全球大約一半的電力被電機驅動器消耗，工業電機驅動如何提高能效？

原創安森美 2024-10-09 18:59

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電機在未來仍將廣泛使用。從小型家電到工業制造，再到重型機械，電機功能豐富，幾乎無所不在。電機約占全球電力消耗的一半，而且這一比例還在不斷增長。如今，全球減排力度不斷加大，提升電機能效顯得愈發關鍵。為此就需要開發先進的控制算法，采用新型高效電機結構，并引入現代半導體技術。本文為工業電機驅動白皮書的第一部分，主要介紹系統用途、市場趨勢、系統描述等。

系統用途

工業電機驅動器是當今全球工業的支柱，其能耗約占所有工業應用能耗的近三分之二。
相關法規越來越嚴格，市場對大幅降低工業電機驅動器能耗的需求變得愈加迫切。交流電機通常可直接由交流電源驅動。然而，為了提高能效和加強控制，通常需要采用變頻驅動。
相較于傳統的節流控制，采用變頻驅動 (VFD) 的工業驅動系統能效更高。安森美 (onsemi)提供各種各樣的 VFD 產品，包括 MOSFET、 IGBT、二極管、功率集成模塊 (PIM) 和智能功率模塊 (IPM)。
子系統中使用的其他器件和技術包括：柵極驅動器、運算放大器、位置傳感器、溫度傳感器，以及其他用于控制和感知的器件。
借助現代半導體和新型電機架構，電機驅動器的能效和壽命可得到提升。
工業驅動器應用于眾多工業領域，包括過程自動化、風扇控制、液體和氣體泵、機器人、物料搬運、機床、石油和天然氣工業等。

市場趨勢

??二氧化碳減排潛能
電機用途廣泛，從小家電到重型設備都有應用。多個信息來源表明，全球大約一半的電力被電機驅動器消耗。工業應用消耗的電力占到世界總發電量的近三分之一。工業領域自動化程度加速提高，工業電機系統的數量預計仍將持續增加。如今，可持續發展和能效逐漸成為熱門話題。因此，更新現有方案和新部署的系統以盡可能提高能效至關重要。

預計 2024 年至 2029 年，工業電機驅動器市場將以 5% 至 5.5% 的平均復合增長率 (CAGR) 增長，市場規模將從 255 億美元擴大到 327 億美元。發展中經濟體的快速工業化是推動此增長的一大關鍵動力。目前，市場對優化流程和提升能效的需求日益迫切。與燃氣渦輪機等其他方案相比，電力驅動器往往能效更高，維護需求更少。

《2020 年電機系統市場評估》 (MSMA) 報告顯示，美國的電機驅動系統蘊藏著巨大的節能減排潛力，每年可節省超過50 億美元成本，并減少 4300 多萬噸的二氧化碳排放。控制器和電機是需要改進的重點。

變頻驅動有助于改善電機控制器，顯著提高電機在變化負載下的能效。以往，許多系統的額定功率過大。這種做法雖然延長了系統的使用壽命，但同時也降低了系統的整體能效。通過實現負載匹配和變頻驅動，系統的能效可以提升 10% 以上。

前述的 2020 年 MSMA 報告指出，采用更高能效的電機，例如永磁同步電機，可以讓美國每年節省 45,000 GWh 的電力。寬禁帶 (WBG) 半導體雖然初始投資更高，但可進一步提高系統的能效。此類半導體的其他優勢包括工作溫度更高、工作電壓更高和開關頻率更高，有助于減小無源器件的尺寸并降低成本。

??變頻驅動
現代三相電機大多由功率開關驅動，廣泛應用于機器人、工業和其他要求苛刻的領域。這些系統通常使用脈沖寬度調制 (PWM) 信號來確定導通和關斷狀態之間的轉換。這種方式被稱為變頻驅動 (VFD)，能效比傳統的節流控制更高，更能在負載變化的情況下有效地節約能源。

圖 1：變頻驅動對電力消耗的影響

系統描述

??電機類型

以前廣泛使用的直流電機采用機械電刷在定子和轉子之間換向，這種設計導致噪聲高、維護需求大、能效低且散熱性能差。相比之下，無刷電機采用電子換向，因此能效更高、更安靜，幾乎不需要維護，使用壽命更長。然而，無刷電機的控制更加復雜。交流電機主要有三種類型：交流感應電機 (ACIM)、永磁同步電機 (PMSM) 和無刷直流 (BLDC) 電機。

交流感應電機由定子和轉子兩部分組成，定子具有多個繞組，而轉子由多個導電條構成。根據法拉第定律，當交流電流通過定子繞組時，會產生旋轉電磁場。旋轉電磁場在轉子繞組中產生感應電流。轉子中的感應電流會產生一個阻礙定子磁場變化的磁場。這種阻礙作用產生的力使轉子沿定子磁場的方向旋轉。以同步速度旋轉不會在轉子中產生感應電流，因此感應電機的運轉速度總是略慢于同步速度。轉子的同步速度和運轉速度之間的差異稱為“轉差” 或“轉差角” ，典型的轉差值在 2% 到 6% 之間。這就是 ACIM 異步運轉的原理。改變輸入電流的頻率可以控制交流感應電機的轉速，例如采用變頻驅動 (VFD)。

圖 2：交流感應電機

圖 3：無刷直流電機

永磁同步電機 (PMSM) 和無刷直流 (BLDC) 電機所采用的定子與 ACIM 相同，但轉子中包含永磁體。這種設計不需要感應電流，因此能效更高在這類電機中，轉子速度等于定子電磁場的速度，也就是同步運行。PMSM 和 BLDC 的區別在于控制方式和反電動勢 (BEMF) 響應。BLDC 的 BEMF 響應是梯形的，而 PMSM 的響應是正弦的。

ACIM 和 PMSM/BLDC 非常適合連續運行且需要精確的速度和扭矩控制的場景，通常用于傳送帶、物料搬運系統、泵和壓縮機等重型應用。因包含永磁體，這些電機的成本較高。

表 1：交流感應電機與永磁同步/無刷直流電機對比

步進電機和伺服系統用于精確定位和受控運動場景，廣泛用于驅動機械臂、裝配線、升降輔助設備和其他需要保持和定位的類似應用。此類系統的特點是高準確性和良好的可重復性。

步進電機的轉子通常包含永磁體和多個小齒，而齒數決定了步數。定子也有小齒，但數量少于轉子。就分布方式而言，有些與轉子上的小齒對齊，有些則反之。定子線圈分為兩組獨立線圈。通電后，線圈產生的磁場使齒部對齊，從而使轉子精確地轉動一步。通過反復給兩組線圈通電，無需任何反饋即可實現非常精確的運動，這種方式稱為開環控制。

步進電機驅動器可以是單極的，也可以是雙極的。雙極步進電機的電流在兩個方向上流動，并且需要全橋逆變器來驅動兩組繞組中的每一組。相比之下，單極步進電機只需要電流單向流動，控制更加簡單。此類電機可通過簡單的高側或低側開關進行控制，成本效益更佳。

伺服電機在閉環控制系統內運行。系統采用編碼器的反饋來比較電機的實際位置與所需值。閉環可保障準確控制位置。伺服電機系統主要由三部分組成：電機、反饋裝置和控制電路。電機產生機械動力，可以是有刷直流電機、BLDC 電機、 PMSM 電機或 ACIM 電機。反饋裝置提供有關電機位置、扭矩和速度的信息。控制電路負責比較所需位置與實際位置，并調整輸出以糾正存在的任何差異。