工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)如何提高能效？
電機(jī)在未來(lái)仍將廣泛使用。從小型家電到工業(yè)制造，再到重型機(jī)械，電機(jī)功能豐富，幾乎無(wú)所不在。電機(jī)約占全球電力消耗的一半，而且這一比例還在不斷增長(zhǎng)。如今，全球減排力度不斷加大，提升電機(jī)能效顯得愈發(fā)關(guān)鍵。為此就需要開發(fā)先進(jìn)的控制算法，采用新型高效電機(jī)結(jié)構(gòu)，并引入現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)。本文主要介紹系統(tǒng)用途、市場(chǎng)趨勢(shì)、系統(tǒng)描述等。
系統(tǒng)用途
• 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是當(dāng)今全球工業(yè)的支柱，
其能耗約占所有工業(yè)應(yīng)用能耗的近三分之二。
• 相關(guān)法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，市場(chǎng)對(duì)大幅降低工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能耗的需求變得愈加迫切。交流電機(jī)通常可直接由交流電源驅(qū)動(dòng)。然而，為了提高能效和加強(qiáng)控制，通常需要采用變頻驅(qū)動(dòng)。
• 相較于傳統(tǒng)的節(jié)流控制， 采用變頻驅(qū)動(dòng) (VFD) 的工業(yè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能效更高。
安森美 (onsemi)提供各種各樣的 VFD 產(chǎn)品，包括 MOSFET、 IGBT、 二極管、 功率集成模塊 (PIM) 和智能功率模塊 (IPM)。
• 子系統(tǒng)中使用的其他器件和技術(shù)包括：柵極驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)算放大器、 位置傳感器、 溫度傳感器， 以及其他用于控制和感知的器件。
• 借助現(xiàn)代半導(dǎo)體和新型電機(jī)架構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的能效和壽命可得到提升。
• 工業(yè)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域，包括過(guò)程自動(dòng)化、 風(fēng)扇控制、 液體和氣體泵、 機(jī)器人、 物料搬運(yùn)、 機(jī)床、 石油和天然氣工業(yè)等。
市場(chǎng)趨勢(shì)
二氧化碳減排潛能
電機(jī)用途廣泛， 從小家電到重型設(shè)備都有應(yīng)用。多個(gè)信息來(lái)源表明，全球大約一半的電力被電機(jī)驅(qū)動(dòng)器消耗。工業(yè)應(yīng)用消耗的電力占到世界總發(fā)電量的近三分之一。工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化程度加速提高，工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)量預(yù)計(jì)仍將持續(xù)增加。如今，可持續(xù)發(fā)展和能效逐漸成為熱門話題。因此，更新現(xiàn)有方案和新部署的系統(tǒng)以盡可能提高能效至關(guān)重要。
預(yù)計(jì) 2024 年至 2029 年， 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)將以 5% 至 5.5% 的平均復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模將從 255 億美元擴(kuò)大到 327 億美元。發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體的快速工業(yè)化是推動(dòng)此增長(zhǎng)的一大關(guān)鍵動(dòng)力。目前， 市場(chǎng)對(duì)優(yōu)化流程和提升能效的需求日益迫切。與燃?xì)鉁u輪機(jī)等其他方案相比，電力驅(qū)動(dòng)器往往能效更高，維護(hù)需求更少。
《2020 年電機(jī)系統(tǒng)市場(chǎng)評(píng)估》 (MSMA) 報(bào)告顯示，美國(guó)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能減排潛力，每年可節(jié)省超過(guò)50 億美元成本，并減少 4300 多萬(wàn)噸的二氧化碳排放。控制器和電機(jī)是需要改進(jìn)的重點(diǎn)。
變頻驅(qū)動(dòng)有助于改善電機(jī)控制器， 顯著提高電機(jī)在變化負(fù)載下的能效。以往， 許多系統(tǒng)的額定功率過(guò)大。這種做法雖然延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命，但同時(shí)也降低了系統(tǒng)的整體能效。通過(guò)實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配和變頻驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)的能效可以提升 10% 以上。
前述的 2020 年 MSMA 報(bào)告指出，采用更高能效的電機(jī)，例如永磁同步電機(jī)， 可以讓美國(guó)每年節(jié)省 45,000 GWh 的電力。寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體雖然初始投資更高，但可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的能效。此類半導(dǎo)體的其他優(yōu)勢(shì)包括工作溫度更高、工作電壓更高和開關(guān)頻率更高，有助于減小無(wú)源器件的尺寸并降低成本。
變頻驅(qū)動(dòng)
現(xiàn)代三相電機(jī)大多由功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)， 廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、工業(yè)和其他要求苛刻的領(lǐng)域。這些系統(tǒng)通常使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)來(lái)確定導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。這種方式被稱為變頻驅(qū)動(dòng) (VFD)，能效比傳統(tǒng)的節(jié)流控制更高，更能在負(fù)載變化的情況下有效地節(jié)約能源。
圖 1：變頻驅(qū)動(dòng)對(duì)電力消耗的影響
系統(tǒng)描述
電機(jī)類型
以前廣泛使用的直流電機(jī)采用機(jī)械電刷在定子和轉(zhuǎn)子之間換向，這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致噪聲高、 維護(hù)需求大、 能效低且散熱性能差。相比之下，無(wú)刷電機(jī)采用電子換向， 因此能效更高、 更安靜， 幾乎不需要維護(hù)，使用壽命更長(zhǎng)。然而， 無(wú)刷電機(jī)的控制更加復(fù)雜。交流電機(jī)主要有三種類型：交流感應(yīng)電機(jī) (ACIM)、 永磁同步電機(jī) (PMSM) 和無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)。
交流感應(yīng)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成， 定子具有多個(gè)繞組，而轉(zhuǎn)子由多個(gè)導(dǎo)電條構(gòu)成。根據(jù)法拉第定律， 當(dāng)交流電流通過(guò)定子繞組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙定子磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)。這種阻礙作用產(chǎn)生的力使轉(zhuǎn)子沿定子磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。以同步速度旋轉(zhuǎn)不會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度總是略慢于同步速度。轉(zhuǎn)子的同步速度和運(yùn)轉(zhuǎn)速度之間的差異稱為“轉(zhuǎn)差” 或“轉(zhuǎn)差角” ，典型的轉(zhuǎn)差值在 2% 到 6% 之間。這就是 ACIM 異步運(yùn)轉(zhuǎn)的原理。改變輸入電流的頻率可以控制交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 例如采用變頻驅(qū)動(dòng) (VFD)。
圖 2：交流感應(yīng)電機(jī)
圖 3：無(wú)刷直流電機(jī)
永磁同步電機(jī) (PMSM) 和無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)所采用的定子與 ACIM 相同， 但轉(zhuǎn)子中包含永磁體。這種設(shè)計(jì)不需要感應(yīng)電流，因此能效更高 在這類電機(jī)中，轉(zhuǎn)子速度等于定子電磁場(chǎng)的速度，也就是同步運(yùn)行。PMSM 和 BLDC 的區(qū)別在于控制方式和反電動(dòng)勢(shì) (BEMF) 響應(yīng)。BLDC 的 BEMF 響應(yīng)是梯形的， 而 PMSM 的響應(yīng)是正弦的。
ACIM 和 PMSM/BLDC 非常適合連續(xù)運(yùn)行且需要精確的速度和扭矩控制的場(chǎng)景， 通常用于傳送帶、物料搬運(yùn)系統(tǒng)、 泵和壓縮機(jī)等重型應(yīng)用。因包含永磁體， 這些電機(jī)的成本較高。
表 1：交流感應(yīng)電機(jī)與永磁同步/無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)比
步進(jìn)電機(jī)和伺服系統(tǒng)用于精確定位和受控運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，廣泛用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂、 裝配線、 升降輔助設(shè)備和其他需要保持和定位的類似應(yīng)用。此類系統(tǒng)的特點(diǎn)是高準(zhǔn)確性和良好的可重復(fù)性。
步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常包含永磁體和多個(gè)小齒，而齒數(shù)決定了步數(shù)。定子也有小齒， 但數(shù)量少于轉(zhuǎn)子。就分布方式而言，有些與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊，有些則反之。定子線圈分為兩組獨(dú)立線圈。通電后， 線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)使齒部對(duì)齊， 從而使轉(zhuǎn)子精確地轉(zhuǎn)動(dòng)一步。通過(guò)反復(fù)給兩組線圈通電， 無(wú)需任何反饋即可實(shí)現(xiàn)非常精確的運(yùn)動(dòng)， 這種方式稱為開環(huán)控制。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以是單極的，也可以是雙極的。雙極步進(jìn)電機(jī)的電流在兩個(gè)方向上流動(dòng)， 并且需要全橋逆變器來(lái)驅(qū)動(dòng)兩組繞組中的每一組。相比之下， 單極步進(jìn)電機(jī)只需要電流單向流動(dòng)，控制更加簡(jiǎn)單。此類電機(jī)可通過(guò)簡(jiǎn)單的高側(cè)或低側(cè)開關(guān)進(jìn)行控制， 成本效益更佳。
伺服電機(jī)在閉環(huán)控制系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。系統(tǒng)采用編碼器的反饋來(lái)比較電機(jī)的實(shí)際位置與所需值。閉環(huán)可保障準(zhǔn)確控制位置。伺服電機(jī)系統(tǒng)主要由三部分組成：電機(jī)、 反饋裝置和控制電路。電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力，可以是有刷直流電機(jī)、BLDC 電機(jī)、 PMSM 電機(jī)或 ACIM 電機(jī)。反饋裝置提供有關(guān)電機(jī)位置、 扭矩和速度的信息?？刂齐娐坟?fù)責(zé)比較所需位置與實(shí)際位置，并調(diào)整輸出以糾正存在的任何差異。
圖 4：步進(jìn)電機(jī) - 注意定子和轉(zhuǎn)子上的小齒
表 2：步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)系統(tǒng)對(duì)比
電機(jī)控制技術(shù)
梯形控制算法又稱六步控制法，是較簡(jiǎn)單的控制算法，通過(guò)讓電流同時(shí)流過(guò)兩相， 第三相懸空， 使得電機(jī)有六種離散狀態(tài)。此方法可產(chǎn)生高扭矩， 但與其他更先進(jìn)的算法相比， 噪聲和振動(dòng)較大。
在正弦控制中，施加于電機(jī)繞組的電流波形是正弦波形，這種方法可降低扭矩紋波。但需要精確同步和識(shí)別轉(zhuǎn)子位置，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加復(fù)雜。
與正弦控制相比， 磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 在高速下可提供更高能效， 在動(dòng)態(tài)負(fù)載下的性能也比上述技術(shù)更優(yōu)異。在整個(gè)換向過(guò)程中， FOC 讓定子和轉(zhuǎn)子保持九十度對(duì)齊來(lái)優(yōu)化電機(jī)扭矩， 從而降低扭矩紋波， 讓旋轉(zhuǎn)過(guò)程更平穩(wěn)、 更靜音。
轉(zhuǎn)子位置
檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置常需使用霍爾效應(yīng)傳感器。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器時(shí)， 它會(huì)向控制器提供有關(guān)磁極位置的信息?；魻栃?yīng)傳感器通常以 120 度間隔分布。
在無(wú)傳感器應(yīng)用中，可通過(guò)測(cè)量反電動(dòng)勢(shì) (BEMF)確定轉(zhuǎn)子位置和開關(guān)信號(hào)。圖 5 對(duì)比了霍爾傳感器與反電動(dòng)勢(shì)的情況。其他方法包括利用光學(xué)或電感傳感器來(lái)獲取有關(guān)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確信息。
圖 5：霍爾傳感器輸出與反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比