当今世界正不断提速，对电机速度的要求也日益提高。从污水处理到数据中心，全球各行各业都在升级以应对严峻挑战和不断增长的需求。原始设备制造商(OEM)正通过技术升级来响应，为工业客户提供其所需的、能助其实现规模扩展的高效性能。因此，我们看到新一代高速工业应用正在兴起——其定义为电机频率达到120赫兹(Hz)及以上。本文将解释为何此类应用需要专用的变频驱动器(VSD)。

新的可能性

高速电机开辟了新的可能性：为更大型建筑和更先进数据中心提供高效冷却;对废水进行更快速、更彻底的曝气和清洁。同时，完成与传统电机相同的工作，能耗却显著降低。

然而，与任何新兴技术一样，高速应用也带来了新的挑战。更高的速度也意味着电机、部件及周边设备承受的压力更大。在这些应用所支持的大规模设施和流程中，无论是计划内还是计划外的维护或修理所造成的停机，影响都可能是巨大的。在大型食品饮料冷藏领域，停机可能意味着大量食物变质浪费。在数据中心冷却系统中，停机可能降低计算速度或导致数据丢失。在办公和住宅楼宇中，空调系统一旦停摆，住户的不满情绪很快就会升温。

挑战之一是，较传统的工业电机已形成的标准化，尚未在高速应用领域实现。这使得OEM对驱动装置的选择对应用的成功至关重要。一个好的高速驱动装置必须足够灵活，能够控制多种独特的高速电机设计，同时持续为这些强大机器提供足够的电流。而对于加入高速革命的OEM来说，这并非唯一需要考虑的因素。

先进技术带来新的复杂性

ABB对高速应用的定义是电机频率超过120Hz。超过此限值，高速驱动装置就需要比通常更高的开关频率。变频驱动器通过发送电压脉冲来控制电机。开关频率(SwF)决定了脉冲的长度。

每个脉冲都微调输出频率，以匹配期望的模式;因此，虽然输出电压遵循数字锯齿波模式，但输出频率却类似于由更传统的定速驱动装置所产生的平滑模拟正弦波。

用于电机控制的SwF，就如同图像质量的分辨率。SwF越高，驱动装置就能越紧密、越精确地控制输出频率，使其每时每刻都趋近于期望的平滑正弦波。

最新的高速驱动装置可以实现高达18千赫兹(KHz)的SwF——甚至更高，尽管大多数仍需要单独的正弦滤波器来进一步平滑输出频率。

但更高的SwF也带来了一些挑战。这是因为高SwF可能导致高总谐波失真(THD)，从而加剧过热问题，这又必然导致输出电流需要降额使用。在许多高速应用中，甚至在考虑驱动装置的供电方式之前，过热就已经是一个问题。工业热泵和冷却压缩机本身就在高温下运行，任何部件在高速运转时都会产生一定热量。

THD量化了信号中存在的谐波失真量。谐波失真指的是信号中存在其基频倍数的频率，THD以基频功率的百分比表示。简而言之，THD表明由于存在不需要的谐波频率，信号与完美正弦波的偏离程度。较低的THD值通常表示信号更纯净、失真更小，而较高的THD值则表示失真更大。

为了减少产生的热量，大多数高速应用还采用空气轴承或磁悬浮轴承来减少摩擦。但需要注意的是，对于磁悬浮轴承，温度超过80°C时磁化强度开始下降，如果温度达到160°C或更高，转子可能退磁，导致电机故障并造成昂贵的停机。

因此，为了防止损坏，大多数高速应用都规定了驱动装置必须降低输出以冷却电机的温度范围。但在输出电流降额生效的任何时间段，应用都无法以峰值效率运行。

此外还有电磁兼容性(EMC)问题：这对欧盟的法规遵从性至关重要，但在其他地区却常被忽视，政府和监管机构往往将其视为次要问题。

许多工业应用需要EMC滤波器来减少驱动装置与主电源之间电磁噪声的传递。没有EMC滤波器，电磁干扰可能以灯光闪烁等形式干扰附近其他企业，甚至可能干扰当地的无线电广播。

高速应用因其更高的SwF和电机频率，需要不同类型的外部滤波器来保护本地电网。诸如电机正弦滤波器和线路EMC滤波器之类的滤波器通常是独立的附加设备，它们需要安装空间和专业维护知识，并可能为整个系统增加新的故障点。

自该技术开始兴起以来，一些OEM可能因为这些考虑而决定不涉足高速应用。但高速驱动技术的进步，包括ABB的ACS880高速驱动装置，加上行业面临的新需求和新挑战，使得现在是重新评估高速应用潜力的绝佳时机。

关键行业的涡轮增压式效率提升

传统的工业鼓风机和压缩机使用无油螺杆来加速空气流动。无油螺杆机械结构复杂，需要定期维护，其轴承(尽管名为"无油"，但仍需油润滑)可能需要额外的冷却。

得益于高速电机和驱动装置的进步，许多传统上使用无油螺杆的应用现在可以升级为更优的叶轮式设计。叶轮可以直接安装在电机轴上，活动部件少得多，因此需要的维护相对较少，使用寿命更长，并且无需油基润滑。空气动力学叶轮移动空气的效率也高于传统螺杆。高速电机和叶轮是新一代涡轮鼓风机和涡轮压缩机的核心，这些设备正助力一系列行业向前发展。

涡轮鼓风机主要用于水的曝气。这一过程是污水处理中最耗能的部分，占工厂总能耗的50%。与罗茨或螺杆压缩机相比，改用高速应用可使污水处理厂的节能高达45%。联合国可持续发展目标之一要求人人享有水和卫生设施。为实现此目标同时又不大幅增加能耗，高速应用对水和废水行业来说势在必行。

涡轮鼓风机的曝气也可通过在水和船体之间注入一层气泡来提高大型海运船舶的燃油效率。这减少了阻力，使集装箱船等类似大小的船舶能够更顺畅地穿行水面，在保持相同航速的同时使用更少的燃料。

同时，涡轮压缩机正在解决供暖、通风、空调和制冷(HVACR)领域的扩展和效率挑战。更大的建筑、更先进的数据中心、全球食品饮料供应链：在不断变暖的气候中，所有这些应用都需要大规模、高效的冷却和制冷，而由涡轮压缩机驱动的离心式冷水机组正在满足这一需求。

在温度尺度的另一端，涡轮压缩机也使热泵技术能够在工业规模上应用，因此区域供热、工业烘炉和化学加工厂都可以转而不再使用燃气加热——从而减少排放并降低受波动的大宗商品价格影响的风险。

下一代高速驱动装置正加速行业进步

但是，那些阻碍部分OEM采用高速应用的挑战又如何呢?

当各行业和政府要在减少能源消耗和排放与满足全球对水、食品、实体商品、数据和计算不断增长的需求之间取得平衡时，任何对提供高速应用(无论是作为传统应用的补充还是替代)仍持谨慎态度的人，都可能落后。但谨慎的OEM可能会感到宽慰，因为高速驱动技术正与高速电机及其应用一同进步。

以ABB的ACS880高速驱动装置为首的下一代专用高速驱动装置，显著提高了效率、易于安装性和使用寿命。ACS880驱动装置最具吸引力的特点或许是它显著降低了对输出电流降额的需求，使OEM及其客户能够获得更优化的解决方案，同时享受高速应用带来的空间和成本节约。

ACS880提供最高SwF可达18KHz(大多数设备可承受的上限)的2相调制，或SwF可达12KHz的3相调制。结合实时监控和复杂的远程电机控制，这些系统使得驱动装置可以校准到以尽可能低的温度运行大多数高速应用，防止导致降额的热量积聚。

这些组合系统提供的灵活性和控制也意味着，安装ACS880的OEM在某些情况下可以省去单独安装的正弦滤波器。而且ACS880内置了EMC滤波器。因此，OEM不必规划三个需要专业安装和维护的独立设备(一个驱动装置、一个正弦滤波器和一个EMC滤波器，各自代表一个独立的潜在停机原因)，而是可以规划一个紧凑、易于安装的单一高速驱动装置。ABB高速驱动装置平均每九年才需要维护一次，因此客户可以长期依赖其高水平的运行时间。

即使在几乎没有相关法规的欧盟以外地区，随着越来越多的高速应用接入电网，EMC也将成为越来越重要的考量因素。

全面测试是成功的关键

由于高速应用的标准化尚需时日，驱动电机控制算法的设计对设备性能至关重要。考虑更换驱动供应商的OEM不能假定相同的设置可以沿用。适用于某种驱动和电机组合的SwF，不一定是新驱动装置使设备发挥最佳性能所需的SwF。在该技术演进的当前阶段，在投入运行并加入高速革命之前，最好还是对高速应用和驱动装置进行全面的联合测试。