電機(jī)智能控制如何降低能耗
2022-12-8 14:33:18??????點(diǎn)擊：
越來越多的企業(yè)和個人都在尋找減少能源足跡和增加使用可再生資源的方法。為了產(chǎn)生顯著的效果，我們應(yīng)該把重點(diǎn)放在哪些方面？
全球超過 65% 的電力用于為工業(yè)環(huán)境、商業(yè)建筑和個人住宅中的電機(jī)和電源供電。據(jù) Our World in Data 資料顯示，60% 的電力來自燃燒煤炭和天然氣，只有不到 10%的電力 來自可再生能源。智能變頻數(shù)字電機(jī)控制則可降低 25% 以上的能耗。智能數(shù)字電源控制可以更大限度地提高太陽能和風(fēng)能的生產(chǎn)效率，并更大限度地減少超高能耗設(shè)備的電源功耗。在本文中，我們將探討智能控制應(yīng)用的一些趨勢，以及分享智能控制如何降低能耗和提高可再生能源效率的示例。
智能電機(jī)控制
空調(diào)（圖 1）是電網(wǎng)中的主要耗電設(shè)備。雖然具體的能效標(biāo)準(zhǔn)因地區(qū)而異，但所有設(shè)計(jì)都需要實(shí)施先進(jìn)的電機(jī)控制和功率因數(shù)校正 (PFC) 算法，以達(dá)到目標(biāo)額定值并滿足功率因數(shù)規(guī)格。
控制空調(diào)中的每個電機(jī)（壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)扇）可能需要一個以高達(dá) 20kHz 的頻率運(yùn)行的控制環(huán)路。另一方面，PFC 通常需要高達(dá) 50kHz 的工作頻率。因此，為了可靠地實(shí)施多個高頻控制環(huán)路，微控制器 (MCU) 必須能夠在幾乎無延遲的情況下迅速高效地處理計(jì)算。
用于空調(diào)系統(tǒng)的 MCU 需要多個模數(shù) (ADC) 和脈寬調(diào)制 (PWM) 通道，以靈活地與開關(guān)事件同步，并獨(dú)立采樣和控制兩個逆變器和 PFC 電路。模擬比較器和 PWM 干擾消除是電力電子保護(hù)所必需的。
根據(jù)國際電工委員會 60730 的要求，用于空調(diào)的 MCU 還將提供時(shí)鐘保護(hù)，包括兩個精度高于 1% 的片上振蕩器，以及看門狗和時(shí)鐘故障檢測電路。
具有數(shù)字交錯式 PFC、適用于空調(diào)的雙電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)提供了單個64引腳C2000TmMCU的硬件和軟件示例，該 MCU 以 >97% 的效率控制壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)，具有數(shù)字交錯式 72kHz 升壓 PFC 級，提供 >96% 的電源效率（圖 2）以及諸多常見的系統(tǒng)和通信功能。
由于優(yōu)化了旨在減少檢測 (ADC)、處理 (CPU) 和控制 (PWM) 間延遲的 C2000 實(shí)時(shí) MCU 架構(gòu)，因此僅消耗 40KB 的閃存和 30% 的中央處理單元 (CPU)。根據(jù) TI 基準(zhǔn)測試，Arm? Cortex?-M7F MCU 需要以 240MHz 運(yùn)行，才能提供與我們的 120MHz 器件相同的整體性能。
該參考設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到單電機(jī)和電機(jī)增強(qiáng)型 PFC 應(yīng)用，具有更小的 系列 48 或 32 引腳封裝和 64KB 至 256KB 片上非易失性閃存選項(xiàng)。該參考設(shè)計(jì)也可用來提高住宅空調(diào)系統(tǒng)電機(jī)到變速、變負(fù)載系統(tǒng)（從工業(yè)應(yīng)用中的低壓電池供電器件到超高功耗的交流驅(qū)動器）中幾乎所有電機(jī)的效率。
智能數(shù)字電源
對于數(shù)字電源，目標(biāo)是更高效地創(chuàng)造可再生能源，以及更高效地轉(zhuǎn)換和使用能源。例如，太陽能市場趨向于從集中式大功率光伏逆變器轉(zhuǎn)向分布式低功率太陽能系統(tǒng)，例如微型逆變器和功率優(yōu)化器。通常，每幾個太陽能電池板安裝一個此類微型逆變器和功率優(yōu)化器，用于在復(fù)雜的日光條件下產(chǎn)生更低的能量損失和更高的效率。當(dāng)在太陽能系統(tǒng)中添加更多此類模塊級電力電子設(shè)備時(shí)，實(shí)時(shí) MCU 需要具有低成本，但仍要足夠強(qiáng)大，以便對其控制下的每個太陽能電池板執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤。
全球范圍內(nèi)能源利用需求不斷增長，因此需要高效、緊湊和穩(wěn)定的電源。這一要求已經(jīng)給電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)：既要提供功率密集型設(shè)計(jì)，又要滿足“尺寸足夠小但性能高”系統(tǒng)的效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)需求。此外，推動將現(xiàn)有的模擬設(shè)計(jì)數(shù)字化以提高可擴(kuò)展性，也引發(fā)了對低成本、高性能實(shí)時(shí) MCU 解決方案的需求。
全球超過 65% 的電力用于為工業(yè)環(huán)境、商業(yè)建筑和個人住宅中的電機(jī)和電源供電。據(jù) Our World in Data 資料顯示，60% 的電力來自燃燒煤炭和天然氣，只有不到 10%的電力 來自可再生能源。智能變頻數(shù)字電機(jī)控制則可降低 25% 以上的能耗。智能數(shù)字電源控制可以更大限度地提高太陽能和風(fēng)能的生產(chǎn)效率，并更大限度地減少超高能耗設(shè)備的電源功耗。在本文中，我們將探討智能控制應(yīng)用的一些趨勢，以及分享智能控制如何降低能耗和提高可再生能源效率的示例。
智能電機(jī)控制
空調(diào)（圖 1）是電網(wǎng)中的主要耗電設(shè)備。雖然具體的能效標(biāo)準(zhǔn)因地區(qū)而異，但所有設(shè)計(jì)都需要實(shí)施先進(jìn)的電機(jī)控制和功率因數(shù)校正 (PFC) 算法，以達(dá)到目標(biāo)額定值并滿足功率因數(shù)規(guī)格。
控制空調(diào)中的每個電機(jī)（壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)扇）可能需要一個以高達(dá) 20kHz 的頻率運(yùn)行的控制環(huán)路。另一方面，PFC 通常需要高達(dá) 50kHz 的工作頻率。因此，為了可靠地實(shí)施多個高頻控制環(huán)路，微控制器 (MCU) 必須能夠在幾乎無延遲的情況下迅速高效地處理計(jì)算。
用于空調(diào)系統(tǒng)的 MCU 需要多個模數(shù) (ADC) 和脈寬調(diào)制 (PWM) 通道，以靈活地與開關(guān)事件同步，并獨(dú)立采樣和控制兩個逆變器和 PFC 電路。模擬比較器和 PWM 干擾消除是電力電子保護(hù)所必需的。
根據(jù)國際電工委員會 60730 的要求，用于空調(diào)的 MCU 還將提供時(shí)鐘保護(hù)，包括兩個精度高于 1% 的片上振蕩器，以及看門狗和時(shí)鐘故障檢測電路。
具有數(shù)字交錯式 PFC、適用于空調(diào)的雙電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)提供了單個64引腳C2000TmMCU的硬件和軟件示例，該 MCU 以 >97% 的效率控制壓縮機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)，具有數(shù)字交錯式 72kHz 升壓 PFC 級，提供 >96% 的電源效率（圖 2）以及諸多常見的系統(tǒng)和通信功能。
由于優(yōu)化了旨在減少檢測 (ADC)、處理 (CPU) 和控制 (PWM) 間延遲的 C2000 實(shí)時(shí) MCU 架構(gòu)，因此僅消耗 40KB 的閃存和 30% 的中央處理單元 (CPU)。根據(jù) TI 基準(zhǔn)測試，Arm? Cortex?-M7F MCU 需要以 240MHz 運(yùn)行，才能提供與我們的 120MHz 器件相同的整體性能。
該參考設(shè)計(jì)可擴(kuò)展到單電機(jī)和電機(jī)增強(qiáng)型 PFC 應(yīng)用，具有更小的 系列 48 或 32 引腳封裝和 64KB 至 256KB 片上非易失性閃存選項(xiàng)。該參考設(shè)計(jì)也可用來提高住宅空調(diào)系統(tǒng)電機(jī)到變速、變負(fù)載系統(tǒng)（從工業(yè)應(yīng)用中的低壓電池供電器件到超高功耗的交流驅(qū)動器）中幾乎所有電機(jī)的效率。
智能數(shù)字電源
對于數(shù)字電源，目標(biāo)是更高效地創(chuàng)造可再生能源，以及更高效地轉(zhuǎn)換和使用能源。例如，太陽能市場趨向于從集中式大功率光伏逆變器轉(zhuǎn)向分布式低功率太陽能系統(tǒng)，例如微型逆變器和功率優(yōu)化器。通常，每幾個太陽能電池板安裝一個此類微型逆變器和功率優(yōu)化器，用于在復(fù)雜的日光條件下產(chǎn)生更低的能量損失和更高的效率。當(dāng)在太陽能系統(tǒng)中添加更多此類模塊級電力電子設(shè)備時(shí)，實(shí)時(shí) MCU 需要具有低成本，但仍要足夠強(qiáng)大，以便對其控制下的每個太陽能電池板執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤。
全球范圍內(nèi)能源利用需求不斷增長，因此需要高效、緊湊和穩(wěn)定的電源。這一要求已經(jīng)給電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)：既要提供功率密集型設(shè)計(jì)，又要滿足“尺寸足夠小但性能高”系統(tǒng)的效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)需求。此外，推動將現(xiàn)有的模擬設(shè)計(jì)數(shù)字化以提高可擴(kuò)展性，也引發(fā)了對低成本、高性能實(shí)時(shí) MCU 解決方案的需求。
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