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优化工厂制造系统能源效率的生态系
 

【作者: ADI提供】2021年10月20日 星期三

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根据各国能源报告指出,2006年电动马达消耗了全球超过46%的电力,相当於产生6040公吨的二氧化碳排放 [1] 。这种态势促使各国当局要求马达驱动器(drive)制造商必须加装先进控制功能与工具,藉以支援系统能源效率优化。新衍生的马达驱动器生态系着眼於优化工厂制造系统的能源效率,现今正获得全球各地广泛接纳。而来自欧洲的好消息是,拜各国节能政策之赐,工业耗电量以每年减少1%的速度逐渐缩减[2]


马达在工厂最常见的使用情境包括泵浦、风扇、压缩机、以及输送设备,这些马达大多数都有标准化型录产品。小型马达(低於0.75 kW)用在小型机器与设备,在全球产品贮备占90%的比重,但消耗电力仅占不到10%。


然而,中型(0.75 kW 至350 kW)工业马达占全球马达能源消耗的比重却高达将近70%。在典型应用中,系统消耗的电力能源只有50%被转换成有用的机械能,此状况引起全球能源主管当局与工厂营运业者的注意,包括美国、中国、欧洲、以及其他地区的主管当局,在过去几年纷纷推出最低能源效率标准(MEPS)。超高效率(Premium)马达从80%的最低水准一直涵盖到最大型马达的96%,工厂营运业者期盼马达能安全稳妥地节省能源。


图 1 显示现代工厂中自动化机器或制程的主要元素。这种模式提供新功能用来优化机器与制程的运作,藉以为能源与生产力加入更上一层楼的效率。



图1 : 自动化机器控制需要多个反??控制??路,以及功率转换器、控制、以及通讯电路之间建构安全的隔离障碍。
图1 : 自动化机器控制需要多个反??控制??路,以及功率转换器、控制、以及通讯电路之间建构安全的隔离障碍。

有多个控制层决定马达与整体制程效率。第一个控制层负责调整功率转换器的切换顺序,藉以控制马达电压与电流,以及达到最大的扭力产生效率。


接着是位置与速度控制器,它们也决定机器的效率。在制程设备上,可能是驱动最适泵浦流率,在自动化设备则可能是一段用来执行组装功能的速度或位置指令。


以後者而言,速度控制的反应时间对於机器控制器的重要性更甚於扭力产生的效率。通讯与系统层的重要性日趋升高,因为多个马达透过高速资料网路进行同步化,并连接工厂的网路。制程管理者可视需要依序启动机器,而不是让它们在闲置模式下等候。连网化安全功能可促成高效率的设备启动与停机功能,将停机时间减至最低。工厂管理者可追踪马达驱动器的运行与诊断资料,藉以提升制程的能源效率与可靠度。


高效率扭力产生:演算法与乙太网路

马达效率是每安培产生扭力的函数,分母则包括转速与终端电压。电动马达生成扭力的驱动力来自让内部磁场推向对位位置的磁力。


在图2的交流马达中,这些力是定子与转子磁场交互作用所产生。当定子电流与转子运动同步以维持持续的磁场错位(misalignment),交流马达就会产生恒定扭力。交流马达转速与马达电流成正比,因此转速控制需要可变频率的电压源。当转子-定子磁场错位出现最大值,就会达到最高效率。马达效率亦取决於马达结构,尤其是转子磁场结构。在非同步感应马达(AIM),电流会经过转子与定子绕线,一些最小定子电流会消耗在磁芯的磁化上。


永磁同步马达(PMSM)是最具效率的结构,因为它们不需要透过电流来磁化转子磁场。超高效率的内藏式永磁(IPM)马达则凭藉其凸极式(salient)磁芯结构来产生额外的扭力。



图2 : PMSM与AIM马达的定子磁场结构相似,但两者的转子磁场结构则差异极大。
图2 : PMSM与AIM马达的定子磁场结构相似,但两者的转子磁场结构则差异极大。

上述所有马达都运用於工业界中,根据应用需要的电力采用不同种类的马达,但非同步感应马达由於结构简单且容易使用,因此成为最常见的工业马达。永磁同步马达具备较高的重量扭力比以及低惯性转子结构,非常适合自动化设备的高动力控制应用。非同步感应马达直接连到三相交流线路就能启动,其速度可透过简单的变频器加以控制。


在目前专注提升效率之前,风扇、泵浦、或压缩机的马达通常都直接连到交流线路,并透过阻尼器、控制阀、或简单的开/关机制来控制制程。开??路频率控制技术能将离心泵浦在50%转速下功耗降至20%全功耗以下,并运用开/关控制将耗电降至50%全功耗,流率(flow rate)降至50%。由於系统效率出现了如此的提升,因此鼓励工厂营运者将现有固定速率马达应用换成变频器。


近来许多先进演算法可调校子电压,藉以调节转子磁场以及优化效率。驱动器制造商现在提供各种标准驱动箱(drive box)能针对的马达型号与类型进行设定。最新的类比与数位讯号处理元件让业者能瞄准对成本敏感的变频器应用推出先进控制方案。估计(Estimation)演算法仅根据定子电流与电压的量测值就能推算转子磁场的角位置(angular position)。这些无感测器(sensorless)控制演算法让业者更容易采纳高效率IPM马达,藉以提升包括压缩机与输送设备的制程效率。更高功率的应用,像是绕线机或大型泵浦通常都继续采用感应马达,但500 kW马达的典型效率可高达96%。


这些驱动器通常包含演算法,用来优化马达效率与马达驱动器的健康度。此外,这些驱动程式还有串列现场汇流排连线,让本地端可程式逻辑控制(PLC)元件能登录运行与诊断资料。


目前日渐升温的趋势是将驱动器连到工厂网路,并运用工业乙太网路协定,像是Ethernet/IP或ModbusTCP协调多个驱动器的工作,藉此提升效率。


高效率运动控制:精准隔离与通讯

结合马达控制与通讯时序的精准性,除了促成更短的机器制造周期外,制造每个零件所消耗的能源也得以降低。这点对自动化系统非常重要,机器生产力与品质通常比马达能源效率更加重要,因为业者在这些设备投入可观资本。


驱动器制造商运用PMSM伺服马达与驱动器支援各种自动化应用,针对高速反应与高精准量身设计,以因应速度与位置控制的需求。高速控制处理器结合精准电压驱动与电流反??,能提供流畅的动态扭力控制。


功率转换器的高电压与电流对电路设计者形成一大挑战,因为隔离电路必须符合各项严苛的电气安全标准。高速磁隔离技术支援类比与数位讯号电压的安全隔离,而且无须牺牲速度或精准度。


精准类比转数位转换器内嵌有编码器位置元件,提供最高24位元解析度的位置反??讯息,在最低1 RPM的转速下仍能执行高动态速度控制。这样的效能水准足以支援各种自动化应用,像是高精度机器零件的多轴铣削、精密IC的组装、或是手机零件的射出成型。


除了控制精准度,马达的运动时序还必须紧密同步化,因为时序误差会直接导致多轴位置控制的轨迹误差。各种工业乙太网路协定的同步化,包括像PROFINET与EtherCat,都采用修改版乙太网路介面来支援资料,以及1微秒时脉抖动讯号之间的即时同步化。这些网路介面支援同步化运动控制,针对生产系统管理促成生产效率与提供工厂网路连网功能。


工程设计:快速客制化

建模分析工具让驱动器厂商能为终端应用快速开发客制化控制演算法,无须??注可观投资在工厂进行尝试-错误-再尝试(trial and error)的调校。


自动化机器是复杂的互连系统,需要跨领域的工程团队提供支援。图3显示开发自动化设备需要的一些关键设计能力。这些工程师通常任职於不同公司,因此供应链的各家供应商需要派出各自的工程师来执行整合工作。例如MathWorks提供的建模工具能支援完整系统建模,包括状态控制、运动演算法、马达及机器负载。专业电磁与机器设计工具能产生交流马达与机器的行为模型,提高系统模型的准确度。虽然完整设计流程无法完全自动化,但可以大幅减少开发过程中原型制品的数量。


新马达或机器的控制演算法可以先在模拟平台上进行开发与测试,完成後再制作原型。自动程式码产生工具则让业者能在测试平台上快速部署控制演算法。


每次设计尝试都会产生新资料,协助提升系统模型的准确度。自动产生的控制码结合成熟系统应用程式码,可用在产品化驱动器系统。驱动器厂商可藉此快速部署新控制允许,针对特定应用进行最隹化,藉以优化能源效率与推动自动化制造。



图3 : 需要各种工程工具来支援马达驱动器与自动化系统的设计
图3 : 需要各种工程工具来支援马达驱动器与自动化系统的设计

总结

越来越多工业与仪表应用需要精准转换器来精准控制与量测各种制程。此外,这些终端应用除了需要更高的弹性、可靠度、以及功能集合,还必须降低成本与占用电路板空间。为许多元件制造商因应这些挑战,推出了各种产品来因应系统开发业者目前与未来设计的需求。


由本文可了解其中有许多不同方法可针对各种精准应用选用适合的元件,而且每种元件各有优缺点。随着系统的准确度逐渐提升,在选择适合元件因应特定应用需求方面,也必须考量更多层面的需求。


叁考资料

[1]Conrad U. Brunner and Paul Waide. “Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems.” International Energy Agency working paper, 2011.


[2]EUREL Task Force. “Electrical Power Vision 2040.” EUREL General Secretariat, February 2013.


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