更高效電機驅動的基本挑戰(zhàn)和解決方案

摘要：本文針對汽車和電機行業(yè)介紹能夠減緩CO₂增長速度的挑戰(zhàn)和有效解決方案。

　　根據(jù) OICA(世界汽車工業(yè)國際協(xié)會)，人類活動導致氣候變化可能是21世紀人類社會面臨的最大挑戰(zhàn)，而CO2是一個主要副產物。CO2并不是影響氣候變化的唯一因素，但它允許社會各界和各行各業(yè)做些積極的事情來控制CO2對氣候變化的影響。世界資源研究所關于全球資源CO2排放量的數(shù)據(jù)表明 16%來自機動車輛、44%來自發(fā)電和加熱、40%電力由工業(yè)和消費電子電機消耗[1]。本文針對汽車和電機行業(yè)介紹能夠減緩CO2增長速度的挑戰(zhàn)和有效解決方案。

汽車： 車輛電氣化

　　減少石油燃料和能耗的更高效汽車能夠減少CO2排放量。每年都投入幾十億美元研發(fā)經費，研究替代燃料來源以及如何改進傳統(tǒng)的內燃機。長期挑戰(zhàn)包括生產周期的長時間(也就是5-7年)概念，支持新架構、可持續(xù)發(fā)展、容易獲得，且價格可行的替代燃料來源。使用新燃料并不重要，因為車輛設計需要滿足預定的質量和性能標準。近期挑戰(zhàn)包括減少動力系統(tǒng)的重量和尺寸并實現(xiàn)車輛電氣化。車輛電氣化是將機械系統(tǒng)替代為電氣系統(tǒng)，以及電動和混合動力驅動電機。實例包括選擇較小電機，輔以電動增壓器、電動助力轉向、電動水泵、電驅動空調和電氣推動系統(tǒng)。解決這些挑戰(zhàn)有助于減少燃料和能源消耗，從而幫助生產CO2排放量更少的車輛。

工業(yè)和消費電子： 感應電機到變頻電機(ECM、無刷式)

　　能夠減少電力消耗的更高效電機有助于減少CO2排放量。人們在不斷研究更節(jié)能的氣冷和水冷系統(tǒng)。挑戰(zhàn)包括長壽命設計(8-15 年無故障壽命)、重點關注可再生、替代能源的研發(fā)投資、以及能夠最大程度地提高各種電機效率的復雜控制和變頻驅動。面臨的挑戰(zhàn)和機遇是尋找合適的應用，繼續(xù)使用目前占全球已安裝電機 90% 的可靠感應電機，并使用更高效電機(包括風扇和泵)，來循環(huán)和冷卻空氣/水。風扇趨勢包括電子整流電機 (ECM) 或無刷直流 (BLDC) 電機，以及專業(yè)開關磁阻 (SR) 電機。對變頻電機不斷增長的需求可以節(jié)省電機消耗電力的約 30%，或者節(jié)省全球所消耗電力的 12%。更高效電機有助于降低 CO₂排放的增長率。

最終影響趨勢的解決方案和平衡

　　電力系統(tǒng)設計人員必須克服很多挑戰(zhàn)才能生產出耐用、可靠、高效的電機驅動。在汽車和工業(yè)/消費電子應用中，環(huán)境和應用條件都很嚴峻，并且總擁有成本必須經過嚴格控制。例如，汽車機架式電動助力轉向系統(tǒng)可能遇到超過100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動負載，并且會接觸石油產品和鹽水噴霧，同時要求提供150A或更高的電機相電流，而損耗最小。家用電器、工業(yè)電機和泵都是針對放置于幾乎沒有強制氣流外殼中的設計和電路。高效電機將不同的電機技術、復雜的控制、熱機械創(chuàng)造性設計、新封裝和新硅技術融合到功率半導體中。若電源結構和工作條件(包括電源電壓、轉速、負載轉矩和溫度)已定義好，則效率決定因素包括電機技術類型、不同脈寬調制(PWM) 控制方法和功率分立器件和功率模塊之間的選擇。

解決方案1：恢復和改進的電機技術

　　雖然滿載效率評級較高，但是大部分電機不是以滿載條件運轉。哪種電機技術最好? 看情況而定。大多數(shù)ACIM在75%至90%的額定負載下以最高效率運行。ACIM的轉子和定子損耗主要是由銅或鋁電阻產生，而其磁芯損耗是由鐵轉子和定子中的渦電流和滯后效應導致的。對于通常以峰值幾分之一的負載使用電機的應用而言，通過優(yōu)化預期負載范圍內的效率，每年節(jié)省下來的能量相當于節(jié)省電機/控制采購價格的 50%。美國能源部(DOE)預計44%的工業(yè)電機(記得90% 已安裝電機為感應電機)始終以低于其額定負載的40%運行。平均來說，交流感應電機(ACIM)僅提供 44%的效率，而BLDC電機通常以65% 至90%的效率運行。 作為電動汽車牽引電機，圖1比較了ACIM和BLDC的電機效率(實際上，此處為室內永磁交流電機)。 由于BLDC電機的永磁轉子結構，BLDC電機不會產生轉子銅損。BLDC電機還具有更高效變速運行的優(yōu)勢，而在類似負載條件下傳統(tǒng)ACIM僅提供15%-40%的效率。新電機技術和驅動電機的更復雜控制能夠進一步最大化交流感應電機(ACIM)、正弦電機(即永磁交流和永磁同步電機)和ECM或無刷直流(BLDC)電機的效率。

解決方案2：通過PWM提高效率的方法

　　理想的電機功率波形可以顯著提高效率。有很多種PWM方法，每種都有利有弊(表1)。連續(xù)PWM (CPWM)比如正弦PWM和空間矢量PWM(SVPWM)是指電源電壓波形輸送到電機三相前的調制。非連續(xù)PWM(DPWM)是指基于空間矢量 PWM的兩相調制，因為電機只有兩相進行PWM，而第三相配合始終“導通”的高側或低側晶體管運行。DPWM產生較低的開關損耗，但會產生施加到電機的較高輸出紋波電壓。本文沒有提到DPWM變化和各種控制方法比如磁場定向控制(FOC)、變頻驅動(VFD)和梯形控制。本文提到的SVPWM和DPWM方法可視為三次諧波注入技術。通常來說，開關損耗和電源電壓波形質量比較表明較低調制下的SVPWM和高調制范圍內的DPWM方法具有優(yōu)越的性能。綜合恰當?shù)墓β拾雽w器件和恰當?shù)腜WM控制方法，從而產生恰當?shù)碾娫措妷翰ㄐ?，有助于高效推動一種電機技術^[2]。