廠商在電機(jī)以外尋求節(jié)能手段 注重合適元件的選擇

國際能源報(bào)告顯示，2006年電子電機(jī)的能耗為全球電能消耗總量的46%，相當(dāng)于6040 Mt CO2排放量1。這導(dǎo)致人們要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)器制造商新增高級(jí)控制功能和工具，以便優(yōu)化系統(tǒng)能效。在工廠生產(chǎn)系統(tǒng)中優(yōu)化能效的新電機(jī)驅(qū)動(dòng)器生態(tài)系統(tǒng)已得到了全球范圍內(nèi)的廣泛認(rèn)可。對(duì)于歐洲來說，得益于節(jié)能政策，工業(yè)電能消耗量呈現(xiàn)出每年1%的下降趨勢2。

工廠中最常用到電機(jī)的地方是電泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)和運(yùn)輸機(jī)，且電機(jī)在這些應(yīng)用中大多屬于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。小型機(jī)器設(shè)備中使用的小型電機(jī)(低于0.75 kW)占全球存量的90%，但電機(jī)能耗不到總量的10%。然而，中等尺寸(0.75 kW至350 kW)的工業(yè)電機(jī)幾乎占全球電機(jī)能耗的70%。在一個(gè)典型應(yīng)用中，僅有50%的系統(tǒng)能耗轉(zhuǎn)換為有用的機(jī)械能，這引起了全球能源法規(guī)制定者和廠商的重視。過去幾年來，美國、中國、歐洲和其他地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)引入了最低能耗性能標(biāo)準(zhǔn)(MEPS)。優(yōu)質(zhì)電機(jī)的額定能效等級(jí)現(xiàn)在可從最低功耗范圍時(shí)的80%到最高時(shí)的96%，因此廠商開始在電機(jī)以外尋求節(jié)能手段。

圖1. 自動(dòng)化機(jī)器控制要求在功率逆變器、控制和通信電路之間使用多個(gè)反饋控制環(huán)路和安全隔離柵。

圖1描述了現(xiàn)代工廠中自動(dòng)化機(jī)器或過程的主要元素。這種方式提供了優(yōu)化機(jī)器運(yùn)行和過程的全新思路，將能效和生產(chǎn)率提升到新的高度。

電機(jī)的效率和總體生產(chǎn)過程由多個(gè)控制層決定。第一個(gè)控制層調(diào)節(jié)功率逆變器的開關(guān)順序，控制電機(jī)電壓和電流以及最大扭矩生產(chǎn)率。第二層是位置和速度控制器，高效率運(yùn)作機(jī)器。在過程設(shè)備中，它可以驅(qū)動(dòng)最優(yōu)泵流速；而在自動(dòng)化設(shè)備中，它可以是執(zhí)行裝配功能的速度或位置命令序列。如果是后一種情況，則速度控制的響應(yīng)時(shí)間相比扭矩生產(chǎn)率而言對(duì)機(jī)器控制器更為重要。通信和系統(tǒng)層的重要性日益凸顯，因?yàn)槎鄠€(gè)電機(jī)現(xiàn)在通過高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)同步，并連接工廠網(wǎng)絡(luò)。過程管理器可在需要的時(shí)候順序開啟機(jī)器，而不是讓它們?cè)诳臻e模式下等待。聯(lián)網(wǎng)安全功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效啟動(dòng)和停止，最大程度縮短停機(jī)時(shí)間。工廠管理人員跟蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的操作，并診斷數(shù)據(jù)，以便改善過程能效和可靠性。

高效扭矩產(chǎn)生： 算法和以太網(wǎng)

電機(jī)效率是任意給定速度和終端電壓下每安培所產(chǎn)生扭矩的函數(shù)。電子電機(jī)通過試圖將其內(nèi)部磁場拉至對(duì)齊位置的力產(chǎn)生扭矩。在圖2交流電機(jī)中，這些力通過定子和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用產(chǎn)生。當(dāng)定子電流與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)同步時(shí)，交流電機(jī)產(chǎn)生恒定的扭矩，維持連續(xù)場的不對(duì)齊狀態(tài)。交流電機(jī)速度與電機(jī)電流頻率直接相關(guān)，且需要使用可變頻率電壓源才能進(jìn)行速度控制。當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁場對(duì)齊誤差達(dá)到最大時(shí)，效率最高。電機(jī)效率還取決于電機(jī)結(jié)構(gòu)，尤其是轉(zhuǎn)子磁場結(jié)構(gòu)。在異步感應(yīng)電機(jī)中(AIM)，電流流過轉(zhuǎn)子和定子繞組，部分最小定子電流消耗在使磁芯磁化上。永磁同步電機(jī)(PMSM)效率更高，因?yàn)樗鼈儫o需任何電流來使轉(zhuǎn)子磁場磁化。借助于突出的磁芯結(jié)構(gòu)，超高效率內(nèi)部永磁(IPM)電機(jī)能夠產(chǎn)生額外的扭矩。

圖2. PMSM和AIM電機(jī)具有相似的定子場結(jié)構(gòu)，但轉(zhuǎn)子場結(jié)構(gòu)極為不同。

以上所有電機(jī)都用于工業(yè)中，具體取決于功率和應(yīng)用要求，但由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，異步感應(yīng)電機(jī)是目前為止最常用的電機(jī)。永磁同步電機(jī)具有較高的扭矩重量比，其低慣性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使其非常適合自動(dòng)設(shè)備的高動(dòng)態(tài)控制應(yīng)用。然而，AIM可在直接連接三相交流線的時(shí)候啟動(dòng)，并且可以使用簡單頻率逆變器控制速度。以前不像現(xiàn)在那么重視效率，一般是直接把風(fēng)扇、泵或壓縮機(jī)連接到交流線上，并通過阻尼器、閥門或簡單的開/關(guān)控制這個(gè)過程。以50%速度運(yùn)行時(shí)，開環(huán)頻率控制可將離心泵的功耗降低至不足全功率的20%；而使用開/關(guān)控制使流速下降到50%時(shí)，功耗為全功率的50%。這種系統(tǒng)效率提升促使廠商改造現(xiàn)有固定速度電機(jī)應(yīng)用的變頻器。近來，高級(jí)算法可以通過微調(diào)定子電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場，進(jìn)而優(yōu)化效率。驅(qū)動(dòng)器制造商現(xiàn)已開始提供標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)箱，可配置為各種電機(jī)型號(hào)與類型。

最新的模擬和數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備甚至在成本敏感型變頻器應(yīng)用中引入了高級(jí)控制功能。估算算法僅測量定子電流和電壓便可計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁場的角位置。這些無傳感器控制算法簡化了高效率IPM電機(jī)的部署，并最大程度提升壓縮機(jī)和運(yùn)輸機(jī)等應(yīng)用的處理效率。諸如繞組機(jī)器或大型泵等較高功耗應(yīng)用依然傾向于采用感應(yīng)電機(jī)，但500 kW電機(jī)的典型效率可高達(dá)96%。這些驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的算法通常可以優(yōu)化電機(jī)效率，并監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器的工作情況。一般而言，這些驅(qū)動(dòng)器采用串行現(xiàn)場總線連接，允許本地PLC記錄運(yùn)行和診斷數(shù)據(jù)。一個(gè)不斷增長的趨勢是使用諸如Ethernet/IP或Modbus TCP等工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議將驅(qū)動(dòng)器連接到工廠網(wǎng)絡(luò)中，以便通過協(xié)調(diào)多個(gè)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行而改善效率。

高效運(yùn)動(dòng)控制： 精確隔離和通信

精確運(yùn)動(dòng)控制加上精確通信時(shí)序，可縮短機(jī)器生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)每個(gè)部件所消耗的能源。由于設(shè)備的資本投入，這一點(diǎn)在機(jī)器生產(chǎn)率和質(zhì)量通常比電機(jī)能效更重要的自動(dòng)化系統(tǒng)中很重要。驅(qū)動(dòng)器制造商通過PMSM伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器支持自動(dòng)化應(yīng)用；這些電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為可在速度和位置控制中實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和高精度?？焖倏刂铺幚砥髋浜暇_電壓驅(qū)動(dòng)器和電流反饋，可提供平滑的動(dòng)態(tài)扭矩控制。功率變頻器中的高電壓和電流對(duì)電路設(shè)計(jì)人員來說是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)楦綦x電路必須滿足嚴(yán)格的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。高速磁隔離技術(shù)支持模擬和數(shù)字信號(hào)電壓的安全隔離，且不會(huì)降低速度或精度性能。編碼器處內(nèi)置的精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)24位分辨率的位置反饋，從而在低至1 RPM的速度下實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)速度控制。這種性能水平可支持的自動(dòng)化應(yīng)用有：精密機(jī)器部件的多軸銑磨、精細(xì)幾何集成電路的裝配，或手機(jī)部件的注塑成型。除了控制精度，電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)序還需緊密同步，因?yàn)闀r(shí)序誤差直接導(dǎo)致多軸位置控制的軌跡誤差。諸如PROFINET和EtherCat等同步工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議采用經(jīng)過修改的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步，且時(shí)鐘抖動(dòng)低至1 μs。這些網(wǎng)絡(luò)接口支持全部兩種同步運(yùn)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)管理的高生產(chǎn)率和工廠網(wǎng)絡(luò)連接性。工程效率：快速定制建模工具可讓驅(qū)動(dòng)器公司為最終應(yīng)用快速定制控制算法，無需在工廠中投入大量試生產(chǎn)和誤差調(diào)諧。

自動(dòng)化機(jī)器是復(fù)雜的互連系統(tǒng)，需要跨學(xué)科工程團(tuán)隊(duì)的支持。圖3僅顯示支持開發(fā)自動(dòng)化設(shè)備開發(fā)所需的部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)功能。一般而言，很多這類工程師供職于不同的公司，因此供應(yīng)鏈上的不同供應(yīng)商必須為設(shè)計(jì)人員的整合工作提供支持。MathWorks等公司提供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。特殊的電磁和機(jī)械設(shè)計(jì)工具可以生成交流電機(jī)和機(jī)器的行為模型，增加系統(tǒng)模型的精度。雖然無法完全自動(dòng)化整個(gè)設(shè)計(jì)過程，但可以大幅減少原型制作次數(shù)。新電機(jī)或機(jī)器的控制算法可在進(jìn)行原型制作前于仿真平臺(tái)上完成開發(fā)和測試。自動(dòng)代碼生成工具允許在測試平臺(tái)上快速部署控制算法。每一次設(shè)計(jì)迭代都提供新的數(shù)據(jù)，改進(jìn)系統(tǒng)模型的精度。自動(dòng)生成的控制代碼加上經(jīng)過驗(yàn)證的系統(tǒng)應(yīng)用代碼，可以用于生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中。因此，驅(qū)動(dòng)器公司可快速部署針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化的新控制功能，進(jìn)而優(yōu)化能效和自動(dòng)化生產(chǎn)率。

圖3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要用到多種工程工具。

結(jié)論

越來越多的工業(yè)和儀表應(yīng)用要求使用精密轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)各種工藝的精確控制與測量。此外，這些最終應(yīng)用還要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時(shí)降低成本和電路板面積。元件制造商正在解決這些難題，并推出了一系列產(chǎn)品來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)當(dāng)前與未來設(shè)計(jì)的要求。如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應(yīng)用，每一種都各有優(yōu)缺點(diǎn)。隨著系統(tǒng)精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿足應(yīng)用要求。