高效电机控制满足太瓦时电力需求
今天的电器及系统设计人员可能是地球上最“友好 (friendly)”的群体！他们毕生致力于设计各种制造友好、用户友好，现在还加上环境友好的产品。在制造方面，设计必需与现有的生产设备及方法兼容，而客户需要功能丰富且可靠性更高、拥有成本更低的产品。时至今日，设计人员还得遵守各种各样的生态化设计政策及标准。那么，有没有什么工程友好的产品呢？
欧盟 (EU) 包括27个成员国，覆盖5亿多人口和全球国内生产总值 (GDP) 的33%。作为EU的执行机构，欧洲委员会 (EC) 负责提出有关商业、运输和能效方面的法规或指令。由于欧盟根源于技术创新性，EC在节能指令的开发和演进方面为全球领先。许多国家，包括中国和美国在内，都把EC指令作为自己能源政策的模板。
尽管在产品设计期间，这些指令常常令人觉得十分碍手，但它们正是推动生态友好(eco-friendly) 产品创新的催化剂，有助于确保清洁健康的环境并保护自然资源。全球各个政府都在积极制定相关法规，以降低温室效应气体排放量、减少对发电设施的需求，最终降低消费者和工业的电力费用。强制性提高民用、商用和工业用设备的效率是实现上述目标最具成本效益、最快速的途径。
为了让消费者和各企业更好地认识到提高常用电器能效的重要性，EC颁布了Directive 92/75/EEC指令，规定了标准化标签格式，其中包括效率数据和预估年耗能量。这些标签提供了必要的信息，让消费者能够在充分估算过购买价格和能耗带来的拥有成本之后再做出购买决定。
属于自愿性质的能源之星 (Energy Star®) 计划为达到能效标准的电器颁发能源之星标签。这些产品的能耗或水耗比普通型号低10-66%，同时仍具有足够的功能和可靠性。获能源之星标签的电器每年能够节省20-30% 的能源成本。
鉴于这一规范的节能潜力巨大，已有若干补充指令和修正案陆续出台，强制各类民用和商用设备满足最小效率要求。冰箱、冷柜、洗衣机、干燥机、洗碗机、炉具、热水器、空调和照明源都需要进行能效分级。能效分级也是电视机、计算机、打印机及其它小型设备的选配。图1显示了美国家庭每年的耗电量分布。美国、中国和印度的电机耗电量分别占总耗电量的20%、50% 和75%。
在现代化国家中，一个家庭每年的耗电量大约在11,000千瓦时 (kWh) 左右，成本将近1,000欧元。这一能量中，相当大数量是由洗衣机、空调、加热器、吊扇等电器中的电机消耗掉的。在美国，该部分电能为100太瓦时，每年为此花费80亿欧元。基于此，效率提高5% 就意味着每年节约50亿kWh即4.25亿欧元之巨。商业和工业方面的节省同样可观。
交流感应电机 (ACIM) 采用传统价廉的材料，维护成本最低，且具有出色的可靠性，故几十年来一直是家用电器和工业应用的首选。据估计，目前全球已安装电机中，有90% 为感应电机。过去数年间，铜和钢铁的价格不断大幅攀升，同时新技术的出现带来了更为价廉的磁体材料。这种发展趋势赋予了无刷DC (BLDC) 及永磁同步电机 (PMSM) 等永磁电机新的生命。创新且复杂完善的控制系统的开发让BLDC、PMSM甚至 ACIM电机都能够发挥出最大潜力。
电机的效率受到许多因素影响，其中包括电源电压、负载级、控制和调制方案、占空比乃至温度。大部分ACIM工作负载为额定负载的75-90% 时，效率为峰值效率的70% 左右。在轻载时，ACIM效率大幅下降。而据估计，目前商业和工业应用中的电机有44% 的工作负载低于其额定负载的40%。因此，对于那些内部电机大部分时间的工作负载都只有额定负载几分之一的应用，在高效率控制及电机上的投资只需短短两年即可收回。
目前先进的电机控制采用了自适应相位时序、定子/转子场建模、总线补偿和功率因数校正等多种先进技术，以最大限度地发挥电机的每一分效率。峰值效率一般意味着峰值转矩的减小、速度范围的变窄，或控制电路损耗的额外增加。而被称为可变速驱动 (VSD) 的最新电子控制技术允许电机工作在很宽的速度和负载范围内。智能VSD能够根据应用的要求自动提供所需的高效工作、峰值速度和峰值转矩。相比某些系统中的电机，采用最先进半导体技术的VSD能够以双倍效率工作。
功率半导体公司已投入无数财力和时间来开发相关元件及技术，让电器和机械设计人员能够实现高效电机控制，同时尽可能降低研发成本并大幅缩短上市时间。飞兆半导体的智能功率模块 (SPM®) 技术把每个电机控制设计所需的大量功率元件集成在一个小尺寸的生态设计友好封装中。这些高度集成的解决方案全面整合了3相MOSFET或IGBT功率桥、高压门驱动器、自举二极管 (bootstrap diode)、热保护功能和过流检测电路。此外，飞兆半导体还提供采用了该公司SPM技术的功率因数校正 (PFC) 模块。
SPM专门为ACIM、BLDC、PMSM和开关磁阻 (SR) 电机而设计，支持从10W 到 7.5kW的电机。这些模块采用了最先进的场截止 (Field-Stop) 技术，针对减小EMI和开关/传导损耗进行了优化。这些具成本效益的模块让电器和系统设计人员能够方便地在其运动控制产品中整合最新的效率提高技术。智能功率模块绝对是工程友好的！图2 显示了基于SPM 技术的简单的三相驱动原理。SPM明确了友好工程
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对于3相ACIM而言，变频驱动是目前最简单常用的变速控制。这些控制技术及其最新衍生产品每千瓦成本仅数十美元，已开始运用在十年前电机驱动还不具成本效益的应用中。在泵和通风驱动中，若利用AC感应电机可变速驱动来代替开关模式工作的传统定速系统，每年可实现高达50% 的节能。VSD通常可以去掉机械变速箱、滑轮、皮带及其它硬件。
尽管VSD能够简化机械系统、增强系统可靠性并提高长远效率，但在过去，这些传统驱动技术的某些特性阻碍了它们成为定速应用的高效解决方案。现在，先进的控制算法和电子产品已能够解决其中大部分问题。例如，有了磁场定向控制 (FOC)算法，ACIM就可以工作在那些以往需要有刷DC电机的应用中了。这是因为它们的负载动态变化响应性能和低速转矩性能都得到了改善。直到最近，ACIM及其控制的成本开始逼近有刷DC电机及控制。这些趋势将继续推动以往由有刷DC电机及驱动实现的主流应用中新电机拓扑的开发。
每一年都有无数电子设备面市，并在家用领域找到用武之地。全球的电力需求量正在以前所未有且令人担忧的速度增长。新技术的开发势在必行，并必须集成到这些设备中，以确保未来能源供应可满足我们的需求，而且其价格应该不至于让普通消费者不敢问津。迄今为止，还只有很少的普通电器和工业系统采用高效电机及控制技术。而飞兆半导体等公司正在致力于提供工程友好的创新高效解决方案。