更高效電機驅動(dòng)的基本挑戰和解決方案

摘要：本文針對汽車(chē)和電機行業(yè)介紹能夠減緩CO₂增長(cháng)速度的挑戰和有效解決方案。

　　根據 OICA(世界汽車(chē)工業(yè)國際協(xié)會(huì ))，人類(lèi)活動(dòng)導致氣候變化可能是21世紀人類(lèi)社會(huì )面臨的最大挑戰，而CO2是一個(gè)主要副產(chǎn)物。CO2并不是影響氣候變化的唯一因素，但它允許社會(huì )各界和各行各業(yè)做些積極的事情來(lái)控制CO2對氣候變化的影響。世界資源研究所關(guān)于全球資源CO2排放量的數據表明 16%來(lái)自機動(dòng)車(chē)輛、44%來(lái)自發(fā)電和加熱、40%電力由工業(yè)和消費電子電機消耗[1]。本文針對汽車(chē)和電機行業(yè)介紹能夠減緩CO2增長(cháng)速度的挑戰和有效解決方案。

汽車(chē)： 車(chē)輛電氣化

　　減少石油燃料和能耗的更高效汽車(chē)能夠減少CO2排放量。每年都投入幾十億美元研發(fā)經(jīng)費，研究替代燃料來(lái)源以及如何改進(jìn)傳統的內燃機。長(cháng)期挑戰包括生產(chǎn)周期的長(cháng)時(shí)間(也就是5-7年)概念，支持新架構、可持續發(fā)展、容易獲得，且價(jià)格可行的替代燃料來(lái)源。使用新燃料并不重要，因為車(chē)輛設計需要滿(mǎn)足預定的質(zhì)量和性能標準。近期挑戰包括減少動(dòng)力系統的重量和尺寸并實(shí)現車(chē)輛電氣化。車(chē)輛電氣化是將機械系統替代為電氣系統，以及電動(dòng)和混合動(dòng)力驅動(dòng)電機。實(shí)例包括選擇較小電機，輔以電動(dòng)增壓器、電動(dòng)助力轉向、電動(dòng)水泵、電驅動(dòng)空調和電氣推動(dòng)系統。解決這些挑戰有助于減少燃料和能源消耗，從而幫助生產(chǎn)CO2排放量更少的車(chē)輛。

工業(yè)和消費電子： 感應電機到變頻電機(ECM、無(wú)刷式)

　　能夠減少電力消耗的更高效電機有助于減少CO2排放量。人們在不斷研究更節能的氣冷和水冷系統。挑戰包括長(cháng)壽命設計(8-15 年無(wú)故障壽命)、重點(diǎn)關(guān)注可再生、替代能源的研發(fā)投資、以及能夠最大程度地提高各種電機效率的復雜控制和變頻驅動(dòng)。面臨的挑戰和機遇是尋找合適的應用，繼續使用目前占全球已安裝電機 90% 的可靠感應電機，并使用更高效電機(包括風(fēng)扇和泵)，來(lái)循環(huán)和冷卻空氣/水。風(fēng)扇趨勢包括電子整流電機 (ECM) 或無(wú)刷直流 (BLDC) 電機，以及專(zhuān)業(yè)開(kāi)關(guān)磁阻 (SR) 電機。對變頻電機不斷增長(cháng)的需求可以節省電機消耗電力的約 30%，或者節省全球所消耗電力的 12%。更高效電機有助于降低 CO₂排放的增長(cháng)率。

最終影響趨勢的解決方案和平衡

　　電力系統設計人員必須克服很多挑戰才能生產(chǎn)出耐用、可靠、高效的電機驅動(dòng)。在汽車(chē)和工業(yè)/消費電子應用中，環(huán)境和應用條件都很?chē)谰?，并且總擁有成本必須?jīng)過(guò)嚴格控制。例如，汽車(chē)機架式電動(dòng)助力轉向系統可能遇到超過(guò)100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動(dòng)負載，并且會(huì )接觸石油產(chǎn)品和鹽水噴霧，同時(shí)要求提供150A或更高的電機相電流，而損耗最小。家用電器、工業(yè)電機和泵都是針對放置于幾乎沒(méi)有強制氣流外殼中的設計和電路。高效電機將不同的電機技術(shù)、復雜的控制、熱機械創(chuàng )造性設計、新封裝和新硅技術(shù)融合到功率半導體中。若電源結構和工作條件(包括電源電壓、轉速、負載轉矩和溫度)已定義好，則效率決定因素包括電機技術(shù)類(lèi)型、不同脈寬調制(PWM) 控制方法和功率分立器件和功率模塊之間的選擇。

解決方案1：恢復和改進(jìn)的電機技術(shù)

　　雖然滿(mǎn)載效率評級較高，但是大部分電機不是以滿(mǎn)載條件運轉。哪種電機技術(shù)最好? 看情況而定。大多數ACIM在75%至90%的額定負載下以最高效率運行。ACIM的轉子和定子損耗主要是由銅或鋁電阻產(chǎn)生，而其磁芯損耗是由鐵轉子和定子中的渦電流和滯后效應導致的。對于通常以峰值幾分之一的負載使用電機的應用而言，通過(guò)優(yōu)化預期負載范圍內的效率，每年節省下來(lái)的能量相當于節省電機/控制采購價(jià)格的 50%。美國能源部(DOE)預計44%的工業(yè)電機(記得90% 已安裝電機為感應電機)始終以低于其額定負載的40%運行。平均來(lái)說(shuō)，交流感應電機(ACIM)僅提供 44%的效率，而B(niǎo)LDC電機通常以65% 至90%的效率運行。 作為電動(dòng)汽車(chē)牽引電機，圖1比較了ACIM和BLDC的電機效率(實(shí)際上，此處為室內永磁交流電機)。 由于BLDC電機的永磁轉子結構，BLDC電機不會(huì )產(chǎn)生轉子銅損。BLDC電機還具有更高效變速運行的優(yōu)勢，而在類(lèi)似負載條件下傳統ACIM僅提供15%-40%的效率。新電機技術(shù)和驅動(dòng)電機的更復雜控制能夠進(jìn)一步最大化交流感應電機(ACIM)、正弦電機(即永磁交流和永磁同步電機)和ECM或無(wú)刷直流(BLDC)電機的效率。

解決方案2：通過(guò)PWM提高效率的方法

　　理想的電機功率波形可以顯著(zhù)提高效率。有很多種PWM方法，每種都有利有弊(表1)。連續PWM (CPWM)比如正弦PWM和空間矢量PWM(SVPWM)是指電源電壓波形輸送到電機三相前的調制。非連續PWM(DPWM)是指基于空間矢量 PWM的兩相調制，因為電機只有兩相進(jìn)行PWM，而第三相配合始終“導通”的高側或低側晶體管運行。DPWM產(chǎn)生較低的開(kāi)關(guān)損耗，但會(huì )產(chǎn)生施加到電機的較高輸出紋波電壓。本文沒(méi)有提到DPWM變化和各種控制方法比如磁場(chǎng)定向控制(FOC)、變頻驅動(dòng)(VFD)和梯形控制。本文提到的SVPWM和DPWM方法可視為三次諧波注入技術(shù)。通常來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)損耗和電源電壓波形質(zhì)量比較表明較低調制下的SVPWM和高調制范圍內的DPWM方法具有優(yōu)越的性能。綜合恰當的功率半導體器件和恰當的PWM控制方法，從而產(chǎn)生恰當的電源電壓波形，有助于高效推動(dòng)一種電機技術(shù)^[2]。