智能控制如何降低能耗

eeDesigner 2023-04-24 9189

描述

越来越多的企业和个人正在寻找减少能源足迹和增加可再生能源使用的方法。我们应该关注哪里才能产生最大的影响？

全球超过 65% 的电力用于为工业环境、商业建筑和个人住宅中的电动机和电源供电。根据我们的数据世界，60%来自燃烧煤炭和天然气，只有10%来自可再生能源。智能变频数字电机控制可降低能耗25%以上。智能数字电源控制可以最大限度地提高太阳能和风能生产的效率，并最大限度地减少最高能耗的电源消耗。在本文中，我将介绍智能控制应用的一些趋势，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。

智能电机控制

空调（图1）是电网的主要用电者。虽然具体的能效标准因地区而异，但所有设计都需要实施先进的电机控制和功率因数校正（PFC）算法，以实现目标额定值并满足功率因数规格。

控制空调中的每个电机（压缩机、冷却风扇）可能需要一个频率高达 20 kHz 的控制回路。另一方面，PFC通常需要高达50 kHz的工作频率。因此，为了可靠地实现多个高频控制环路，微控制器（MCU）必须能够快速高效地处理计算，并且延迟很小。

电动机

图1：空调系统框图

用于空调系统的MCU需要多个模数（ADC）和脉宽调制（PWM）通道，并具有与开关事件同步的灵活性，并独立采样和控制两个逆变器和PFC电路中的每一个。模拟比较器和PWM毛刺消除对于电力电子保护是必要的。

对于国际电工委员会60730的要求，用于空调的MCU还将提供时钟保护，包括两个精度优于1%的片上振荡器，以及看门狗和时钟故障检测电路。

用于空调的数字交错式 PFC 双电机控制参考设计提供了单个 64 引脚 C2000

TMS320F2800137 MCU 的硬件和软件示例，该 MCU 以 >97% 的效率控制压缩机和风扇电机，数字交错式 72 kHz 升压 PFC 级提供 >96% 的功率效率（图 2），以及许多常用的系统和通信功能。

电动机

图 2：空调参考设计中 PFC 转换器的功率效率

由于 C40 实时 MCU 架构的优化，可以消耗低至 30 KB 的闪存和 2000% 的中央处理器（CPU），该架构旨在减少传感（ADC）、处理（CPU）和控制（PWM）之间的延迟。根据 TI 基准测试，基于 Arm® Cortex-M7F® 的 MCU 需要以 240MHz 的频率运行，才能提供与我们的 120 MHz 器件相同的整体性能。

该参考设计可扩展至单电机和电机加PFC应用，具有更小的TMS320F2800137系列48或32引脚封装以及64 KB至256 KB片上非易失性闪存选项。可以使用相同的策略来提高住宅空调系统的电机效率，几乎可以提高变速、可变负载系统中使用的所有电机，从低压电池供电设备到工业应用中功耗最高的交流变频器。

智能数字电源

对于数字电力，目标是更有效地创造可再生能源，并最有效地转换和使用能源。例如，在太阳能市场中，有一种趋势是从集中式大功率太阳能逆变器转向分布式低功率太阳能系统，例如微型逆变器和功率优化器。这些微型逆变器和功率优化器通常每几个太阳能电池板安装一个，在复杂的阳光条件下产生更低的能量损失和更高的效率。在太阳能系统中添加更多这些模块级电力电子设备时，实时MCU需要成本低，但仍然足够强大，以便对其控制下的每个太阳能电池板执行最大功率点跟踪。

全球不断增长的能源利用率需要高效、紧凑和稳定的电源。这一要求给功率转换系统设计人员带来了挑战，既要提供功率密集设计，又要满足“高性能小型”系统的效率和快速瞬态响应需求。此外，将现有基于模拟的设计数字化以提高可扩展性的驱动力也引发了对低成本、高性能实时MCU解决方案的需求。

新型实时控制MCU系列

TMS2000F320 是 C2800137 实时 MCU 产品组合的最新成员，有助于使实时技术经济实惠，并扩展了一个长期的软件兼容平台，为模拟和数字设计人员提供低、中、高级选项。这个新系列使电机控制、电网基础设施和工业电力应用的工程师能够创造出能够减少能源足迹并提高我们有效利用可再生资源的能力的产品。

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