優(yōu)化工廠生產(chǎn)系統(tǒng)能源效率的生態(tài)系統(tǒng)

電機(jī)在工廠中最常見(jiàn)的用途是泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)、 以及大多數(shù)電機(jī)的輸送機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)目錄提供 產(chǎn)品。用于小型機(jī)器和電器的小型電機(jī)（0.75 kW以下） 占全球總存量的90%，但占電機(jī)能量的不到10% 消費(fèi)。但是，中型（0.75 kW 至 350 kW）工業(yè)電機(jī) 占世界電機(jī)能耗的近70%。在一個(gè) 典型應(yīng)用，僅消耗系統(tǒng)50%的電能 轉(zhuǎn)化為有用的機(jī)械能，這引起了人們的注意 世界各地的能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)和工廠運(yùn)營(yíng)商。監(jiān)管 美國(guó)、中國(guó)、歐洲和其他地方的機(jī)構(gòu)已經(jīng)推出了 過(guò)去最低能源績(jī)效標(biāo)準(zhǔn) （MEPS） 年。優(yōu)質(zhì)電機(jī)額定效率水平現(xiàn)在范圍從 80% 到 在最大的電機(jī)中，最低功率范圍為 96%，因此工廠操作員 超越電機(jī)，確保節(jié)能。

圖 1 描述了自動(dòng)化機(jī)器或流程中的主要元素 在現(xiàn)代工廠中找到。此方法提供了一種新的優(yōu)化功能 機(jī)器和流程的運(yùn)行，以增加新的效率水平 在能源和生產(chǎn)力方面。

圖1.自動(dòng)化機(jī)器控制需要多個(gè)反饋控制回路以及電源逆變器、控制和通信電路之間的安全隔離柵。

有多個(gè)控制層決定了電機(jī)的效率 以及整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。第一控制層調(diào)節(jié)功率 逆變器開(kāi)關(guān)順序，用于控制電機(jī)電壓和電流 作為扭矩生產(chǎn)效率的最大化。接下來(lái)是位置和速度 高效操作機(jī)器的控制器。在工藝設(shè)備中，這 可以在自動(dòng)化設(shè)備中驅(qū)動(dòng)最佳泵流量 這可以是一系列速度或位置命令來(lái)執(zhí)行 組裝功能。在后一種情況下，速度控制的響應(yīng)時(shí)間 對(duì)機(jī)器控制器來(lái)說(shuō)可能比扭矩效率更關(guān)鍵 生產(chǎn)。通信和系統(tǒng)層的重要性與日俱增 由于多個(gè)電機(jī)現(xiàn)在通過(guò)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)同步， 也連接到工廠網(wǎng)絡(luò)。流程經(jīng)理可以啟動(dòng)機(jī)器 根據(jù)需要按順序排列，而不是讓它們閑置等待 模式。聯(lián)網(wǎng)安全功能可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效啟動(dòng)和停止，從而最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。工廠經(jīng)理跟蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行情況 和診斷數(shù)據(jù)，以提高過(guò)程能源效率和可靠性。

高效扭矩產(chǎn)生：算法和以太網(wǎng)

電機(jī)效率是每安培產(chǎn)生的扭矩的函數(shù)，在任何 給定速度和終端電壓。電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生扭矩通過(guò) 傾向于將其內(nèi)部磁場(chǎng)拉到對(duì)齊的力。在 圖2中的交流電機(jī)，這些力是通過(guò) 定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。交流電機(jī)產(chǎn)生恒定扭矩 當(dāng)定子電流與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)同步時(shí)保持 連續(xù)場(chǎng)錯(cuò)位。交流電機(jī)轉(zhuǎn)速直接關(guān)系 電機(jī)電流的頻率和速度控制需要變量 頻率電壓源。當(dāng)有 最大轉(zhuǎn)子定子磁場(chǎng)未對(duì)準(zhǔn)。電機(jī)效率還取決于 電機(jī)結(jié)構(gòu)，特別是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。異步中 感應(yīng)電機(jī) （AIM），電流在轉(zhuǎn)子和定子繞組中流動(dòng) 磁芯磁化時(shí)會(huì)消耗一些最小定子電流。 永磁同步電機(jī) （PMSM） 效率更高，因?yàn)?它們不需要任何電流來(lái)磁化轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。超高效率 內(nèi)部永磁 （IPM） 電機(jī)產(chǎn)生額外的扭矩 憑借其突出的磁芯結(jié)構(gòu)。

圖2.永磁同步電機(jī)和AIM電機(jī)具有相似的定子，但轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)卻大不相同。

上述所有電機(jī)均用于工業(yè)，具體取決于功率和 應(yīng)用要求，但異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是迄今為止 最常見(jiàn)的是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于使用。永久 磁同步電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)矩重量比和 低慣量轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使其非常適合高動(dòng)態(tài)控制 自動(dòng)化設(shè)備。但是，AIM可以在連接時(shí)啟動(dòng) 直接連接到三相交流線路，速度可以使用簡(jiǎn)單的 變頻器。在今天關(guān)注效率之前，典型的是 將風(fēng)扇、泵或壓縮機(jī)電機(jī)直接連接到交流線路和控制 該過(guò)程使用風(fēng)門、閥門或簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制。開(kāi)環(huán) 頻率控制將離心泵的功耗降至最低 以 20% 的速度運(yùn)行時(shí)大于滿功率的 50%，而消耗 50% 的全功率，使用開(kāi)/關(guān)控制將流量降低到 50%。這 系統(tǒng)效率的這種提高鼓勵(lì)工廠運(yùn)營(yíng)商 將逆變器改裝到現(xiàn)有的定速電機(jī)應(yīng)用中。目前 先進(jìn)的算法可以調(diào)整定子電壓以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) 并優(yōu)化效率。驅(qū)動(dòng)器制造商現(xiàn)在提供標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器 可針對(duì)各種電機(jī)型號(hào)和類型配置的盒子。最新的模擬和數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備使引入 先進(jìn)的控制，甚至對(duì)成本敏感的逆變器應(yīng)用。估計(jì) 算法根據(jù)定子電流計(jì)算轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的角位置 和單獨(dú)的電壓測(cè)量。這些無(wú)傳感器控制算法可輕松緩解 采用高效的IPM電機(jī)，以最大限度地提高工藝效率 壓縮機(jī)和輸送機(jī)等應(yīng)用。更高功率的應(yīng)用， 如繞線機(jī)或大型泵，仍傾向于使用感應(yīng) 電機(jī)，但500千瓦電機(jī)的典型效率可高達(dá)96%。

這些驅(qū)動(dòng)器通常包括優(yōu)化電機(jī)效率的算法 并監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行狀況。傳統(tǒng)上，這些驅(qū)動(dòng)器具有串行現(xiàn)場(chǎng)總線 允許操作和診斷數(shù)據(jù)由 本地 PLC。一個(gè)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)是將驅(qū)動(dòng)器連接到工廠網(wǎng)絡(luò) 使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（如以太網(wǎng)/IP 或 Modbus TCP） 通過(guò)協(xié)調(diào)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行來(lái)提高效率

高效的運(yùn)動(dòng)控制：精密隔離和 通信

運(yùn)動(dòng)控制和通信時(shí)序的精確結(jié)合 縮短機(jī)器生產(chǎn)周期并減少能耗 消耗來(lái)制造每個(gè)零件。這在自動(dòng)化系統(tǒng)中至關(guān)重要 其中機(jī)器生產(chǎn)率和質(zhì)量的權(quán)重通常高于 電機(jī)的能源效率，因?yàn)橥度肓嗽O(shè)備的資金。 變頻器制造商通過(guò) PMSM 服務(wù)支持自動(dòng)化應(yīng)用 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器專為快速響應(yīng)和高精度的速度而設(shè)計(jì) 和位置控制。與精密電壓耦合的快速控制處理器 驅(qū)動(dòng)和電流反饋提供平穩(wěn)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制。這 逆變器中的高電壓和電流給 電路設(shè)計(jì)者認(rèn)為隔離電路必須滿足嚴(yán)格的電氣要求 安全標(biāo)準(zhǔn)。高速磁隔離技術(shù)支持安全 隔離模擬和數(shù)字信號(hào)電壓，而不影響速度或 精度。編碼器中嵌入的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器 位置提供高達(dá) 24 位分辨率的位置反饋，使 在低至 1 RPM 的速度下實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)速度控制。此性能 水平儀支持自動(dòng)化應(yīng)用，如多軸精密銑削 機(jī)器零件、精細(xì)幾何集成電路的組裝或注塑 手機(jī)零件的成型。除了控制精度外，運(yùn)動(dòng)定時(shí) 的電機(jī)需要緊密同步，因?yàn)槎〞r(shí)誤差會(huì)轉(zhuǎn)換 在多軸位置控制中直接進(jìn)入軌跡誤差。同步 工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如PROFINET和EtherCat使用修改 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步 時(shí)鐘抖動(dòng)低至1 μs。這些網(wǎng)絡(luò)接口支持同步 提高生產(chǎn)效率和工廠網(wǎng)絡(luò)連接的運(yùn)動(dòng)控制 用于生產(chǎn)系統(tǒng)管理。

工程效率：快速定制

建模工具使驅(qū)動(dòng)公司能夠快速定制控制算法 適用于無(wú)需大量試錯(cuò)投資的最終應(yīng)用 在工廠車間進(jìn)行調(diào)整。

自動(dòng)化機(jī)器是復(fù)雜的互連系統(tǒng)，需要 多學(xué)科工程團(tuán)隊(duì)的支持。圖 3 僅說(shuō)明了一些 支持自動(dòng)化發(fā)展所需的關(guān)鍵設(shè)計(jì)功能 設(shè)備。通常，這些工程師中的許多人在不同的公司工作 因此，鏈條中的各種供應(yīng)商必須支持設(shè)計(jì)師執(zhí)行 整合工作。來(lái)自MathWorks等公司的建模工具支持 完整的系統(tǒng)模型，包括狀態(tài)控制、運(yùn)動(dòng)算法、電機(jī)、 和機(jī)器負(fù)載。專業(yè)的電磁和機(jī)械設(shè)計(jì)工具 生成交流電機(jī)和機(jī)器的行為模型，增加 系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。雖然完整的設(shè)計(jì)過(guò)程不能 完全自動(dòng)化，可以大大減少原型構(gòu)建的數(shù)量。在構(gòu)建原型之前，可以在仿真平臺(tái)上開(kāi)發(fā)和測(cè)試新電機(jī)或機(jī)器的控制算法。自動(dòng)代碼 生成工具允許在測(cè)試中快速部署控制算法 平臺(tái)。每次設(shè)計(jì)迭代都會(huì)提供新數(shù)據(jù)以提高準(zhǔn)確性 的系統(tǒng)模型。自動(dòng)生成的控制代碼與 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的系統(tǒng)應(yīng)用代碼可用于生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 因此，驅(qū)動(dòng)公司可以快速部署優(yōu)化的新控制功能 用于優(yōu)化能源效率和自動(dòng)化的特定應(yīng)用 生產(chǎn)力。

圖3.需要各種各樣的工程工具來(lái)支持電機(jī)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

越來(lái)越多的工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用需要 精密轉(zhuǎn)換器，用于精確控制和測(cè)量各種過(guò)程。 此外，這些終端應(yīng)用要求更高的靈活性， 可靠性和功能集，同時(shí)降低成本和電路板 面積。組件制造商正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并提供 多項(xiàng)產(chǎn)品可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)當(dāng)前的需求 和未來(lái)的設(shè)計(jì)。從這篇文章中可以看出，有很多不同的 為精密應(yīng)用選擇合適的組件的方法，每種 提供自己的相關(guān)缺點(diǎn)和好處。由于精度 系統(tǒng)增加，在選擇時(shí)需要額外考慮 適合應(yīng)用需求的合適組件。

審核編輯：郭婷