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高效節能將是未來電機控制發展趨勢
(時間:2020-3-18 10:14:43)

  電機控制是指,對電機的啟動、加速、運轉、減速及停止進行的控制。根據不同電機的類型及電機的使用場合有不同的要求及目的。對于電機,通過電機控制,達到電機快速啟動、快速響應、高效率、高轉矩輸出及高過載能力的目的。
  電機控制發展歷史 
  最近兩年,電機市場正在從使用低能效的直流電機、步進電機、通用或交流感應電機轉向更高能效的無刷直流(BLDC)電機和永磁同步電機(PMSM),這一趨勢構成的部分原因是政府法規強制使用符合特定國際能效分類規范(IE1、IE2及IE3)的電機,另外還在于推動高能效BLDC或PMSM電機應用所需的半導體產品價格的快速下降。  
  自從十七世紀初期伏特發明電池以來,人類就迎來了電氣時期。在對電機的研發中,大體可以劃分為四個階段。 
  從十八世紀二十年代至十九世紀為第一階段,電磁原理現象被發現,而且還出臺了有關的法則,交流電機被研發出來 —— 電機被應用于工業領域中,并發揮著作用。 
  從二十世紀初期到七十年代為第二階段,此時電動機不斷地成長,進入到成熟期 —— 開始引入了電子控制技術和半導體驅動技術,使得變頻驅動技術在應用領域中發揮著作用,趨于實用化。 
  從二十世紀七十年代到二十世紀的末期第三階段,計算機技術的發展速度越來越快,而且迎來了高性能驅動發展,一些驅動裝置已經智能化方向發展 —— 控制系統裝置也趨于程序化。 
  從二十世紀末到二十一世紀為第四階段,多媒體技術盛行,互聯網技術在各個領域普及,就是在這樣的信息技術背景下 —— 電動機開始向節能方向發展,為構建環境友好型設備奠定技術,保證電機在運行中發揮著應有的性能,而且還發揮著節約能源的作用。 
  電機一直都在朝著高效能、小型化、低成本、高兼容性、結構簡單化的方向發展,這催生了更多先進的電機控制技術出現,從而不斷改變著電機控制市場的發展趨勢。 
  電機控制的發展趨勢 
  在德國提出工業4.0,美國提出先進制造業國家戰略方案,我國推動傳統制造業的轉型與升級的大背景下,傳統的電機和電機控制也正在發生改變,對電機控制也提出了新的需求。 
  節能 
  電機體系節能也是大勢所趨,但是僅僅用高效電機替換一般電機對整個電機體系的節能效果提高并不明顯,整個電機體系的節能才是真正的節能。因而,變頻器、伺服、逆變器和專用電機驅動大量用在風機、泵、壓縮機、升降機、電焊機、電動車電機、空調壓縮機、洗衣機電機和冰箱壓縮機中。 
  變頻器是電機體系節能的主力,節能首要表現在風機、泵類的運用上,選用變頻器后,能夠經過下降供電頻率來下降泵或風機的轉速,跟著轉速的下降,功率會快速下降。同時變頻器一般選用交-直-交變頻供電的方式,溝通異步電機吸收滯后的無功功率,經過變頻器供電,對電網而言,功率因數也有了一定提高,總體上節約了一部分電網輸電進程中損耗的電能。 
  變頻器、伺服驅動、逆變器和專用操控器中的IPM模塊、IGBT和MOSFET對節能降耗起到關鍵性效果。這些功率器材要求也越來越多,比方要求更低的產品成本、更緊湊的封裝尺度、更好的散熱功用,對功率器材的多樣化也提出要求,比方低功耗器材、緊湊規劃的大功率器材、低壓大功率器材、大電流高電壓器材等等。 
  高效 
  電機控制系統不但是變換和傳送能量的裝置,也是傳遞和溝通信息的通道,未來的工業電機體系不僅僅是一個執行機構,同時也會是整個工廠體系的一個有機組成部分和動力運用監控點。現在西門子、ABB生產的一些電機,能夠主動的采集和記錄電機內的電壓、電流、溫升、振蕩等狀況改變,并經過以太網將數據實時的送到操控中心,以供對電機的運轉狀況進行檢測和毛病診斷,使操作員不管身在何處均可拜訪參數、狀況和診斷信息,并可進行參數設置,從而提高效率。 
  近幾年被廣泛應用的分布式電機控制系統可提供一套模塊化解決方案,使機器能高效運轉,提高生產線的運轉效率及可靠性。有些電機驅動的控制,在設計上同時考慮了多種電機兼容,能夠適用異步電機和永磁同步電機的矢量控制,有效減少用戶庫存,無需考慮電機類型兼容問題,也是屬于高效運轉的表現。 
  另外,單獨機械設備中電機的軸數正變得更多,多軸操控越來越多的運用在包裝機械、電子拼裝機械、食物飲料機械、機械手和印刷機械中。為了滿足小批量、定制化和柔性化的加工需求,靈敏的調整電機操控的軸數,電機控制體系愈加開放,能夠重復編程,更加高效。 
  同時,電機控制正朝著集成化和智能化趨勢發展。 
  集成化 
  現代工廠的生產線正變得越來越復雜,比方汽車制造、包裝、食物飲料、倉儲物流等產線需要運用成百上千個變頻器、伺服和電機來控制物料活動,這些產線對分布式電機控制系統需求量比較大。 
  電機控制系統的分布式同時意味著電機控制產品的集成化,比方電機和電機驅動的集成,電機控制器和PLC的集成,電機控制器和驅動的集成。電機、電機驅動及其控制系統的高度集成化,與傳統電力傳動體系比較,它們體積更小、分量更輕、功率密度更高。 
  集成的概念不僅僅停留在電機、電機驅動和電機控制器,還包含整個電機體系的集成:第一個層面是橫向集成,包含電機控制器、電機驅動、電機和減速機的集成;第二個層面是縱向集成,是將電機體系歸入到整個工業控制體系。 
  就目前的發展看,更多的控制功能將集成到電機控制一體化中,趨向使用更高集成度的控制方案,這些方案比傳統分立器件方案更有助降低總體物料單(BOM)成本、減少方案占位面積,并使系統方案更輕、更高能效及更可靠。電機控制的集成化趨勢使客戶對電機控制MCU、FPGA和DSP的要求越來越高。 
  在這個趨勢中,對半導體芯片的要求將是高可靠性、簡約設計及功能集成、小型化、寬溫度范圍等多項新要求。同時要求半導體芯片廠商也能供給集成的解決方案,在單顆芯片中集成更多的功用、I/O、驅動、操控算法以及工業以太網模塊等。 
  8位MCU因為價格便宜、功用安穩、運用規模極為廣泛,8位MCU在變頻器操控、伺服電機操控、電力與動力監控,越來越多的以太網運用等現代工業環境下遇到了瓶頸。另外,32位MCU價格在進一步的走低,8位MCU和32位MCU的價格差異在縮小,所以未來的電機控制體系會用到越來越多的32位MCU。 
  智能化 
  除此之外,電機控制也在向智能化發展。智能化控制在許多的應用領域都獲得應用,并獲得良好的控制效果。例如:模糊控制、神經網絡控制、學習控制和居于專家系統的控制等。 
  這些控制方式最大的優點是:無需被控對象進行精確的數學建模,而且具有很強的魯棒性,非常適合控制電機這種非線性、變參數對象。比較成熟的有模糊控制,它不需要控制對象精確的數學模型,能克服非線性等因素的影響,對被控對象參數變化具有較強的魯棒性。目前,模糊控制已經在交直流調速系統中和伺服系統中取得很好的效果。 
  從未來的電機控制技術發展情況來看,由于系統的運行遵循了自動控制理論,計算機技術在應用領域中也實現了升級,滿足了多樣化的需求。對于智能化的數控產品進行研究,深入探索自動化技術,了解電機技術的發展方向。

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