优化工厂生产系统的能源效率

电机大幅增长的能源需求迫使立法机构和制造商支持高能效系统。电机驱动生态系统如何助力这一工业趋势?

据国际能源报告1显示，2006年电机能耗超过全世界电能的46%，相应的CO2 排放量达6040公吨。因此，电机驱动制造商需要增加先进的控制功能和支持系统能源效率优化的工具。全球普遍开始采用一种在工厂生产系统中优化能源效率的新型电机驱动生态系统。对于欧洲来说，庆幸的是，由于推行节能政策，电力消耗正以每年 1% 的速率下降。

在工厂中，电机最常用于泵、风机、压缩机和传送机，这些电机大部分可作为标准目录产品。小型机器和设备中使用的小型电机(低于0.75kW)占全球总库存的 90%，但所占的电机能耗不到10%，而但中型(0.75kW-350kW)工业电机却常占全世界电机能源消耗的近70%。

在典型应用中，系统消耗的电能中只有50%转换为有用的机械能，这引起了全世界的能源监管机构和工厂经营者的关注。过去几年来，美国、中国、欧洲和其他地区的监管机构已引进最低能效标准(MEPS)。目前高级电机额定能效水平在最低80%至最高96%的范围内，因此工厂经营者正在寻找除电机以外其他确保节能的方法。

图1：机器自动控制需要多反馈控制回路，并在功率逆变器和控制通信电路之间设置安全隔离屏障

图 1 给出了现代化工厂中自动化机器操作或工艺过程中的主要元件。此方法能够优化机器操作和工艺过程，将能效和生产效率提升到全新的水平。

高效的扭矩生成：算法和以太网

有多个决定电机效率和整个生产过程的控制层。第一个控制层调整功率逆变器切换序列，以控制电机电压和电流，并最大化扭矩生成效率。接下来是实现高效操作机器的位置和速度控制器。在过程设备中，这可以驱动最优泵流量，而在自动化设备中，可作为一系列速度或位置命令来执行装配功能。

在后一种情况中，对机器控制器而言，速度控制的响应时间可能比扭矩生成的效率更关键。由于工厂网络中还连接有通过高速数据网络同步的多个电机，因此通信和系统层的重要性正在增加。过程管理器可以按照需求有序启动机器，不需要使机器在空闲模式下等待。联网安全功能支持高效设备启动和停止，实现最低停机时间。工厂管理者通过跟踪电机驱动运行和诊断数据来提高过程能源效率和可靠性。

图2：PMSM和AIM 电机具有相似的定子，但具有及其不同的转子磁场结构。

电机效率是任意给定速度和端电压下每安培生成扭矩的函数。电机通过趋于将其内部磁场对齐的力生成扭矩。在图2的交流电机中，这些力通过定子和转子磁场的交互生成。交流电机在定子电流与转子运动同步时生成恒定扭矩，以维持连续的磁场错位。交流电机转速与电机电流的频率直接相关，速度控制需要可变频率电压源。