智能控制如何降低能耗

越來越多的企業(yè)和個人正在尋找減少能源足跡和增加可再生能源使用的方法。我們應(yīng)該關(guān)注哪里才能產(chǎn)生最大的影響？

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動機(jī)和電源供電。根據(jù)我們的數(shù)據(jù)世界，60%來自燃燒煤炭和天然氣，只有10%來自可再生能源。智能變頻數(shù)字電機(jī)控制可降低能耗25%以上。智能數(shù)字電源控制可以最大限度地提高太陽能和風(fēng)能生產(chǎn)的效率，并最大限度地減少最高能耗的電源消耗。在本文中，我將介紹智能控制應(yīng)用的一些趨勢，以及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)的主要用電者。雖然具體的能效標(biāo)準(zhǔn)因地區(qū)而異，但所有設(shè)計都需要實(shí)施先進(jìn)的電機(jī)控制和功率因數(shù)校正 （PFC） 算法，以實(shí)現(xiàn)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）可能需要一個頻率高達(dá) 20 kHz 的控制回路。另一方面，PFC通常需要高達(dá)50 kHz的工作頻率。因此，為了可靠地實(shí)現(xiàn)多個高頻控制環(huán)路，微控制器（MCU）必須能夠快速高效地處理計算，并且延遲很小。

圖1：空調(diào)系統(tǒng)框圖

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，并具有與開關(guān)事件同步的靈活性，并獨(dú)立采樣和控制兩個逆變器和PFC電路中的每一個。模擬比較器和PWM毛刺消除對于電力電子保護(hù)是必要的。

對于國際電工委員會60730的要求，用于空調(diào)的MCU還將提供時鐘保護(hù)，包括兩個精度優(yōu)于1%的片上振蕩器，以及看門狗和時鐘故障檢測電路。

用于空調(diào)的數(shù)字交錯式 PFC 雙電機(jī)控制參考設(shè)計提供了單個 64 引腳 C2000

TMS320F2800137 MCU 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)，數(shù)字交錯式 72 kHz 升壓 PFC 級提供 >96% 的功率效率（圖 2），以及許多常用的系統(tǒng)和通信功能。

圖 2：空調(diào)參考設(shè)計中 PFC 轉(zhuǎn)換器的功率效率

由于 C40 實(shí)時 MCU 架構(gòu)的優(yōu)化，可以消耗低至 30 KB 的閃存和 2000% 的中央處理器 （CPU），該架構(gòu)旨在減少傳感（ADC）、處理（CPU）和控制（PWM）之間的延遲。根據(jù) TI 基準(zhǔn)測試，基于 Arm? Cortex-M7F? 的 MCU 需要以 240MHz 的頻率運(yùn)行，才能提供與我們的 120 MHz 器件相同的整體性能。

該參考設(shè)計可擴(kuò)展至單電機(jī)和電機(jī)加PFC應(yīng)用，具有更小的TMS320F2800137系列48或32引腳封裝以及64 KB至256 KB片上非易失性閃存選項(xiàng)?？梢允褂孟嗤牟呗詠硖岣咦≌照{(diào)系統(tǒng)的電機(jī)效率，幾乎可以提高變速、可變負(fù)載系統(tǒng)中使用的所有電機(jī)，從低壓電池供電設(shè)備到工業(yè)應(yīng)用中功耗最高的交流變頻器。

智能數(shù)字電源

對于數(shù)字電力，目標(biāo)是更有效地創(chuàng)造可再生能源，并最有效地轉(zhuǎn)換和使用能源。例如，在太陽能市場中，有一種趨勢是從集中式大功率太陽能逆變器轉(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。這些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，在復(fù)雜的陽光條件下產(chǎn)生更低的能量損失和更高的效率。在太陽能系統(tǒng)中添加更多這些模塊級電力電子設(shè)備時，實(shí)時MCU需要成本低，但仍然足夠強(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。

全球不斷增長的能源利用率需要高效、緊湊和穩(wěn)定的電源。這一要求給功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)，既要提供功率密集設(shè)計，又要滿足“高性能小型”系統(tǒng)的效率和快速瞬態(tài)響應(yīng)需求。此外，將現(xiàn)有基于模擬的設(shè)計數(shù)字化以提高可擴(kuò)展性的驅(qū)動力也引發(fā)了對低成本、高性能實(shí)時MCU解決方案的需求。

新型實(shí)時控制MCU系列

TMS2000F320 是 C2800137 實(shí)時 MCU 產(chǎn)品組合的最新成員，有助于使實(shí)時技術(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，并擴(kuò)展了一個長期的軟件兼容平臺，為模擬和數(shù)字設(shè)計人員提供低、中、高級選項(xiàng)。這個新系列使電機(jī)控制、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)電力應(yīng)用的工程師能夠創(chuàng)造出能夠減少能源足跡并提高我們有效利用可再生資源的能力的產(chǎn)品。