帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
高效馬達推動節能設計再進化
台灣馬達提昇朝向IE2/IE3邁進

【作者: 江城】   2013年07月15日 星期一

瀏覽人次:【6418】
  

在受到廣泛討論的能源議題中,降低馬達耗電量一直是眾所矚目的焦點。馬達是推動所有電子電力設備運轉的核心裝置,平均占總用電量達50%,工業領域中馬達更占據約70%的電力消耗,因此,近年來全球各國都積極推動改善馬達能源效率,帶動了「高效率馬達」設計趨勢,並因而促使半導體廠商開發出更多可提升馬達能效的先進元件。


馬達主要作用是將電力轉換為機械能,是所有機器和許多電子產品的動力來源。馬達的類型有很多種,基本上有直流和交流兩大類型。直流馬達分為有刷及無刷馬達,交流馬達則分為感應馬達和同步馬達。


據歐盟馬達挑戰計畫,交流馬達約佔96.2%;直流馬達佔3.8%。而在交流馬達中又以三相馬達為工業使用量最多的一種馬達類型,佔有率接近90%,故全球各國目前均優先推動三相馬達效率提升計畫,訂定高效率馬達能源效率基準和實施時間表。


國際高效馬達節能標準現況

為了解決應用最大量的感應馬達能耗問題,國際電工委員會在2008年公佈了IEC 60034-30國際標準,將交流感應馬達區分為IE1、IE2及IE3三個效率等級,並在2010年再公佈IEC60034-31定義IE4(超優級效率,Super Premium Efficiency),IE4甚至可較IE3減少15%的損耗。目前,全球各國都朝著IE2/IE3的方向前進,台灣也開始加快腳步。


為跟進國際馬達效率標準,台灣由工研院機械與系統研究所執行能源局的高效率馬達應用技術開發與推廣計劃,參考IEC 60034-30等標準提出了CNS14400標準修訂建議案,在2012年3月26日公告實施。新標準將高效感應馬達區分為高效率的IE1+、優級效率的IE2,以及超高效率的IE3。與2003年的舊版標準相比,新版的IE1+即相當於舊版的高效率感應馬達。新版標準將促使廠商開發出符合全球能源效率標準的產品,以迎合節能減碳趨勢。



圖一 : 目前國內外能源標準趨勢(資料來源:工研院機械所)
圖一 : 目前國內外能源標準趨勢(資料來源:工研院機械所)

工研院機械所能源機械部經理鄭詠仁分析道,據IEA研究顯示,影響馬達效率的主要因素包括有馬達本身效率、被帶動旋轉機械的效率、動力傳動系統效率、系統匹配設計、系統控制操作、系統管理與維修,以及供應電源的品質等。但重點還是在馬達本身的設計和採用的技術。


據經濟部能源局統計,2010年台灣的電力消費總量約2,200億度,其中工業用電約佔50%,而馬達驅動設備又占總工業用電的35%。因此,若能改善馬達系統,預估將可把用電效率提升20%~25%。



圖二 : 傳統泵浦系統與結合能效技術的系統效率比較(資料來源:工研院機械所)
圖二 : 傳統泵浦系統與結合能效技術的系統效率比較(資料來源:工研院機械所)

台灣朝IE2/IE3邁進

經濟部預定自2015年起將全台灣的馬達提升至符合IE2能源效率標準等級,並將於2017年達到IE3標準。為了鼓勵國內業者使用高效率馬達,經濟部在今年中宣佈了一項為期三年的補助方案,希望激勵馬達製造商開發高能效的產品。這項補助方案將分兩階段執行,第一階段為期1年,主要推廣能源效率達IE2等級以上(含IE3)的產品;第二階段為期2年,主要將針對能源效率達IE3等級以上進行補助。


經濟部強調,國內馬達製造商及代理商等申請者,需承諾在計畫期間銷售IE2、IE3馬達於國內使用,每年總量達10,000kW以上方可獲得補助。每案補助標準為每kW補助100元(IE2)或300元(IE3),並以推動核定數量內高效率馬達總kW數作為申請補助費用之計算。第一階段補助經費預估需6,000萬元,全程3年總經費1.8億元。


據經濟部預估,這項為期三年的計劃可望推廣高效率馬達60萬kW,有效提升使用誘因,全程至105年預估累計節電約1.2億度,之後每年可持續節電0.54億度。同時,透過這項三年計畫,預估可為國內創造15.6億元的馬達產值,促進台灣業者開發達到IE3等級的馬達技術,帶動約50億元的馬達機械關聯產業產值。


事實上,促進國內開發高效馬達的主要優勢在於能更快與國際接軌。在將國內馬達能源效率基準提升至IE2之後,將可建構與國際接軌的管制環境。此外,工研院機械所統計,在實施IE2馬達最低能效標準管制後,每年約可節省3.43億度電,並可達到每年約2.13億公斤的節能減碳量。


馬達電子技術趨勢

近年來在效率與節能風潮帶動下,無刷直流馬達開始崛起,特別在家電、電腦週邊和廣大消費應用領域,無刷直流馬達由於具備體積小、構造簡單等優勢而廣受關注。


傳統直流馬達採用電刷與換向片,在高速運作下電刷與換向片的磨擦很可能引發故障,而直流無刷馬達是改進傳統直流馬達缺點的一種產品。它以電子元件取代了傳統的電刷和換向片,運用磁力及磁場變化的換向來達到旋轉輸出。基本上,電子式換向器主要是利用霍爾效應感測馬達位置的變化,以此控制電晶體的開或關。


採用無刷直流馬達的優勢相當多,除了減少電氣雜訊、提高可靠度、啟動速度快且易於控制外,最主要的優勢還在於無刷直流馬達的省電特性,能夠讓更多電子設備符合新的節能標準。其次無刷直流馬達也能應用在較高溫環境下,比起傳統感應馬達更耐用,維修費用也更低。但無刷直流馬達需要較高的驅動電路成本,同時,隨著馬達漸趨小型化,如何精準地設計感測電路也成為一大挑戰。


在直流無刷馬達中,負責感應磁場變化並送出馬達控制訊號的霍爾感測器是最重要的元件之一。但在一些不適合使用感測器的場合 - 如高溫、危險的作業環境中,並不適合感測器,因而發展出了另一種無感測器的無刷直流馬達控制技術。一般的無刷直流馬達透過感測器決定轉子的位置與速度,而無感測器的控制技術則由於不依靠感測器決定轉子的位置和速度,因此為了符合馬達極高的執行速度和達到所需的精確度,就必須使用高性能的控制元件。


目前市面上已經有許多現成的元件可用來實現無感測器控制,Allegro公司開發出的A4960便是一例。A4960是一款三相無感測器無刷直流馬達控制器,它能夠與外部N通道MOSFET共同使用,可用於液壓幫浦、燃油幫浦、風扇和各種BLCD 馬達。


其馬達是透過阻塞換相(梯形換相)驅動,無需使用獨立的位置感測器,而是透過馬達反電動勢(BEMF)的監控來決定。其內建的啟動方案可透過串列介面進行配置,讓A4960能適用於多種馬達類型和負載組合。串列介面同時也提供了多種閘驅動和診斷參數的編程能力。



圖三 : A4960的標準應用方塊圖(資料來源:Allegro)
圖三 : A4960的標準應用方塊圖(資料來源:Allegro)

在開發電子設備的過程中,馬達的選擇對產品的成功與否至關重要。每一種應用都有它適合的馬達類型,例如許多新興的高品質白色家電便適合選擇採用變頻電路驅動的直流無刷馬達來達到省電功效;而在一些特定應用環境中,無感測器的馬達設計是最佳方案。基本上,必須綜合考慮馬達運作方式、效能、能源效率和成本等因素,才能找到最符合需求的馬達解決方案。


高效率馬達前瞻技術進展

目前國內外都已投入前瞻性的高效率馬達技術研發,研究人員主要是從材料、馬達類型和關鍵組件三個領域著手。


在新材料方面,銅轉子馬達和無稀土馬達頗受關注,投入研發的單位包括有美國陸軍研究實驗室(Army Research Laboratory)、空調與製冷技術研究所(Air Conditioning and Refrigeration Technology Institute)、國家可再生能源研究室(National Renewable Energy Laboratory)和東京理科大學(Tokyo University of Science)等。


銅轉子馬達是由於純銅導電度比純鋁高約60%,將鼠籠式馬達的轉子端環和導條(conductor bar)以純銅代替純鋁,平均約可提高馬達效率3~8%。而無稀土馬達則完全不使用磁鐵的開關磁阻馬達構造,避免製造原料高度仰賴中國(佔全球稀土金屬產量 9 成)。與使用電磁鋼板為鐵芯之馬達相比,製造成本約可下降30%。


馬達技術進展方面,在以成本為前題考量下,目前包括奇異全球研發中心(GE Global Research)、橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)和美國愛荷華艾姆斯國家實驗室(Ames National Laboratory)等,也都正積極研究薄型永磁馬達(包括EV馬達、機踏車薄型馬達、輪鼓馬達、超導馬達等)。


這些應用在特殊汽車的馬達都具有縮小硬體佔用空間減少重量、不需減速器、降低成本與傳動機構簡化等特點。預估到2020年新型馬達的製造成本可降低達75%,透過磁性最佳化之設計可降低設備生產成本約 25% 到 40%。


另外,電動機實驗室(Electrical Machines Laboratory)和美國超導公司(American Superconductor Corporation)正著手開發微型高功率變頻器,目標是將變頻率節能控制模組應用於馬達傳動改變轉速,以驅動各項動力設備,如流體機械進行負載控制,其主要特徵為功率高、體積小且耐高溫,可開發出更高效的小型電子裝置。


相關文章
工業機器人歷經萌芽茁壯 著眼成熟發展契機
馬達與減速機廠商亟待轉型 從OEM設備升級協助智慧化
切削加工革新料法 夾治具廠商分向上下游整合
節能減碳讓泵浦長智慧了
確保馬達更精準順暢 運動控制目標明確
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
Arduino Motor Shield
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
mbed
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Arduino
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
  相關新聞
» 瑞薩推出R-Car聯盟Proactive Partner Program 加速創新車輛機動性
» 韋能能源攜手杜邦太陽能及氟材料 共推綠色能源發展
» Gartner:2019 Q3全球PC出貨量升1.1% Windows 10換機潮仍為成長關鍵
» 資策會開發靈活高彈性的iServCloud雲端資源管理平台
» 秀台灣綠能產業實力 2019台灣國際智慧能源週開展
  相關產品
» 東芝推出新款電壓驅動型光繼電器TLP3407SR 採用小封裝且降低輸入功耗
» Imagination推出第二代IEEE 802.11n Wi-Fi IP 專為低功耗應用設計
» 高通推出全新參考設計 整合5G、Wi-Fi 6和固定無線接取家用閘道器
» TE推出全新Sliver電纜插座和電纜線組 兼顧訊號和功率的解決方案
» 大聯大詮鼎推出高通QCC3024右聲道USB輸出的整合耳機於安全帽設計方案
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw