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本文图片来源：ABB
一些关键趋势正在影响变频器与电机的未来发展：
· 全球能源成本与消耗上升：市场对更高效系统的需求日益增长，这意味着必须对整个动力传动系统进行评估，而非系统中的单一部件。
· 提高可持续性：对可持续发展的追求持续升温，但需要认识到可持续性是个宽泛的概念，对不同的企业有不同的含义，具体取决于其所处的状态和目标。
· 劳动力结构变化：婴儿潮一代工程师的退休，正由新一代工程师填补空缺，但后者尚未完全掌握资深工程师的专业知识与经验。这可能会带来挑战，因为经验较少的工程师需要确保在设计中，充分融入终端用户所看重的特性与功能。
新趋势如何影响变频器和电机？
近百年来，感应电机一直是工业、暖通空调（HVAC）、制冷和水处理领域的主力设备，其效率可能已接近极限。最高效的感应电机具备NEMA超特级或IE4能效等级。这意味着，行业需要对新的创新电机技术进行评估，并将其部署到实际场景中。
过去十年间，电机技术已突破感应电机的效率水平，其中许多新设计需要变频器才能运行，即使不需要速度控制或软启动。这意味着，传统的基于接触器的旁路方案已不再可行。旁路是变频器故障时的临时应急备份，允许感应电机直接跨线运行。但新型电机设计无法以此模式工作，因此需采用替代方案来提升设备的运行时间。
能维持设备运行时间的非旁路解决方案有哪些？答案因应用而异，对于泵和风机应用，通常选项包括冗余驱动包或N+1系统。由于越来越多的电机技术无法跨线运行，这些替代方案将变得更加普遍。
冗余驱动包是在一个机柜内装有两台变频器：一台用于主用泵或风机，另一台作为备用变频器。两个变频器共享控制信号（启/停、速度参考、安全信号等），确保备用变频器具有完全相同的速度控制功能。
N+1系统包括额外的系统容量，以容纳单个设备故障，通常通过添加额外的泵或风机来实现。“N”代表实现流量所需的设备数量（即泵或风机的数量），而 “+1”是系统中设计的备用设备。
例如，一个通常仅需两台泵的系统——无论是高层建筑地下室的增压泵还是冷却工艺中的冷冻水泵——若设计为三台泵，每台泵配备独立变频器，即构成N+1系统。第三台泵是备用装置，在系统中任意一台变频器、电机或泵出现故障时启动。控制策略通常采用主泵轮换机制，平衡三台泵的运行时间并使其磨损程度均匀。
在电机未来的发展中，可持续性至关重要控制工程网版权所有，与效率相辅相成，且对电机设计的影响日益显著，尤其是稀土永磁体电机。尽管永磁（PM）电机效率更高，但稀土磁体因开采过程会破坏环境，并且回收能力有限，会带来显著的环境问题。
从生命周期的可持续性角度来看，因为较高的环境成本和回收局限性，稀土磁体并非理想选择。随着高效稀土永磁电机的普及，这些弊端正推动电机设计创新，转向无磁体设计或使用更环保的标准铁氧体磁体。同步磁阻电机和铁氧体辅助同步磁阻电机，就是两种日益普及的电机技术。
▲电机能效的五个层级
变频器与电机：分立式还是集成式？
另一个值得关注的趋势是：变频器是维持与电机独立的分立组件，还是走向集成化。两种解决方案各有利弊，现在判断哪些行业和应用将采用何种封装方法还为时尚早。若想更好地理解集成方案的潜在采用率，HVAC领域的风扇阵列是值得关注的市场和应用场景。风扇阵列可以配备分立式的变频器与电机，也可以采用电子换向电机（ECM）等集成方案。
ECM将速度控制模块直接集成于电机内部CONTROL ENGINEERING China版权所有，虽未使用传统的变频器，但其内置的电子调速器与变频器原理相似。本文以配备风扇阵列的空气处理机组（AHU）为例，对比分立式与集成式方案在HVAC风扇阵列应用中的各项优缺点，可类推至其它行业与应用场景。
在探讨未来之前，我们先结合效率、可持续性、工程人才结构变化等前述趋势，梳理风机阵列现有的分立变频器与电机解决方案，再以此为基准对比集成方案。
考虑到全球能源成本和使用情况，应当重点关注系统的整体效率，而不仅仅是单个部件。分立式解决方案允许独立选择变频器、电机技术和风扇设计。这使空气处理机组设计工程师可以灵活的选择：
· 针对该特定应用的、最高效的风扇设计。
· 基于风扇阵列规模的、最高效的电机技术。例如，是采用6台15马力电机的风扇阵列，还是18台5马力电机的风扇阵列？某些高效电机技术仅适用于特定容量，如最高20马力。在考虑整体AHU设计时，设计人员需要牢记这些因素。
· 风扇和电机的机械安装特性。提供皮带驱动或直接驱动选项，电机和变频器的安装不会显著影响气流。
根据不同的情况，可持续性具有多种含义。可持续性还与设备或工艺的正常运行时间相关——如果设备因组件故障和交货时间长而停机，它真的可持续吗？分立式组件的即插即用特性允许设计工程师为变频器、电机和风扇选择不同的供应商。由于分立式电机具有行业标准安装模式，如果某个供应商出现交货期延长、价格大幅上涨、质量问题增加或支持不足等情况www.cechina.cn，工程师可以选择第二或第三家供应商，或转向其它变频器供应商。
如果设施的变频器或电机发生故障，且管理人员对更换选项的支持服务、质量、价格或交货期不满意，则可采购其它品牌的替换部件，因为分立式组件采用行业标准接口。
现在，我们考察同一空气处理机组的风扇阵列应用，但采用集成式ECM解决方案的情况。这会是未来趋势吗？ECM可与风扇集成，意味着速度控制电子装置（相当于变频器）、电机和风扇作为单一组件，从单一供应商处采购。一些趋势正推动ECM在当前及未来的AHU风扇阵列设计中的采用。
第一个影响趋势是效率。基于ECM的解决方案比许多使用IE3（高效）能效等级感应电机的原有设计效率更高。
另一个因素是工程师人员结构的变化。一些年轻工程师发现，作为一体化组件的ECM解决方案，（其中风扇、电机和速度控制电子设备作为一体化组件提供）简化了系统的设计。一些设施管理人员也有同感：如果ECM发生故障，无需排查问题出在电机还是速度控制电子装置上，因为更换组件时两者会一并更换。这些趋势使 AHU 风扇阵列成为在商业 HVAC 应用中尝试 ECM 的早期采用者。
基于这些优势，像ECM这样的集成式解决方案显示出在 AHU 风扇阵列应用中的潜力。然而，任何新的或不同的方案都有其优缺点，集成式解决方案也有其弊端。
在电机、风扇和气流效率方面，“导线到空气”的效率考察的是整个系统的效率，其中气流效率是关键组成部分。许多ECM设计将电机和速度控制电子装置集成在气流路径中（直驱设计），这会对气流产生影响，可能降低系统效率。
此外，空气处理机组设计师被限制于ECM供应商所提供的风扇类型，无法针对特定应用，选择更高效的不同叶片或叶轮类型。仅从电机角度看，ECM比普通感应电机效率更高，但一些分立式的IE5（或更高）电机设计，比ECM效率更高效。
在供应商选择的灵活性方面，许多集成ECM的风机采用独特的安装模式或控制（Modbus）接口。这意味着一旦选定特定ECMwww.cechina.cn，在未来更换时必须采用同一型号，锁定单一供应商或设计后，灵活性大幅受限。假设某设施中四风机阵列中的两台ECM出现故障，管理人员需要进行处理，此时其更换周期、服务质量和价格完全依赖于ECM供应商。
在可持续性方面www.cechina.cn，与前面提到的分立式永磁电机一样，许多ECM的设计都使用稀土磁铁。当ECM出现故障时，比如电机的轴承损坏或者调速器中的电容器失效，人们需要考虑由此产生的后果。即便只是一个小型部件出现故障，整个ECM组件（包括调速器、电机和风扇）都会报废。与通常使用寿命更长的分立式电机不同，大多数ECM的设计是不可分拆维修的。更换时需要生产一个新的ECM组件。仅仅因为一个无法维修的轴承，就丢弃功能完好的风扇和调速器，还需要生产新的ECM组件，这与可持续发展的目标相矛盾。
综上所述，变频器和电机的未来趋势将受到很多因素的综合影响。新的创新电机技术仍将持续发展，但行业对诸如ECM这类集成解决方案的接受程度仍有待观察。
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