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

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

圖 1 描述了自動化機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 機器和流程的運行，以增加新的效率水平 在能源和生產(chǎn)力方面。

圖1.自動化機器控制需要多個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。

有多個控制層決定了電機的效率 以及整個生產(chǎn)過程。第一控制層調(diào)節(jié)功率 逆變器開關(guān)順序，用于控制電機電壓和電流 作為扭矩生產(chǎn)效率的最大化。接下來是位置和速度 高效操作機器的控制器。在工藝設(shè)備中，這 可以在自動化設(shè)備中驅(qū)動最佳泵流量 這可以是一系列速度或位置命令來執(zhí)行 組裝功能。在后一種情況下，速度控制的響應(yīng)時間 對機器控制器來說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 由于多個電機現(xiàn)在通過高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)同步， 也連接到工廠網(wǎng)絡(luò)。流程經(jīng)理可以啟動機器 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)安全功能可實現(xiàn)設(shè)備的高效啟動和停止，從而最大限度地減少停機時間。工廠經(jīng)理跟蹤電機驅(qū)動運行情況 和診斷數(shù)據(jù)，以提高過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。電動機產(chǎn)生扭矩通過 傾向于將其內(nèi)部磁場拉到對齊的力。在 圖2中的交流電機，這些力是通過 定子和轉(zhuǎn)子磁場。交流電機產(chǎn)生恒定扭矩 當(dāng)定子電流與轉(zhuǎn)子運動同步時保持 連續(xù)場錯位。交流電機轉(zhuǎn)速直接關(guān)系 電機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)子定子磁場未對準。電機效率還取決于 電機結(jié)構(gòu)，特別是轉(zhuǎn)子磁場結(jié)構(gòu)。異步中 感應(yīng)電機 （AIM），電流在轉(zhuǎn)子和定子繞組中流動 磁芯磁化時會消耗一些最小定子電流。 永磁同步電機 （PMSM） 效率更高，因為 它們不需要任何電流來磁化轉(zhuǎn)子磁場。超高效率 內(nèi)部永磁 （IPM） 電機產(chǎn)生額外的扭矩 憑借其突出的磁芯結(jié)構(gòu)。

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

上述所有電機均用于工業(yè)，具體取決于功率和 應(yīng)用要求，但異步感應(yīng)電動機是迄今為止 最常見的是其結(jié)構(gòu)簡單和易于使用。永久 磁同步電機具有更高的轉(zhuǎn)矩重量比和 低慣量轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使其非常適合高動態(tài)控制 自動化設(shè)備。但是，AIM可以在連接時啟動 直接連接到三相交流線路，速度可以使用簡單的 變頻器。在今天關(guān)注效率之前，典型的是 將風(fēng)扇、泵或壓縮機電機直接連接到交流線路和控制 該過程使用風(fēng)門、閥門或簡單的開/關(guān)控制。開環(huán) 頻率控制將離心泵的功耗降至最低 以 3% 的速度運行時大于滿功率的 20%，而消耗 50% 的全功率，使用開/關(guān)控制將流量降低到 50%。這 系統(tǒng)效率的這種提高鼓勵工廠運營商 將逆變器改裝到現(xiàn)有的定速電機應(yīng)用中。目前 先進的算法可以調(diào)整定子電壓以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場 并優(yōu)化效率。驅(qū)動器制造商現(xiàn)在提供標(biāo)準驅(qū)動器 可針對各種電機型號和類型配置的盒子。最新的模擬和數(shù)字信號處理設(shè)備使引入 先進的控制，甚至對成本敏感的逆變器應(yīng)用。估計 算法根據(jù)定子電流計算轉(zhuǎn)子磁場的角位置 和單獨的電壓測量。這些無傳感器控制算法可輕松緩解 采用高效的IPM電機，以最大限度地提高工藝效率 壓縮機和輸送機等應(yīng)用。更高功率的應(yīng)用， 如繞線機或大型泵，仍傾向于使用感應(yīng) 電機，但50千瓦電機的典型效率可高達500%。

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

高效的運動控制：精密隔離和 通信

運動控制和通信時序的精確結(jié)合 縮短機器生產(chǎn)周期并減少能耗 消耗來制造每個零件。這在自動化系統(tǒng)中至關(guān)重要 其中機器生產(chǎn)率和質(zhì)量的權(quán)重通常高于 電機的能源效率，因為投入了設(shè)備的資金。 變頻器制造商通過 PMSM 服務(wù)支持自動化應(yīng)用 電機和驅(qū)動器專為快速響應(yīng)和高精度的速度而設(shè)計 和位置控制。與精密電壓耦合的快速控制處理器 驅(qū)動和電流反饋提供平穩(wěn)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制。這 逆變器中的高電壓和電流給 電路設(shè)計者認為隔離電路必須滿足嚴格的電氣要求 安全標(biāo)準。高速磁隔離技術(shù)支持安全 隔離模擬和數(shù)字信號電壓，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 24 位分辨率的位置反饋，使 在低至 1 RPM 的速度下實現(xiàn)高動態(tài)速度控制。此性能 水平儀支持自動化應(yīng)用，如多軸精密銑削 機器零件、精細幾何集成電路的組裝或注塑 手機零件的成型。除了控制精度外，運動定時 的電機需要緊密同步，因為定時誤差會轉(zhuǎn)換 在多軸位置控制中直接進入軌跡誤差。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，支持數(shù)據(jù)實時同步 時鐘抖動低至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)連接的運動控制 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)動公司能夠快速定制控制算法 適用于無需大量試錯投資的最終應(yīng)用 在工廠車間進行調(diào)整。

自動化機器是復(fù)雜的互連系統(tǒng)，需要 多學(xué)科工程團隊的支持。圖 3 僅說明了一些 支持自動化發(fā)展所需的關(guān)鍵設(shè)計功能 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)計師執(zhí)行 整合工作。來自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、運動算法、電機、 和機器負載。專業(yè)的電磁和機械設(shè)計工具 生成交流電機和機器的行為模型，增加 系統(tǒng)模型的準確性。雖然完整的設(shè)計過程不能 完全自動化，可以大大減少原型構(gòu)建的數(shù)量。在構(gòu)建原型之前，可以在仿真平臺上開發(fā)和測試新電機或機器的控制算法。自動代碼 生成工具允許在測試中快速部署控制算法 平臺。每次設(shè)計迭代都會提供新數(shù)據(jù)以提高準確性 的系統(tǒng)模型。自動生成的控制代碼與 經(jīng)過驗證的系統(tǒng)應(yīng)用代碼可用于生產(chǎn)驅(qū)動系統(tǒng)。 因此，驅(qū)動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支持電機驅(qū)動和自動化系統(tǒng)設(shè)計。

結(jié)論

越來越多的工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用需要 精密轉(zhuǎn)換器，用于精確控制和測量各種過程。 此外，這些終端應(yīng)用要求更高的靈活性， 可靠性和功能集，同時降低成本和電路板 面積。組件制造商正在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)并提供 多項產(chǎn)品可滿足系統(tǒng)設(shè)計人員對當(dāng)前的需求 和未來的設(shè)計。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)缺點和好處。由于精度 系統(tǒng)增加，在選擇時需要額外考慮 適合應(yīng)用需求的合適組件。

審核編輯：郭婷