優(yōu)化工廠生產(chǎn)系統(tǒng)的能源效率

電機(jī)大幅增長(zhǎng)的能源需求迫使立法機(jī)構(gòu)和制造商支持高能效系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)如何助力這一工業(yè)趨勢(shì)?

據(jù)國(guó)際能源報(bào)告1顯示，2006年電機(jī)能耗超過(guò)全世界電能的46%，相應(yīng)的CO2 排放量達(dá)6040公噸。因此，電機(jī)驅(qū)動(dòng)制造商需要增加先進(jìn)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(kāi)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(jī)驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于歐洲來(lái)說(shuō)，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(jī)最常用于泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和傳送機(jī)，這些電機(jī)大部分可作為標(biāo)準(zhǔn)目錄產(chǎn)品。小型機(jī)器和設(shè)備中使用的小型電機(jī)(低于0.75kW)占全球總庫(kù)存的 90%，但所占的電機(jī)能耗不到10%，而但中型(0.75kW-350kW)工業(yè)電機(jī)卻常占全世界電機(jī)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(jī)械能，這引起了全世界的能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)和工廠經(jīng)營(yíng)者的關(guān)注。過(guò)去幾年來(lái)，美國(guó)、中國(guó)、歐洲和其他地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)已引進(jìn)最低能效標(biāo)準(zhǔn)(MEPS)。目前高級(jí)電機(jī)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(yíng)者正在尋找除電機(jī)以外其他確保節(jié)能的方法。

圖1：機(jī)器自動(dòng)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(dòng)化機(jī)器操作或工藝過(guò)程中的主要元件。此方法能夠優(yōu)化機(jī)器操作和工藝過(guò)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(gè)決定電機(jī)效率和整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的控制層。第一個(gè)控制層調(diào)整功率逆變器切換序列，以控制電機(jī)電壓和電流，并最大化扭矩生成效率。接下來(lái)是實(shí)現(xiàn)高效操作機(jī)器的位置和速度控制器。在過(guò)程設(shè)備中，這可以驅(qū)動(dòng)最優(yōu)泵流量，而在自動(dòng)化設(shè)備中，可作為一系列速度或位置命令來(lái)執(zhí)行裝配功能。

在后一種情況中，對(duì)機(jī)器控制器而言，速度控制的響應(yīng)時(shí)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(guò)高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)同步的多個(gè)電機(jī)，因此通信和系統(tǒng)層的重要性正在增加。過(guò)程管理器可以按照需求有序啟動(dòng)機(jī)器，不需要使機(jī)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(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)最低停機(jī)時(shí)間。工廠管理者通過(guò)跟蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行和診斷數(shù)據(jù)來(lái)提高過(guò)程能源效率和可靠性。

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

電機(jī)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(jī)通過(guò)趨于將其內(nèi)部磁場(chǎng)對(duì)齊的力生成扭矩。在圖2的交流電機(jī)中，這些力通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的交互生成。交流電機(jī)在定子電流與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)同步時(shí)生成恒定扭矩，以維持連續(xù)的磁場(chǎng)錯(cuò)位。交流電機(jī)轉(zhuǎn)速與電機(jī)電流的頻率直接相關(guān)，速度控制需要可變頻率電壓源。