低电缆成本以及电缆中铜的数量。
（图3：采用“高效能量回馈”技术的变频器的输入电流更低）
与标准变频器相比，采用“高效能量回馈”技术的变频器的谐波含量要低很多，其11阶及以下谐波的含量大大地低于相关标准规定。因此变频器的电源侧不需要使用换向电抗器。
（图4：谐波）
通过使用这种能量再生型变频器，电气设计工程师不用再担心发生高速负载变化时传统传动直流母线中发生的电压尖峰和超限问题，这一变频器产品能够自动进行干预以补偿这些效应，其方式是在瞬间将多余能量送回电网。这一设计改善了传动的表现，使其充满了吸引力――包括在原先许多非常重要的运行场合。
而现在这一变频器已变成现实。[见图 5]
（图5：优势一览）
由于采用了特殊的电路结构，与相同功率下传统变频器相比，即使在电动状态下，也能节省更多的能量。同时它能够将制动能量反送回电网，在其他场合下可以此来降低能量成本。加之节省了制动电阻器成本、节省了安装空间、降低了工程和安装成本和感性无功功率补偿，该创新性传动产品即使在额定功率相当低时也物超所值。这对于生产企业和环境两者都有利。这一技术为生产企业提供了积极参与节能和环保活动的经济、实用的方法，当然对其底线的影响也是积极的。
各种电网都能连接使用
这一产品对电网的要求与市面上普通的变频器产品一样，经验证明这一技术在世界各地都可使用，但是有一个例外：由不连接电网的独立发电机时，必须使用外部电容器以消除谐振。这种情况必须根据设置的特殊情况确定电容器的大小。
标准传动产品采用“高效能量回馈”技术实现能量再生功能，进而实现高性价比
“高效能量回馈”技术是西门子新一代标准变频器产品的标准配备，因此它可解决各种各种生产/驱动需求。一方面它可安装在控制柜(IP20)内或电机附近(IP65)，另一方面，它既可以做为紧凑型独立驱动使用（驱动一台电机），也可以做为多轴驱动单元使用（同时驱动多台电机的模块化驱动单元）。根据实际需求，该系列传动产品具有集成控制功能和/或不同的输入和输出，各种需求都可以通过这一西门子标准变频器系列产品得到满足。
如此高的灵活性和集成性在驱动环境内是绝无仅有的。
（图2：西门子能量再生型系列传动产品）
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除了“高效回馈”技术外，SINAMICS G120 变频调速柜――防护等级IP20，功率范围0.37kW 至 90kW――还具有如下功能：
- 独特的模块化设计，减少备件库存，生产过程中可快速地更换驱动部件。
- 安全功能 STO（安全转矩截止）、SS1（安全停车）、SLS（安全限速），无需使用编码器――全世界独一无二。换言之，现在不必在电机上安装编码器，而是通过变频器就能直接实现各种复杂的安全功能。
- RS-485、标准PROFIBUS和PROFINET现场总线通讯接口
- 采用创新的冷却理念和带有涂层的电路板和模块，更加持久耐用
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SINAMICS G120D变频调速柜尤其适合完成工业领域内（例如汽车行业）复杂、困难的分布式驱动任务和输送应用控制。它可安装在电机旁边，防护等级为IP65，功率范围在0.75kW 至 7.5kW之间，具有以下特点：
- 机械设计经优化后适合输送技术使用――外形小巧，使用寿命长
- 电压范围宽，金属外壳，更换方便，电气性能稳定
- 独特的模块化设计，减少备件库存，生产过程中可快速地更换驱动部件。
- STO、SS1和SLA安全功能――不必使用编码器，全世界独一无二。换言之，现在不必在电机上安装编码器，而是通过变频器就能直接实现各种复杂的安全功能。
- PROFIBUS和PROFINET通讯端口
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SIMATIC ET 200S FC/ SIMATIC ET 200pro FC
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做为SIMATIC ET200系统的组成部分，这两款变频器产品的防护等级分别为IP20 (SIMATIC ET200S FC) 和 IP65 (SIMATIC ET200pro FC)，可提供“高效回馈”技术的全部优势。另外，它们还能够直接集成在分布式自动控制系统内使用。这两款产品不需要任何工具能够直接卡在背板总线上――兼容Simatic ET200系统的I/O装置。
- 完全模块化设计，可使用ET200的全部部件
- 通讯和供电均通过ET200――自身不需要进行专门连接。
- 故障率极低：采用预制布线，可在ET200站工作的同时抽出、插入和更换（热插拔）。
同时具有上述特殊功能：
- STO、SSI和SLS安全功能――不必使用编码器，全世界独一无二。换言之，现在不必在电机上安装编码器，而是通过变频器就能直接实现各种复杂的安全功能。
- Profibus和Profinet通讯端口
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创新“高效回馈”能量再生技术的优势一览
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