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上海伊謄實業(yè)有限責任公司
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節(jié)能:每年能夠節(jié)約上萬億度電的電機/控制技術
2017-10-9 閱讀(164)
目前，電氣設備與控制系統(tǒng)的設計者同時面臨著大量苛刻的設計目標。此外，他們的設計方案還必須采用環(huán)保的方式，以符合多項節(jié)能政策的要求。
在美國，各項節(jié)能政策是由美國能源部(DOE)、美國環(huán)保署(EPA)和加利福尼亞洲推出的――加州作為*十二大電量消費者，在過去十多年內(nèi)始終將自己定位為美國節(jié)能減排方面的*。加州能源委員會(CEC)推出了多項嚴格的立法，大力推廣節(jié)能減排的*技術。他們超前的節(jié)能政策常常成為整個美國節(jié)能政策的樣板。
雖然這些政策和強制措施看起來往往妨礙了產(chǎn)品的設計與推出，但是它們對于推動相關的技術革新是必要的催化劑，而這些技術革新將有助于保持的健康與能源供應。政府部門始終致力于減少溫室氣體的排放，減少新增發(fā)電裝置的需求，保持足夠的電力供應。實現(xiàn)這些目標zui有效、zui及時的方法就是提高常用家用產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品的運行效率。
根據(jù)美國的能源政策和環(huán)保法令，以及歐盟的能源標識指令92/75/EEC，產(chǎn)品銷售商和消費者很容易對比各種設備的電氣效率，以及其他一些資源的使用情況，例如天然氣和水。這種能源標識能夠表明一種設備在正常使用方式下將會消耗多少能源。符合EPA能源之星標準的設備相比標準模式能夠節(jié)省10%～66%的能源和/或水資源。DOE認為，符合能源之星要求的設備每年能夠節(jié)能20%～30%。
圖1給出了美國家庭每年電能消耗的分布情況。在產(chǎn)生的總能耗中大約有57%用于驅(qū)動電動機。在美國，電動機的能耗占總電能消耗的20%。
一般的美國家庭每年大約消耗1.1萬度的電量，花掉1000美元。其中有很大一部分電能用于HVAC系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機、井泵、洗衣機等設備――每年總共約耗電1000億度。對于這一耗電水平，如果將電機效率僅僅提高5%，那么就會節(jié)省可觀的電量。
多年來，交流感應電機(ACIM)一直是大部分家用、商用和工業(yè)應用的主要設備，每臺的平均功率只有幾個馬力。它制造便宜，維護成本低，可靠性好，得到了性的普及，在所有已安裝的電機中有90%是感應式電機。
隨著新型電機技術的出現(xiàn)，工程師們有了更多的選擇――雖然這種新型電機還并沒有普及。這些新型電機包括無刷直流電機(BLDC)、開關磁阻式電機(SR)以及固定式ACIM電機。盡管其中很多電機結(jié)構已經(jīng)推出了十幾年，但是現(xiàn)在我們?nèi)钥梢圆捎靡恍┑目刂萍夹g發(fā)掘這些電機zui大的潛能。 大多數(shù)ACIM在75%～90%的額定負載下能夠發(fā)揮zui高的效率。對于通常僅使用電機峰值負載的一小部分的應用而言，通過在電機負載范圍內(nèi)優(yōu)化效率，每年在節(jié)能方面降低的成本大約相當于該電機/控制器購買價格的一半。據(jù)DOE估計，有44%的工業(yè)用電機的工作負載始終低于其額定負載的40%。目前的智能可變速驅(qū)動(vafiable-speed drives，VSD)技術能夠根據(jù)應用的需求，只在需要的時候提供zui大扭矩或速度。
在設計VSD時，我們必須慎重處理，以防止電機控制器產(chǎn)生不必要的能量損耗，引起較多的熱量散失到電機散熱器、外殼和附近的電路中，從而導致電機的使用成本增加、尺寸增大、壽命縮短。VSD的zui大損耗來源于驅(qū)動電機繞組的開關以及恢復二極管，在開關關閉后，恢復二極管在短暫時間內(nèi)將會產(chǎn)生相電流。
三相ACIM和BLDC驅(qū)動器需要6個IGBT或MOSFET驅(qū)動三個電機相位。而對于SR驅(qū)動器，根據(jù)所使用的相位數(shù)，zui少只需2個IGBT和二極管。
大多數(shù)線電壓控制器都是基于IGBT而不是MOSFET的，因為IGBT在較高的工作溫度下具有更好的傳導性能。在較低的電壓下，MOSFET是器件。在開關開啟的狀態(tài)下，傳導損耗主要是直流損耗。在開關開啟和關閉的過程中都會產(chǎn)生開關損耗，其大小與開關頻率成正比。
對于標稱VGE約為15V的驅(qū)動器，設計者只能通過提供適當?shù)臇烹妷簛砀纳苽鲗p耗。通過選擇采用NPT或場截止技術(Field-Stop technology)以減少開關開啟或關閉損耗的IGBT模塊，降低開關頻率，和/或選擇合適的驅(qū)動器和電阻以優(yōu)化IGBT的柵極驅(qū)動，我們可以減少開關損耗。
優(yōu)化柵極驅(qū)動的難點在于需要同時滿足兩個優(yōu)化目標――盡可能降低開關損耗，同時控制EMI。在集成式電機～控制器模塊中，這一優(yōu)化設計是固定的，是模塊的一種*性特征。半導體公司在技術研發(fā)過程中已經(jīng)投入了大量的精力，確保電氣設備和工業(yè)機械的制造商只需zui小的研發(fā)成本就能夠?qū)崿F(xiàn)的電子控制解決方案，同時大大縮短產(chǎn)品的上市時間。飛兆半導體公司推出的智能電源模塊(Smart PowerModule，SPM)就是這樣一個高性價比的例子，它效率高，具有EMI優(yōu)化的驅(qū)動器、二極管和過流保護功能。圖2給出了一種驅(qū)動器的簡化線路圖。
可變頻驅(qū)動器(VFD)是zui簡單zui常見的三相ACIM。這類控制器每千瓦的成本只有幾十美元，已經(jīng)開始應用于原先電機驅(qū)動器成效比較低的一些應用領域。
采用面向磁場的控制(Field―oriented control，F(xiàn)OC)算法可以使VFD控制電機的定子磁場，使得定子磁場總是比轉(zhuǎn)子磁場超前90。，從而實現(xiàn)的磁位形。磁通矢量是這種算法的另外一種叫法。通過使用具有交流感應電機的VSD，泵類和通風設備的驅(qū)動器每年可節(jié)省多達50%的能耗。采用VSD之后，我們不必再使用機械式齒輪、皮帶輪、傳動帶之類的硬件設備了。
BLDC控制器具有梯形調(diào)制和的正弦調(diào)制兩種調(diào)制方法。無傳感器算法通過測量導通相位之間未激勵電機繞組上的反電動勢來近似估計轉(zhuǎn)子的位置，采用這種技術之后，我們就不需要原本為電子換向控制而解析轉(zhuǎn)子方位的磁場霍爾傳感器了。這類器件的普及將會降低無刷電機的成本。
開關磁阻電機具有的起動扭矩和很高的可靠性，制造方法甚至比ACIM還要簡單。但是，由于人們對這種電機技術普遍缺乏了解，導致了對它的誤用，使用范圍較小。
很多現(xiàn)有的SR系統(tǒng)具有過多的扭矩脈動，不適合于家庭或工業(yè)應用。目前出現(xiàn)的無傳感器控制技術和的電源模塊將使得電機的性價比更加出色。
雖然VSD技術能夠簡化機械系統(tǒng)，增強系統(tǒng)的可靠性和*性，但是在過去傳統(tǒng)驅(qū)動器的某些特征使得它們無法成為固定速度應用的有效解決方案。目前，的控制算法與具有水平的電子產(chǎn)品相結(jié)合，能夠克服大部分問題。例如，直接扭矩控制算法由于對負載的動態(tài)變化具有更好的響應特性并且具有更高的低速性能，因此采用這種算法的AClM能夠執(zhí)行原來只能在有刷直流電機中實現(xiàn)的任務。近來，ACIM及其控制器的成本已經(jīng)逐漸接近簡單的有刷直流電機與控制器的成本。
