電機大幅增長的能源需求迫使立法機構(gòu)和制造商支持高能效系統(tǒng)。電機驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)如何助力這一工業(yè)趨勢?

據(jù)國際能源報告1顯示，2006年電機能耗超過全世界電能的46%，相應(yīng)的CO2 排放量達6040公噸。因此，電機驅(qū)動制造商需要增加先進的控制功能和支持系統(tǒng)能源效率優(yōu)化的工具。全球普遍開始采用一種在工廠生產(chǎn)系統(tǒng)中優(yōu)化能源效率的新型電機驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)。對于歐洲來說，慶幸的是，由于推行節(jié)能政策，電力消耗正以每年 1% 的速率下降。

在工廠中，電機最常用于泵、風機、壓縮機和傳送機，這些電機大部分可作為標準目錄產(chǎn)品。小型機器和設(shè)備中使用的小型電機(低于0.75kW)占全球總庫存的 90%，但所占的電機能耗不到10%，而但中型(0.75kW-350kW)工業(yè)電機卻常占全世界電機能源消耗的近70%。

在典型應(yīng)用中，系統(tǒng)消耗的電能中只有50%轉(zhuǎn)換為有用的機械能，這引起了全世界的能源監(jiān)管機構(gòu)和工廠經(jīng)營者的關(guān)注。過去幾年來，美國、中國、歐洲和其他地區(qū)的監(jiān)管機構(gòu)已引進最低能效標準(MEPS)。目前高級電機額定能效水平在最低80%至最高96%的范圍內(nèi)，因此工廠經(jīng)營者正在尋找除電機以外其他確保節(jié)能的方法。

圖1：機器自動控制需要多反饋控制回路，并在功率逆變器和控制通信電路之間設(shè)置安全隔離屏障

圖 1 給出了現(xiàn)代化工廠中自動化機器操作或工藝過程中的主要元件。此方法能夠優(yōu)化機器操作和工藝過程，將能效和生產(chǎn)效率提升到全新的水平。

高效的扭矩生成：算法和以太網(wǎng)

有多個決定電機效率和整個生產(chǎn)過程的控制層。第一個控制層調(diào)整功率逆變器切換序列，以控制電機電壓和電流，并最大化扭矩生成效率。接下來是實現(xiàn)高效操作機器的位置和速度控制器。在過程設(shè)備中，這可以驅(qū)動最優(yōu)泵流量，而在自動化設(shè)備中，可作為一系列速度或位置命令來執(zhí)行裝配功能。

在后一種情況中，對機器控制器而言，速度控制的響應(yīng)時間可能比扭矩生成的效率更關(guān)鍵。由于工廠網(wǎng)絡(luò)中還連接有通過高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)同步的多個電機，因此通信和系統(tǒng)層的重要性正在增加。過程管理器可以按照需求有序啟動機器，不需要使機器在空閑模式下等待。聯(lián)網(wǎng)安全功能支持高效設(shè)備啟動和停止，實現(xiàn)最低停機時間。工廠管理者通過跟蹤電機驅(qū)動運行和診斷數(shù)據(jù)來提高過程能源效率和可靠性。

圖2：PMSM和AIM 電機具有相似的定子，但具有及其不同的轉(zhuǎn)子磁場結(jié)構(gòu)。

電機效率是任意給定速度和端電壓下每安培生成扭矩的函數(shù)。電機通過趨于將其內(nèi)部磁場對齊的力生成扭矩。在圖2的交流電機中，這些力通過定子和轉(zhuǎn)子磁場的交互生成。交流電機在定子電流與轉(zhuǎn)子運動同步時生成恒定扭矩，以維持連續(xù)的磁場錯位。交流電機轉(zhuǎn)速與電機電流的頻率直接相關(guān)，速度控制需要可變頻率電壓源。