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高效能马达关键技术研讨会(上)
掌握关键马达技术 实现全面节能自动化设计

【作者: 陳韋哲】2013年05月28日 星期二

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由于传统马达惊人的耗电量造成能源上的高负担,美、加巿场已开始强制要求马达必须兼顾能源效率,并对违规者祭出严重罚锾,进而撼动全球马达产业的革新与翻盘。台湾生产的马达中,有多项产品产量占世界第一,在全球巿场占有一席之地。台湾马达相关产业势必要加速提升自身技术,革新产品的设计与制造能力,并趁势赶上这一波马达能效变革的庞大商机。


以往旧有的马达设计,已无法符合节能高效的要求,因应马达效率要求日趋严格,国际上在马达节能技术方面将朝向降低转子、定子的损失,开发连续操作的定速马达、可调整负载变化的变速马达、永磁马达等新马达技术及应用马达控制技术(如变频器)发展,以提高马达效率。


为因应全球对电子产品日益严格的节能效率要求,CTIMES日前邀集了Silicon Labs、茂宣企业、Linear Technology、Allegro和文晔科技共同举办了「高效能马达关键技术研讨会」,针对新一代电子产品对节能技术的要求进行深入讨论,范围涵盖高效能马达国际节能发展趋势、高效能马达MCU节能控制技术、高速隔离器为马达控制应用带来的效益,以下为研讨会重点实纪。



图一 : CTIMES主办的高效能马达关键技术研讨会,报名参加者踊跃,现场坐无需席。
图一 : CTIMES主办的高效能马达关键技术研讨会,报名参加者踊跃,现场坐无需席。

节电关键:正确选用马达与系统设计


首先登场的是由工研院机械所能源机械部经理郑咏仁,针对高效能马达国际节能发展趋势议题进行深度说明。「马达为机械之母,机械为工业之母」,马达为各种动力机械的核心设备,目前已广泛应用在泵浦、送风机、压缩机、空压机、工具机等相关设备。由于马达动力设备所耗电力约占工业用电近70%,成为主要的用电设备。工研院机械所能源机械部经理郑咏仁表示,马达耗电量占总用电量之46%,而三相马达为目前工业使用量最多的一种马达类型(约占90%),对此,各国优先推动三相马达效率提升计划。


根据国际能源总署数据中指出,使用高效率马达约可节省4~5%的马达用电,如果再结合马达驱动系统(例如:马达大小、泵浦管线、传动装置、工厂制程等进行效率优化)更可省下20~30%的马达系统用电。郑咏仁进一步指出,正确选用马达与系统设计,能够在长时间使用下节省相当可观的电力花费。



图二 : 工研院机械所能源机械部经理郑咏仁,针对高效能马达国际节能发展趋势议题进行深度说明。
图二 : 工研院机械所能源机械部经理郑咏仁,针对高效能马达国际节能发展趋势议题进行深度说明。


反观目前国内的产业状况,三相马达国内产总销数量约为190万台,其中国内大厂数量占26.7%,中小厂数量占31.2%,代理商(含外商)数量占16.4%,而自产应用则占了25.7%。截至目前国内约有100~150家马达制造商,其中又以东元、大同的产量为最大宗。


此外,IEK的研究报告中亦特别指出七项影响动力机械系统节能的因素,分别为:1.马达本身的效率。2.被带动旋转机械的效率。3.动力传动系统的效率。4.系统的匹配设计。5.系统的控制操作。6.系统的管理与维修。7.供应电源的质量。简言之,只要改善马达系统便可提升用电效率20%~25%。


紧接着第二场是由Silicon Labs亚太区微控制器市场经理彭志昌针对高效率马达MCU节能控制技术议题进行详细说明。目前MCU应用的领域相当广泛,其中又以马达控制占MCU应用最大比例,而马达类别可区分为:AC(交流电)马达、DC(直流电)马达、步进马达以及特殊领域专用马达这四大类别。


有鉴于这几年环保节能意识持续高涨,接连带动终端设备也开始走向节能环保风,再加上,由于采AC(交流电)电源设计的电器设备在能源转换效率方面不甚理想,因而带动采DC(直流电)电源设计的电器设备迅速窜起。为了要通过欧美的环保节能标准规范,MCU业者也陆续采用DC电源设计的电器设备。



图三 : Silicon Labs亚太区微控制器市场经理彭志昌针对高效率马达MCU节能控制技术议题进行详细说明。
图三 : Silicon Labs亚太区微控制器市场经理彭志昌针对高效率马达MCU节能控制技术议题进行详细说明。


彭志昌表示,马达控制和其他工业电力系统必须具备长期可靠性以及延长的保固期,并且能够安全运行长达20年,不过容易发生故障状况的光耦合驱动器往往成为关键问题。其主要的原因在于光耦合驱动器基于LED技术,使得讯号输出容易受到输入电流、温度和老化的影响。


尤其是输入开关电流的变化减小,开发人员无需担心老化的影响,因此可以简化系统设计。由于具备较高的组件可靠性和更长的生命周期,能够让系统供货商支持长期质量保证,并且降低产品维修和更换等成本。


接着是由Silicon Labs的资深应用工程师刘斐中针对高速隔离器为马达控制应用带来的效益议题进行深度探讨。由于隔离器的参数要求取决于终端设备应用的需求,因此设计者往往会更强调部分隔离器参数的重要性。举例来说,在嘈杂的工业环境中使用隔离器,可能会让设计者优先考虑高共模瞬态抗扰度(CMTI),而不是低功耗操作。此外,高精度的ADC应用亦可能导致设计者优先考虑低抖动,而非脉冲宽度失真。对此,设计者绝大多数会采取独立验证这些参数的方式,以便确保能够符合系统要求。


而目前新型的隔离式闸极驱动器已可支持高达5kV隔离等级和10kV电涌保护,其理想的配置和封装更加适合替换光耦合驱动器,并且能够广泛应用在高功率马达控制、工业驱动器、太阳能电源和EV/HEV逆变器、交换式和不间断电源等。



图四 : Silicon Labs的资深应用工程师刘斐中针对高速隔离器为马达控制应用带来的效益议题进行深度探讨。
图四 : Silicon Labs的资深应用工程师刘斐中针对高速隔离器为马达控制应用带来的效益议题进行深度探讨。


此外,由于HEV/EV、太阳能和风能系统等应用要求隔离器具备20年以上的使用寿命,并且通常在120°C以上的高温环境中运行,为了确保噪声工业环境下的数据完整性,需要稳定的、具有高度共模瞬变事件抗扰度的隔离设备。


刘斐中更进一步指出,共模瞬态抗扰度(CMTI)是指隔离器抑制快速共模瞬变的能力,通常使用的测量单位为kV/μs。而共模瞬变是隔离应用中数据损坏的主要原因之一。故CMTI非常重要,因为高转换率(高频率)瞬变会通过寄生电容,跨越隔离栅进行耦合,从而破坏数据。


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