优化工厂生产系统的能源效率

2022-06-07

电动机能源需求的急剧增加迫使立法机构和制造商支持节能系统。电机驱动生态系统如何帮助这一产业趋势？

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根据国际能源报告1，2006年电动机的能耗超过了世界电能的46%，相应的二氧化碳排放量为6040吨。因此工厂能耗管理，电机驱动制造商需要添加先进的控制功能和工具来支持系统能效优化。一种新的电机驱动生态系统在全球范围内被广泛采用，该生态系统优化了工厂生产系统的能源效率。对欧洲来说幸运的是，由于节能政策，电力消耗正以每年 1% 的速度下降。

在工厂中，电机最常用于泵、风扇、压缩机和输送机，并且这些电机中的大多数都可以作为标准目录项提供。用于小型机器和设备的小型电机（0.75kW）占全球库存总量的 90%，但占电机能耗的不到 10%，而中型（0.75kW- 350kW） ) 工业电机往往占全球电机能耗的近 70%。

在典型应用中，系统消耗的电能中只有 50% 转化为有用的机械能，这是全球能源监管机构和工厂运营商关注的问题。在过去的几年里，美国、中国、欧洲和其他地方的监管机构已经引入了最低能效标准 (MEPS)。目前，先进电机的能效等级从最低 80% 到最高 96% 不等，因此工厂运营商正在寻找确保在电机之外实现节能的方法。

图 1：自动机器控制需要多个反馈控制回路，并在功率逆变器和控制通信电路之间设置安全隔离栅

图 1 显示了现代工厂中自动化机器操作或流程的主要元素。这种方法优化了机器操作和流程，将能源和生产效率提升到了一个全新的水平。

高效扭矩生成：算法和以太网

有多个控制层决定了电机效率和整个生产过程。第一控制层调整功率逆变器的开关顺序，以控制电机电压和电流，并最大限度地提高扭矩产生效率。其次是使机器高效运行的位置和速度控制器。在工艺设备中，这可以驱动最佳的泵流量，而在自动化设备中，它可以作为一系列速度或位置命令执行装配功能。

在后一种情况下，速度控制的响应时间对机器控制器来说可能比扭矩产生的效率更重要。通信和系统层的重要性正在增加，因为工厂网络还拥有多个通过高速数据网络同步的电机。进程管理器可以按需有序地启动机器，而无需让机器在空闲模式下等待。联网的安全功能可实现高效的设备启动和停止，从而最大限度地减少停机时间。工厂经理通过跟踪电机驱动操作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，但转子磁场配置却大不相同。

电机效率是在任何给定速度和端子电压下每安培产生的转矩的函数。电机通过倾向于对齐其内部磁场的力产生扭矩。在图 2 的交流电机中，这些力是由定子和转子磁场的相互作用产生的。当定子电流与转子运动同步时，交流电机会产生恒定转矩，以保持连续的磁场失准。交流电机的转速与电机电流的频率直接相关，需要变频电压源进行调速。