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高效马达推动节能设计再进化
台湾马达提升朝向IE2/IE3迈进

【作者: 江城】2013年07月15日 星期一

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在受到广泛讨论的能源议题中,降低马达耗电量一直是众所瞩目的焦点。马达是推动所有电子电力设备运转的核心装置,平均占总用电量达50%,工业领域中马达更占据约70%的电力消耗,因此,近年来全球各国都积极推动改善马达能源效率,带动了「高效率马达」设计趋势,并因而促使半导体厂商开发出更多可提升马达能效的先进元件。


马达主要作用是将电力转换为机械能,是所有机器和许多电子产品的动力来源。马达的类型有很多种,基本上有直流和交流两大类型。直流马达分为有刷及无刷马达,交流马达则分为感应马达和同步马达。


据欧盟马达挑战计画,交流马达约占96.2%;直流马达占3.8%。而在交流马达中又以三相马达为工业使用量最多的一种马达类型,占有率接近90%,故全球各国目前均优先推动三相马达效率提升计画,订定高效率马达能源效率基准和实施时间表。


国际高效马达节能标准现况

为了解决应用最大量的感应马达能耗问题,国际电工委员会在2008年公布了IEC 60034-30国际标准,将交流感应马达区分为IE1、IE2及IE3三个效率等级,并在2010年再公布IEC60034-31定义IE4(超优级效率,Super Premium Efficiency),IE4甚至可较IE3减少15%的损耗。目前,全球各国都朝着IE2/IE3的方向前进,台湾也开始加快脚步。


为跟进国际马达效率标准,台湾由工研院机械与系统研究所执行能源局的高效率马达应用技术开发与推广计划,参考IEC 60034-30等标准提出了CNS14400标准修订建议案,在2012年3月26日公告实施。新标准将高效感应马达区分为高效率的IE1+、优级效率的IE2,以及超高效率的IE3。与2003年的旧版标准相比,新版的IE1+即相当于旧版的高效率感应马达。新版标准将促使厂商开发出符合全球能源效率标准的产品,以迎合节能减碳趋势。



图一 : 目前国内外能源标准趋势(数据源:工研院机械所)
图一 : 目前国内外能源标准趋势(数据源:工研院机械所)

工研院机械所能源机械部经理郑咏仁分析道,据IEA研究显示,影响马达效率的主要因素包括有马达本身效率、被带动旋转机械的效率、动力传动系统效率、系统匹配设计、系统控制操作、系统管理与维修,以及供应电源的质量等。但重点还是在马达本身的设计和采用的技术。


据经济部能源局统计,2010年台湾的电力消费总量约2,200亿度,其中工业用电约占50%,而马达驱动设备又占总工业用电的35%。因此,若能改善马达系统,预估将可把用电效率提升20%~25%。



图二 : 传统泵浦系统与结合能效技术的系统效率比较(数据源:工研院机械所)
图二 : 传统泵浦系统与结合能效技术的系统效率比较(数据源:工研院机械所)

台湾朝IE2/IE3迈进

经济部预定自2015年起将全台湾的马达提升至符合IE2能源效率标准等级,并将于2017年达到IE3标准。为了鼓励国内业者使用高效率马达,经济部在今年中宣布了一项为期三年的补助方案,希望激励马达制造商开发高能效的产品。这项补助方案将分两阶段执行,第一阶段为期1年,主要推广能源效率达IE2等级以上(含IE3)的产品;第二阶段为期2年,主要将针对能源效率达IE3等级以上进行补助。


经济部强调,国内马达制造商及代理商等申请者,需承诺在计划期间销售IE2、IE3马达于国内使用,每年总量达10,000kW以上方可获得补助。每案补助标准为每kW补助100元(IE2)或300元(IE3),并以推动核定数量内高效率马达总kW数作为申请补助费用之计算。第一阶段补助经费预估需6,000万元,全程3年总经费1.8亿元。


据经济部预估,这项为期三年的计划可望推广高效率马达60万kW,有效提升使用诱因,全程至105年预估累计节电约1.2亿度,之后每年可持续节电0.54亿度。同时,透过这项三年计划,预估可为国内创造15.6亿元的马达产值,促进台湾业者开发达到IE3等级的马达技术,带动约50亿元的马达机械关联产业产值。


事实上,促进国内开发高效马达的主要优势在于能更快与国际接轨。在将国内马达能源效率基准提升至IE2之后,将可建构与国际接轨的管制环境。此外,工研院机械所统计,在实施IE2马达最低能效标准管制后,每年约可节省3.43亿度电,并可达到每年约2.13亿公斤的节能减碳量。


马达电子技术趋势

近年来在效率与节能风潮带动下,无刷直流马达开始崛起,特别在家电、计算机外设和广大消费应用领域,无刷直流马达由于具备体积小、构造简单等优势而广受关注。


传统直流马达采用电刷与换向片,在高速运作下电刷与换向片的磨擦很可能引发故障,而直流无刷马达是改进传统直流马达缺点的一种产品。它以电子组件取代了传统的电刷和换向片,运用磁力及磁场变化的换向来达到旋转输出。基本上,电子式换向器主要是利用霍尔效应感测马达位置的变化,以此控制晶体管的开或关。


采用无刷直流马达的优势相当多,除了减少电气噪声、提高可靠度、启动速度快且易于控制外,最主要的优势还在于无刷直流马达的省电特性,能够让更多电子设备符合新的节能标准。其次无刷直流马达也能应用在较高温环境下,比起传统感应马达更耐用,维修费用也更低。但无刷直流马达需要较高的驱动电路成本,同时,随着马达渐趋小型化,如何精准地设计感测电路也成为一大挑战。


在直流无刷马达中,负责感应磁场变化并送出马达控制讯号的霍尔传感器是最重要的组件之一。但在一些不适合使用传感器的场合 - 如高温、危险的作业环境中,并不适合传感器,因而发展出了另一种无传感器的无刷直流马达控制技术。一般的无刷直流马达透过传感器决定转子的位置与速度,而无传感器的控制技术则由于不依靠传感器决定转子的位置和速度,因此为了符合马达极高的执行速度和达到所需的精确度,就必须使用高性能的控制组件。


目前市面上已经有许多现成的组件可用来实现无传感器控制,Allegro公司开发出的A4960便是一例。A4960是一款三相无传感器无刷直流马达控制器,它能够与外部N信道MOSFET共同使用,可用于液压帮浦、燃油帮浦、风扇和各种BLCD 马达。


其马达是透过阻塞换相(梯形换相)驱动,无需使用独立的位置传感器,而是透过马达反电动势(BEMF)的监控来决定。其内建的启动方案可透过串行接口进行配置,让A4960能适用于多种马达类型和负载组合。串行接口同时也提供了多种闸驱动和诊断参数的编程能力。



图三 : A4960的标准应用方块图(数据源:Allegro)
图三 : A4960的标准应用方块图(数据源:Allegro)

在开发电子设备的过程中,马达的选择对产品的成功与否至关重要。每一种应用都有它适合的马达类型,例如许多新兴的高质量白色家电便适合选择采用变频电路驱动的直流无刷马达来达到省电功效;而在一些特定应用环境中,无传感器的马达设计是最佳方案。基本上,必须综合考虑马达运作方式、效能、能源效率和成本等因素,才能找到最符合需求的马达解决方案。


高效率马达前瞻技术进展

目前国内外都已投入前瞻性的高效率马达技术研发,研究人员主要是从材料、马达类型和关键组件三个领域着手。


在新材料方面,铜转子马达和无稀土马达颇受关注,投入研发的单位包括有美国陆军研究实验室(Army Research Laboratory)、空调与制冷技术研究所(Air Conditioning and Refrigeration Technology Institute)、国家可再生能源研究室(National Renewable Energy Laboratory)和东京理科大学(Tokyo University of Science)等。


铜转子马达是由于纯铜导电度比纯铝高约60%,将鼠笼式马达的转子端环和导条(conductor bar)以纯铜代替纯铝,平均约可提高马达效率3~8%。而无稀土马达则完全不使用磁铁的开关磁阻马达构造,避免制造原料高度仰赖中国(占全球稀土金属产量 9 成)。与使用电磁钢板为铁芯之马达相比,制造成本约可下降30%。


马达技术进展方面,在以成本为前题考虑下,目前包括奇异全球研发中心(GE Global Research)、橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)和美国爱荷华艾姆斯国家实验室(Ames National Laboratory)等,也都正积极研究薄型永磁马达(包括EV马达、机踏车薄型马达、轮鼓马达、超导马达等)。


这些应用在特殊汽车的马达都具有缩小硬件占用空间减少重量、不需减速器、降低成本与传动机构简化等特点。预估到2020年新型马达的制造成本可降低达75%,透过磁性优化之设计可降低设备生产成本约 25% 到 40%。


另外,电动机实验室(Electrical Machines Laboratory)和美国超导公司(American Superconductor Corporation)正着手开发微型高功率变频器,目标是将变频率节能控制模块应用于马达传动改变转速,以驱动各项动力设备,如流体机械进行负载控制,其主要特征为功率高、体积小且耐高温,可开发出更高效的小型电子装置。


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