 |
上海伊謄實業(yè)有限責(zé)任公司
主營產(chǎn)品： 伊藤發(fā)電機,小型柴油發(fā)電機,汽油發(fā)電機價格 |
節(jié)能:每年能夠節(jié)約上萬億度電的電機/控制技術(shù)
2017-10-9 閱讀(166)
目前，電氣設(shè)備與控制系統(tǒng)的設(shè)計者同時面臨著大量苛刻的設(shè)計目標(biāo)。此外，他們的設(shè)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(yán)格的立法，大力推廣節(jié)能減排的*技術(shù)。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(shè)計與推出，但是它們對于推動相關(guān)的技術(shù)革新是必要的催化劑，而這些技術(shù)革新將有助于保持的健康與能源供應(yīng)。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(yīng)。實現(xiàn)這些目標(biāo)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(biāo)識指令92/75/EEC，產(chǎn)品銷售商和消費者很容易對比各種設(shè)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(biāo)識能夠表明一種設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備相比標(biāo)準(zhǔn)模式能夠節(jié)省10%～66%的能源和/或水資源。DOE認(rèn)為，符合能源之星要求的設(shè)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(shè)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(yīng)電機(ACIM)一直是大部分家用、商用和工業(yè)應(yīng)用的主要設(shè)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(yīng)式電機。
隨著新型電機技術(shù)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(guān)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(gòu)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(shù)發(fā)掘這些電機zui大的潛能。 大多數(shù)ACIM在75%～90%的額定負(fù)載下能夠發(fā)揮zui高的效率。對于通常僅使用電機峰值負(fù)載的一小部分的應(yīng)用而言，通過在電機負(fù)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(dāng)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(fù)載始終低于其額定負(fù)載的40%。目前的智能可變速驅(qū)動(vafiable-speed drives，VSD)技術(shù)能夠根據(jù)應(yīng)用的需求，只在需要的時候提供zui大扭矩或速度。
在設(shè)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(dǎo)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(guān)以及恢復(fù)二極管，在開關(guān)關(guān)閉后，恢復(fù)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(dǎo)性能。在較低的電壓下，MOSFET是器件。在開關(guān)開啟的狀態(tài)下，傳導(dǎo)損耗主要是直流損耗。在開關(guān)開啟和關(guān)閉的過程中都會產(chǎn)生開關(guān)損耗，其大小與開關(guān)頻率成正比。
對于標(biāo)稱VGE約為15V的驅(qū)動器，設(shè)計者只能通過提供適當(dāng)?shù)臇烹妷簛砀纳苽鲗?dǎo)損耗。通過選擇采用NPT或場截止技術(shù)(Field-Stop technology)以減少開關(guān)開啟或關(guān)閉損耗的IGBT模塊，降低開關(guān)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(guān)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(biāo)――盡可能降低開關(guān)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(shè)計是固定的，是模塊的一種*性特征。半導(dǎo)體公司在技術(shù)研發(fā)過程中已經(jīng)投入了大量的精力，確保電氣設(shè)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(dǎo)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(yīng)用于原先電機驅(qū)動器成效比較低的一些應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)電機的VSD，泵類和通風(fēng)設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shù)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(guān)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(shù)普遍缺乏了解，導(dǎo)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(yīng)用。目前出現(xiàn)的無傳感器控制技術(shù)和的電源模塊將使得電機的性價比更加出色。
雖然VSD技術(shù)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(yīng)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(fù)載的動態(tài)變化具有更好的響應(yīng)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(wù)。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。
