一个取决于PE工程师的多元化驱动器市场

日期:2012-04-25

  
        作者:David G. Morrison,编辑,How2Power.com

  工业驱动器市场包括非常广泛和多样性的电机和运动控制范围。从不足1马力到1000多马力的电机,都有很大不同电压等级和范围广泛的控制要求,工业驱动器必须服务于需求广泛的所有类型工业机械。

  在这种多样性之外,也有一些共同的市场压力,增加了设计和制造工业驱动器的挑战。由于电机是能耗大户,必要的是其驱动器(和机器的一部分)尽可能的高效。凭借其在生产中的作用,驱动器必须高度可靠、寿命长。同时,与几乎所有电源一样,客户要的驱动器要尽可能小,以帮助缩小其设备的尺寸。必须满足所有这些目标,同时兼顾其他需求,如电磁兼容性(EMC)和成本。

  当你结合了多样性的应用需求与提高性能的市场的压力时,工业自动化(IA)领域的电力电子(PE)工程师最会终获得潜在的机会。一个部分IA公司网站最近的一项调查表明,这些组织正在寻求聘请PE工程师。你可以看到一些如这篇文章的在线版本的职位空缺。

  在许多驱动器的设计目标的追求过程中,开发工业驱动器的PE工程师们正在评估和部署最新一代以硅为基础的功率半导体,同时也密切关注不久的将来新兴的碳化硅器件。这些工程师也正在应用新的拓扑选择,如有源前端,它提供了多种应用效益。

  成熟的驱动器市场的多样性化需求

  较高水平的电力电子工业驱动器设计是由常见的几乎所有电力电子应用技术要求来推动的,艾默生电源转换器控制技术部顾问Bill Drury解释说。Drury说,“这些驱动器必须实现任务(和所需的性能)、工作环境、可靠性和寿命,并最确定成本和价格。”

  在IA领域,执行的任务性质可能很不相同,导致电机驱动器有非常不同的要求。

  Drury说:“例如,考虑一下机床轴,在这个应用中需要非常高水平的加速和减速,往往有高重复率。电源转换器(和电机)都必须能够应付非常高的过载。相比之下,风扇或泵类型的负载,很少要求动态性能。”

  同时,实际功率水平和电机电压,以及它们控制的要求也可能有很大的不同,罗克韦尔自动化驱动发展总监Tom Lenk描述道。

  他说:“我们正在跨越从小马力到一兆瓦的范围,电压不同,无论是从230V或480V到所有15kV。Lenk说,“我们在寻找不同的控制性能。

  除了广泛范围内所需的功率水平,还有一个由功率级要求更加细分化的成熟的驱动器市场,Lenk表示。“因此,电力电子产品继续扩大范围,以适应更智能的买方,他们试图找到具体的、合适的功率器件。”

  Drury指出,驱动器市场也在迁移到更高的电压。Drury说“随着工业自动化产品额定功率的增加,在更高电源电压运作的产品需要增加。这带来了一系列新型电力电子电路拓扑结构和功率半导体器件。”

  追求其他目标的效率

  高效率、高可靠性、体积小是工业驱动器设计目标的第一追求。实现这些目标的PE工程师利用可获得的最佳(但符合成本效益)功率半导体器件,包括设计师能力,在很大程度上取决于准确地模拟这些器件的能力。

  Lenk说:“效率和可靠性至关重要。但是我们在寻找PPM和正常运行时间已经随着功率半导体器件的改善而大大改善。

  实现更高的效率不是为了其本身,而是其他目的,包括更小尺寸和新的功能。Drury说:“这不单是一个低碳问题,而是反映到产品尺寸(热量少意味着更小的尺寸)和冷却等成本。很多工作正在开展,为的是减少电力电子设备的损耗,这将继续下去。”

  Lenk观察了如何高功率驱动器的尺寸问题变得越来越重要。

  “提高功率密度有一个固定的市场压力。你走向功率大,压力变得更具戏剧性。在一个小的1马力或1千瓦的驱动器中,控制电路板和用户界面要大于功率部分。但我们开发电源时,电源冷却系统开始成为一个主要因素,支持直流母线的电容器也是一个主要因素,半导体的散热很关键。”

  PE的工程师专注于这些热管理问题。

  “电源工程师今天在不断用器件开关速度寻求热权衡,以减少损耗,但由于开关更快,我们创造了更多的噪声,那么你需要一个更大的滤波器。所以,我们正在不断努力,我们正在密切关注顶级的功率半导体器件制造商,以获得最佳的功率器件,以最小尺寸满足给定的功率级别。”

  Drury谈到了尺寸问题或工业领域驱动器的空间需求。

  Drury说:“机器制造商正在寻找减少尺寸其机器和控制柜的路径,其中包含驱动器。在极端的情况下,他们采用了分布式解决方案来减小现有的尺寸。还有就是在一个机器上使用了越来越多的驱动器,所以,即使控制柜不减小,也要放入更多的东西。封装内存在多个驱动模块,在某些情况下,这可能是有用的,但对尺寸有持续的压力。”

  听到这一提高效率的重点,你可能会误以为工业传动是相对低效的。然而,并非如此。Lenk指出,现有的驱动器已经达到97%至98%的效率。

  然而,还有一个挑战,即使保持了这种效率水平,驱动器制造商还要增加产品的新功能。例如,用有源前端取代传统的二极管或基于SCR的前端,以为客户提供巨大的好处(见图。)

  运动控制系统框图(英飞凌科技提供)。用一个有源前端期待二极管或基于SCR的AC-DC整流器,驱动器制造商可以提供高功率因数,减少线路谐波。有源前端也可实现再生能力,使制动电机产生的能量回到交流线路上,而不是作为热量浪费。

  利用有源前端(它是基于IGBT的功率转换器),减缓电机运行产生的能量可以放回AC线路,而不是作为热量浪费了。这个过程中,它类似于混合动力汽车和电动汽车中正在实施的技术,被称为再生。此功能支持客户追求更高的能源效率。同时,有源前端还可以清理线路,减少驱动器的谐波,提高其动力,这也将有助于减少客户的电力帐单。

  使用有源前端的一个意外收获——驱动器现在可以满足较宽的输入电压范围。Lenk介绍了一个HVAC应用。

  “我们在HVAC领域又一个原始设备制造商,它在美国销售产品。这是一个480V的产品,他们在欧洲销售的产品是400V产品。今天,当他们不使用驱动器时,他们必须使用两种不同的电机,为适应欧洲的50Hz和400V。如果我们利用有源前端,我们实际上可以使用有源前端使400V提高到一个直流电压,相当于480V,他们可以在欧洲使用相同的电机和相同的驱动器。”

  Lenk指出,在过去,有源前端往往被用于更高功率的驱动器,节约的能源才是最大的。Lenk说,但相关的硅成本已有所回落,有源前端技术已应用在低功率水平。

  这个讨论在这篇文章的在线版本继续着,在那里你可以读到寻求改进的功率半导体器件和工业驱动器开发更好的器件型号。本部分还着眼于工业自动化趋势对电力电子的影响。文章总结了最近工业自动化、电力电子工程师的职位空缺。

  作者简介

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