智慧控制如何降低能耗

作者 : Chris Clearman,TI全球馬達控制解決方案經理

本文將探討智慧控制應用的一些趨勢,以及分享智慧控制如何降低能耗和提高再生能源效率的示例...

越來越多的企業和個人都在尋找減少能源足跡和增加使用再生資源的方法。為了產生顯著的效果,我們應該把重點放在哪些方面?

全球超過65%的電力用於為工業環境、商業建築和個人住宅中的馬達和電源供電。據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%的電力來自再生能源。智慧變頻數位馬達控制則可降低25%以上的能耗。智慧數位電源控制可以更大限度地提高太陽能和風能的生產效率,並更大限度地減少超高能耗設備的電源功耗。

本文將探討智慧控制應用的一些趨勢,以及分享智慧控制如何降低能耗和提高再生能源效率的示例。

智慧馬達控制

空調(1)是電網中的主要耗電設備。雖然具體的能效標準因地區而異,但所有設計都需要實施先進的馬達控制和功率因數校正(PFC)演算法,以達到目標額定值並滿足功率因數規格。

控制空調中的每個馬達(壓縮機、冷卻風扇)可能需要一個以高達20kHz的頻率運行的控制迴路。另一方面,PFC通常需要高達50kHz的工作頻率。因此,為了可靠地實施多個高頻控制迴路,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算。

1:空調系統方塊圖。

用於空調系統的MCU需要多個類比數位轉換器(ADC)和脈衝寬度調變(PWM)通道,以靈活地與開關事件同步,並獨立採樣和控制兩個逆變器和PFC電路。類比比較器和PWM干擾消除是電力電子保護所必需的。

根據國際電子電機委員會60730的要求,用於空調的MCU還將提供時脈保護,包括兩個精度高於1%的晶片振盪器,以及看門狗和時脈故障檢測電路。

具有數位交錯式PFC、適用於空調的雙馬達控制參考設計提供了單個64接腳C2000 TMS320F2800137 MCU的硬體和軟體示例,該MCU以>97%的效率控制壓縮機和風扇馬達,具有數位交錯式72kHz升壓PFC級,提供>96%的電源效率(2)以及諸多常見的系統和通訊功能。

圖2:空調PFC轉換器參考設計的電源效率。

由於最佳化了旨在減少檢測(ADC)、處理(CPU)和控制(PWM)間延遲的C2000即時MCU架構,因此僅消耗40KB的快閃記憶體和30%的中央處理單元(CPU)。根據TI基準測試,Arm Cortex-M7F MCU需要以240MHz運行,才能提供與我們的120MHz器件相同的整體性能。

該參考設計可擴展到單馬達和馬達增強型PFC應用,具有更小的TMS320F2800137系列48或32接腳封裝和64KB至256KB晶片上非揮發性快閃記憶體選項。該參考設計也可用來提高住宅空調系統馬達到變速、變負載系統(從工業應用中的低壓電池供電器件到超高功耗的交流驅動器)中幾乎所有馬達的效率。

智慧數位電源

對於數位電源,目標是更高效地創造再生能源,以及更高效地轉換和使用能源。例如,太陽能市場趨向於從集中式大功率光伏逆變器轉向分散式低功率太陽能系統,例如微型逆變器和功率優化器。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化器,用於在複雜的日光條件下產生更低的能量損耗和更高的效率。當在太陽能系統中添加更多此類別模組級電力電子設備時,即時MCU需要具有低成本,但仍要足夠強大,以便對其控制下的每個太陽能電池板執行最大功率點追蹤。

全球的能源利用需求不斷成長,因此需要高效、緊湊和穩定的電源。這一要求已經給電源轉換系統的設計人員帶來了挑戰:既要提供功率密集型設計,又要滿足「尺寸足夠小但性能高」系統的效率和快速瞬態響應需求。此外,推動將現有的類比設計數位化以提高可擴展性,也引發了對低成本、高性能即時MCU解決方案的需求。

例如,TI C2000即時MCU產品系列的新成員­——TMS320F2800137,有助於降低即時技術的成本,並擴展長期的軟體相容平台,為類比和數位設計人員提供低、中和高級選項。利用這個新系列,馬達控制、電網基礎設施和工業電力應用的工程師能夠創建既能減少能源足跡、又能提高再生資源利用率的產品。

本文原刊登於EDN China網站,Demi編譯

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