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在工業及家電設備中導入智慧化設計

上網時間: 2007年11月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:能源  能效  白色家電 

在當今全球緊密聯繫的地理環境中,任何微觀或宏觀經濟事件似乎都會導致各種能源成本的顯著提高,這些能源的種類包括電子、氣態及液態能源等。隨著成本不斷提升,為了節省有限的資源,過去在各類應用中被視為理所當然的能效問題正變得越來越重要。

許多設備,如包含消費和商用設備在內的白色家電(洗碗機、乾衣機、電冰箱、冰櫃和空調等)已經非常普及,除非它們出現故障需要更換或修理,否則我們平時很少注意到它們。

對於非常低階的產品,直接替換可能比修理更具成本效益;然而,所替換的設備通常仍是傳統且能效極低的設備。為了滿足在能效方面的新規章制度,OEM業者必須生產更高階(和更昂貴)的型號,這些產品應採用更高能效的設計方法,但成本只能稍高於採用傳統方法設計的中低階產品。

除了各國當地的規章制度外,各國之間也存在著各不相同的國際規章問題,因此,不同地區可能都需要特殊或獨特的產品型號。

為了更好地管理珍貴的設計資源並獲得規模經濟效益,OEM需要具備通用模組的平台,能讓他們建構少量的客製化產品,這樣一來,針對不同地區的法規所需要的獨特型號,就只需在元件或韌體部份做稍微修改即可。與之前的應用相比,這種平台與模組化方法所需的工程技能有很大的不同。

傳統產品通常使用簡單的介面,如水分流開關;溫度指度盤(烤箱、電冰箱、冰櫃和空調);或用於洗碗機的機械式計時器。這些設備均可用現成的元件製造。

今天,先進的設計會採用LCD、微控制器甚至網際網路連接來實現遠端診斷或‘早期警告’預防維護措施。主要的運動元件(壓縮機、泵或旋轉裝置用的馬達)正變得越來越複雜,電子整流(EC)馬達正逐步取代電容啟動或分相交流馬達。

採用EC馬達除了能提高能效外,還具備其他優勢,如降低工作噪音、減少震動和提高可靠性。為了達到這些目標,OEM商必須要更善於針對應用需求進行建模,並能快速開發出產品。

上開式和前開式洗衣機的差別就是一個簡單的例子。傳統上開式洗衣機的攪動器透過振盪來洗掉衣服中的污垢,然後透過滾筒高速旋轉進行脫水,所有功能都由簡單的機械式計時器控制。

前開式洗衣機則更加複雜,它採用了LED(或是LCD)顯示器,具有更多的滾動設置、水質清澈度檢測(以便最佳化清洗時間)和旋轉速度高達2,000rpm的EC馬達(脫水功能較舊型洗衣機強)。這些裝置必須能隨著衣服的滾動偵測到負載變化,這些資訊必須用來控制馬達速度和扭矩以確保平滑、無噪音地工作,同時降低能耗。另外,乾衣機可以採用濕度檢測裝置來最佳化總洗衣/乾燥時間。

可編程的模組化平台可協助OEM業者用最少的精力和成本,為不同領域提供適合的元件,並將一些關鍵的差異化特性保留在微控制器韌體中。

圖:白色家電中採用變頻馬達控制的比重正不斷升高。
圖:白色家電中採用變頻馬達控制的比重正不斷升高。

據IMS Research公司預測,採用變頻馬達控制的家電比例將從2005年的10%上升到2011年的20%。這種變化在洗衣機和室內空調方面的表現最為明顯。

透過充分利用當前微處理器提供的整合優勢、提升技術團隊的軟體/韌體開發能力,並採用更高能效的模組化平台,OEM可滿足業界不斷變化的規格要求,同時縮短產品上市時間、增強產品的差異化特性、降低製造成本,為最終用戶提供更可靠、更具性價比的解決方案。

受能效需求影響的其他工業領域還包括工業自動化馬達設備和商用HVAC設備。隨著產業向EC馬達轉移,設備品質的改善和使用成本的降低將進一步節省能量。製造生產線是能效提高的主要受益者,它們將受益於新一代整合式馬達控制器帶來的更長壽命以及預防性與優先維護措施。

以汽車和製藥生產線為例,其每小時的停工檢修成本高達數十甚至數百萬美元。而這種後續的能源節省和作業簡化成果,將很快彌補更先進馬達和控制器的安裝費用。

製造設備中有60%以上的能量用於馬達,並以熱、震動、噪音和馬達運作等形式消耗掉。因為馬達在滿負載工作是最有效率的,因此,採用大小合適的馬達,對最佳化製造設備能耗和降低前期成本來說非常關鍵。而老式馬達對製造設備而言尺寸通常都會過大,因此前期和後續工作成本並不理想。

對大多數馬達(無論是交流感應還是永磁)而言,當工作負載小於滿負載(FL)的40%時,馬達效率就會大打折扣。由於製造設備中使用的馬達幾乎有44%工作在FL的40%以下,因此採用新一代馬達和控制器將可顯著節省能量和前期成本。

例如,採用EC風扇可為最終用戶提供精的低雜訊解決方案,這種方案具有可變速度、更高效率、更寬工作範圍下的更高速度以及更長的使用壽命。

變速功能可透過降低速度以匹配負載要求來降低HVAC和其他設備中的噪音。在老式的HVAC冷凝器設備中,如果負載降低,系統會關掉一個或多個風扇來減少噪音。而當所有風扇保持工作但速度降下來以匹配負載要求時,噪音降低程度會更顯著。

現在,超載保護正在推動馬達應用轉向整合式SoC方案。過去,超載保護功能是用雙金屬斷路器實現的。設備除了必須容許某種程度的終端用戶客製化以外,還必須遵循特殊的熱規範與特殊的跳閘曲線。

Teridian半導體公司已開發出一種單轉換器技術,這種技術非常適合上述設備中要求的高精密度電流測量。以71M6403電子跳閘元件為例,它相當適合斷路和保護繼電器應用。該元件整合了一個22位元的delta-sigma A/D轉換器、6個初級電流感測器輸入和1個次級輸入、數位溫度補償電路、一個精密電壓參考源、一個32位元可編程運算引擎、多個計時器、一個即時時脈、兩個UART和一個單週期執行8位元微控制器。

這款可編程元件內建了數位di/dt積分器,可支援任何或所有輸入通道使用比流器線圈或Rogowksi線圈,並提供暫態或延遲的過流保護和其他保護功能。這種元件經過配置可支援匹配現場特殊負載配置的普通或定製保護演算法。

獨立於8位元MCU的可編程32位元運算引擎主要用於接收和處理來自22位元A/D轉換器的所有感測器資料。MCU則處理更高的系統層管理和通訊。這種混合訊號度量子系統和管理子系統的分離可避免外部中斷和不必要的處理開銷。

Teridian公司提供的另一款元件71M-8100測量控制器有三個輸入,可用於檢測和控制第二級參數,如溫度、震動、空氣流動、壓力和濕度。利用這些相同的晶片級基礎架構,可滿足未來工業自動化、保護和控制功能增強的進一步創新要求。

Tom Kapucija

行銷總監

Teridian Semiconductor




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