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高效能馬達關鍵技術研討會(上)
掌握關鍵馬達技術 實現全面節能自動化設計

【作者: 陳韋哲】   2013年05月28日 星期二

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由於傳統馬達驚人的耗電量造成能源上的高負擔,美、加巿場已開始強制要求馬達必須兼顧能源效率,並對違規者祭出嚴重罰鍰,進而撼動全球馬達產業的革新與翻盤。台灣生產的馬達中,有多項產品產量佔世界第一,在全球巿場佔有一席之地。台灣馬達相關產業勢必要加速提升自身技術,革新產品的設計與製造能力,並趁勢趕上這一波馬達能效變革的龐大商機。


以往舊有的馬達設計,已無法符合節能高效的要求,因應馬達效率要求日趨嚴格,國際上在馬達節能技術方面將朝向降低轉子、定子的損失,開發連續操作的定速馬達、可調整負載變化的變速馬達、永磁馬達等新馬達技術及應用馬達控制技術(如變頻器)發展,以提高馬達效率。


為因應全球對電子產品日益嚴格的節能效率要求,CTIMES日前邀集了Silicon Labs、茂宣企業、Linear Technology、Allegro和文曄科技共同舉辦了「高效能馬達關鍵技術研討會」,針對新一代電子產品對節能技術的要求進行深入討論,範圍涵蓋高效能馬達國際節能發展趨勢、高效能馬達MCU節能控制技術、高速隔離器為馬達控制應用帶來的效益,以下為研討會重點實紀。



圖一 :  CTIMES主辦的高效能馬達關鍵技術研討會,報名參加者踴躍,現場坐無需席。
圖一 : CTIMES主辦的高效能馬達關鍵技術研討會,報名參加者踴躍,現場坐無需席。

節電關鍵:正確選用馬達與系統設計


首先登場的是由工研院機械所能源機械部經理鄭詠仁,針對高效能馬達國際節能發展趨勢議題進行深度說明。「馬達為機械之母,機械為工業之母」,馬達為各種動力機械的核心設備,目前已廣泛應用在泵浦、送風機、壓縮機、空壓機、工具機等相關設備。由於馬達動力設備所耗電力約佔工業用電近70%,成為主要的用電設備。工研院機械所能源機械部經理鄭詠仁表示,馬達耗電量佔總用電量之46%,而三相馬達為目前工業使用量最多的一種馬達類型(約佔90%),對此,各國優先推動三相馬達效率提昇計畫。


根據國際能源總署資料中指出,使用高效率馬達約可節省4~5%的馬達用電,如果再結合馬達驅動系統(例如:馬達大小、泵浦管線、傳動裝置、工廠製程等進行效率最佳化)更可省下20~30%的馬達系統用電。鄭詠仁進一步指出,正確選用馬達與系統設計,能夠在長時間使用下節省相當可觀的電力花費。



圖二 :  工研院機械所能源機械部經理鄭詠仁,針對高效能馬達國際節能發展趨勢議題進行深度說明。
圖二 : 工研院機械所能源機械部經理鄭詠仁,針對高效能馬達國際節能發展趨勢議題進行深度說明。


反觀目前國內的產業狀況,三相馬達國內產總銷數量約為190萬台,其中國內大廠數量佔26.7%,中小廠數量佔31.2%,代理商(含外商)數量佔16.4%,而自產應用則佔了25.7%。截至目前國內約有100~150家馬達製造商,其中又以東元、大同的產量為最大宗。


此外,IEK的研究報告中亦特別指出七項影響動力機械系統節能的因素,分別為:1.馬達本身的效率。2.被帶動旋轉機械的效率。3.動力傳動系統的效率。4.系統的匹配設計。5.系統的控制操作。6.系統的管理與維修。7.供應電源的品質。簡言之,只要改善馬達系統便可提昇用電效率20%~25%。


緊接著第二場是由Silicon Labs亞太區微控制器市場經理彭志昌針對高效率馬達MCU節能控制技術議題進行詳細說明。目前MCU應用的領域相當廣泛,其中又以馬達控制佔MCU應用最大比例,而馬達類別可區分為:AC(交流電)馬達、DC(直流電)馬達、步進馬達以及特殊領域專用馬達這四大類別。


有鑑於這幾年環保節能意識持續高漲,接連帶動終端設備也開始走向節能環保風,再加上,由於採AC(交流電)電源設計的電器設備在能源轉換效率方面不甚理想,因而帶動採DC(直流電)電源設計的電器設備迅速竄起。為了要通過歐美的環保節能標準規範,MCU業者也陸續採用DC電源設計的電器設備。



圖三 :  Silicon Labs亞太區微控制器市場經理彭志昌針對高效率馬達MCU節能控制技術議題進行詳細說明。
圖三 : Silicon Labs亞太區微控制器市場經理彭志昌針對高效率馬達MCU節能控制技術議題進行詳細說明。


彭志昌表示,馬達控制和其他工業電力系統必須具備長期可靠性以及延長的保固期,並且能夠安全運行長達20年,不過容易發生故障狀況的光耦合驅動器往往成為關鍵問題。其主要的原因在於光耦合驅動器基於LED技術,使得訊號輸出容易受到輸入電流、溫度和老化的影響。


尤其是輸入開關電流的變化減小,開發人員無需擔心老化的影響,因此可以簡化系統設計。由於具備較高的元件可靠性和更長的生命週期,能夠讓系統供應商支援長期品質保證,並且降低產品維修和更換等成本。


接著是由Silicon Labs的資深應用工程師劉斐中針對高速隔離器為馬達控制應用帶來的效益議題進行深度探討。由於隔離器的參數要求取決於終端設備應用的需求,因此設計者往往會更強調部分隔離器參數的重要性。舉例來說,在嘈雜的工業環境中使用隔離器,可能會讓設計者優先考慮高共模瞬態抗擾度(CMTI),而不是低功耗操作。此外,高精度的ADC應用亦可能導致設計者優先考慮低抖動,而非脈衝寬度失真。對此,設計者絕大多數會採取獨立驗證這些參數的方式,以便確保能夠符合系統要求。


而目前新型的隔離式閘極驅動器已可支援高達5kV隔離等級和10kV電湧保護,其理想的配置和封裝更加適合替換光耦合驅動器,並且能夠廣泛應用在高功率馬達控制、工業驅動器、太陽能電源和EV/HEV逆變器、交換式和不斷電供應系統等。



圖四 :  Silicon Labs的資深應用工程師劉斐中針對高速隔離器為馬達控制應用帶來的效益議題進行深度探討。
圖四 : Silicon Labs的資深應用工程師劉斐中針對高速隔離器為馬達控制應用帶來的效益議題進行深度探討。


此外,由於HEV/EV、太陽能和風能系統等應用要求隔離器具備20年以上的使用壽命,並且通常在120°C以上的高溫環境中運行,為了確保噪聲工業環境下的數據完整性,需要穩定的、具有高度共模瞬變事件抗擾度的隔離設備。


劉斐中更進一步指出,共模瞬態抗擾度(CMTI)是指隔離器抑制快速共模瞬變的能力,通常使用的測量單位為kV/μs。而共模瞬變是隔離應用中數據損壞的主要原因之一。故CMTI非常重要,因為高轉換率(高頻率)瞬變會通過寄生電容,跨越隔離柵進行耦合,從而破壞數據。


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