节能:每年能够节约上万亿度电的高效电机/控制技术

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目前，电气设备与控制系统的设计者同时面临着大量苛刻的设计目标。此外，他们的设计方案还必须采用环保的方式，以符合多项节能政策的要求。

在美国，各项节能政策是由美国能源部(DOE)、美国环保署(EPA)和加利福尼亚洲推出的――加州作为世界上第十二大电量消费者，在过去十多年内始终将自己定位为美国节能减排方面的先行者。加州能源委员会(CEC)推出了多项严格的立法，大力推广节能减排的先进技术。他们超前的节能政策常常成为整个美国节能政策的样板。

虽然这些政策和强制措施看起来往往妨碍了产品的设计与推出，但是它们对于推动相关的技术革新是必要的催化剂，而这些技术革新将有助于保持全球的健康与能源供应。政府部门始终致力于减少温室气体的排放，减少新增发电装置的需求，保持足够的电力供应。实现这些目标最有效、最及时的方法就是提高常用家用产品和工业产品的运行效率。

根据美国的能源政策和环保法令，以及欧盟的能源标识指令92/75/EEC，产品销售商和消费者很容易对比各种设备的电气效率，以及其他一些资源的使用情况，例如天然气和水。这种能源标识能够表明一种设备在正常使用方式下将会消耗多少能源。符合EPA能源之星标准的设备相比标准模式能够节省10％～66％的能源和／或水资源。DOE认为，符合能源之星要求的设备每年能够节能20％～30％。

图1给出了美国家庭每年电能消耗的分布情况。在全球产生的总能耗中大约有57％用于驱动电动机。在美国，电动机的能耗占总电能消耗的20％。

一般的美国家庭每年大约消耗1.1万度的电量，花掉1000美元。其中有很大一部分电能用于HVAC系统的旋转电机、井泵、洗衣机等设备――每年总共约耗电1000亿度。对于这一耗电水平，如果将电机效率仅仅提高5％，那么就会节省可观的电量。

多年来，交流感应电机(ACIM)一直是大部分家用、商用和工业应用的主要设备，每台的平均功率只有几个马力。它制造便宜，维护成本低，可靠性好，得到了全球性的普及，在所有已安装的电机中有90％是感应式电机。

随着新型电机技术的出现，工程师们有了更多的选择――虽然这种新型电机还并没有普及。这些新型电机包括无刷直流电机(BLDC)、开关磁阻式电机(SR)以及固定式ACIM电机。尽管其中很多电机结构已经推出了十几年，但是现在我们仍可以采用一些高级的控制技术发掘这些电机最大的潜能。 大多数ACIM在75％～90％的额定负载下能够发挥最高的效率。对于通常仅使用电机峰值负载的一小部分的应用而言，通过在电机负载范围内优化效率，每年在节能方面降低的成本大约相当于该电机/控制器购买价格的一半。据DOE估计，有44％的工业用电机的工作负载始终低于其额定负载的40％。目前的智能可变速驱动(vafiable-speed drives，VSD)技术能够根据应用的需求，只在需要的时候提供最大扭矩或速度。

在设计VSD时，我们必须慎重处理，以防止电机控制器产生不必要的能量损耗，引起较多的热量散失到电机散热器、外壳和附近的电路中，从而导致电机的使用成本增加、尺寸增大、寿命缩短。VSD的最大损耗来源于驱动电机绕组的开关以及恢复二极管，在开关关闭后，恢复二极管在短暂时间内将会产生相电流。

三相ACIM和BLDC驱动器需要6个IGBT或MOSFET驱动三个电机相位。而对于SR驱动器，根据所使用的相位数，最少只需2个IGBT和二极管。

大多数线电压控制器都是基于IGBT而不是MOSFET的，因为IGBT在较高的工作温度下具有更好的传导性能。在较低的电压下，MOSFET是首选器件。在开关开启的状态下，传导损耗主要是直流损耗。在开关开启和关闭的过程中都会产生开关损耗，其大小与开关频率成正比。

对于标称VGE约为15V的驱动器，设计者只能通过提供适当的栅电压来改善传导损耗。通过选择采用NPT或场截止技术(Field-Stop technology)以减少开关开启或关闭损耗的IGBT模块，降低开关频率，和/或选择合适的驱动器和电阻以优化IGBT的栅极驱动，我们可以减少开关损耗。

优化栅极驱动的难点在于需要同时满足两个优化目标――尽可能降低开关损耗，同时控制EMI。在集成式电机～控制器模块中，这一优化设计是固定的，是模块的一种永久性特征。半导体公司在技术研发过程中已经投入了大量的精力，确保电气设备和工业机械的制造商只需最小的研发成本就能够实现高效的电子控制解决方案，同时大大缩短产品的上市时间。飞兆半导体公司推出的智能电源模块(Smart PowerModule，SPM)就是这样一个高性价比的例子，它效率高，具有EMI优化的驱动器、二极管和过流保护功能。图2给出了一种高效驱动器的简化线路图。

可变频驱动器(VFD)是最简单最常见的三相ACIM。这类控制器每千瓦的成本只有几十美元，已经开始应用于原先电机驱动器成效比较低的一些应用领域。

采用面向磁场的控制(Field―oriented control，FOC)算法可以使VFD精确控制电机的定子磁场，使得定子磁场总是比转子磁场超前90。，从而实现高效的最佳磁位形。磁通矢量是这种算法的另外一种叫法。通过使用具有交流感应电机的VSD，泵类和通风设备的驱动器每年可节省多达50％的能耗。采用VSD之后，我们不必再使用机械式齿轮、皮带轮、传动带之类的硬件设备了。

BLDC控制器具有梯形调制和最新的正弦调制两种调制方法。无传感器算法通过测量导通相位之间未激励电机绕组上的反电动势来近似估计转子的位置，采用这种技术之后，我们就不需要原本为电子换向控制而解析转子方位的磁场霍尔传感器了。这类器件的普及将会降低无刷电机的成本。

开关磁阻电机具有极佳的起动扭矩和很高的可靠性，制造方法甚至比ACIM还要简单。但是，由于人们对这种电机技术普遍缺乏了解，导致了对它的误用，使用范围较小。

很多现有的SR系统具有过多的扭矩脉动，不适合于家庭或工业应用。目前出现的无传感器控制技术和专用的电源模块将使得电机的性价比更加出色。

虽然VSD技术能够简化机械系统，增强系统的可靠性和长效性，但是在过去传统驱动器的某些特征使得它们无法成为固定速度应用的有效解决方案。目前，高级的控制算法与具有最新水平的电子产品相结合，能够克服大部分问题。例如，直接扭矩控制算法由于对负载的动态变化具有更好的响应特性并且具有更高的低速性能，因此采用这种算法的AClM能够执行原来只能在有刷直流电机中实现的任务。近来，ACIM及其控制器的成本已经逐渐接近简单的有刷直流电机与控制器的成本。