物联网技术如何让设备降低能耗？

Cherry

随着碳达峰碳中和的深入推进，关于碳排放交易的价值凸显出来，在这种背景下，越来越多的企业开始注重如何减少碳排放。

那么，如何才能兼顾生产效率和碳排放呢？可以从哪些方面着手呢？本文将从智能控制设备入手，分享如何降低能耗的示例。

智能电机控制

空调（图 1）是电网中的主要耗电设备。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，以达到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）可能需要一个以高达 20kHz 的频率运行的控制环路。另一方面，PFC 通常需要高达 50kHz 的工作频率。因此，为了可靠地实施多个高频控制环路，微控制器(MCU) 必须能够在几乎无延迟的情况下迅速高效地处理计算。

图1：空调系统方框图

用于空调系统的 MCU 需要多个模数 (ADC) 和脉宽调制 (PWM) 通道，以灵活地与开关事件同步，并独立采样和控制两个逆变器和 PFC 电路。模拟比较器和 PWM 干扰消除是电力电子保护所必需的。

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

具有数字交错式 PFC、适用于空调的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，具有数字交错式 72kHz 升压 PFC 级，提供 >96% 的电源效率（图 2）以及诸多常见的系统和通信功能。

图 2：空调 PFC 转换器参考设计的电源效率

由于优化了旨在减少检测 (ADC)、处理 (CPU) 和控制 (PWM) 间延迟的 C2000 实时 MCU 架构，因此仅消耗 40KB 的闪存和 30% 的中央处理单元 (CPU)。根据 TI 基准测试，Arm? Cortex?-M7F MCU 需要以 240MHz 运行，才能提供与我们的 120MHz 器件相同的整体性能。

该参考设计可扩展到单电机和电机增强型 PFC 应用，具有更小的 TMS320F2800137 系列 48 或 32 引脚封装和 64KB 至 256KB 片上非易失性闪存选项。该参考设计也可用来提高住宅空调系统电机到变速、变负载系统（从工业应用中的低压电池供电器件到超高功耗的交流驱动器）中几乎所有电机的效率。

智能能耗控制系统

对于传统热电厂、锅炉厂来说，更智能动态的控制能耗，可以更高效地转换和适用能源。例如，太阳能市场趋向于从集中式大功率光伏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。通常，每几个太阳能电池板安装一个此类微型逆变器和功率优化器，用于在复杂的日光条件下产生更低的能量损失和更高的效率。当在太阳能系统中添加更多此类模块级电力电子设备时，实时 MCU 需要具有低成本，但仍要足够强大，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，也需要从整体把控，整体监测所有设备的运行状态和能耗需求，以此来优化供能和储能系统。

随着全球范围内能源价格攀升，因此需要更高效、节能的能耗系统。为此，传统热电厂的关键设备通过接入机智云工业互联网平台，并部署上智能能耗控制系统，一方面，各类锅炉运行状态诸如温度、压力、水位、流量、燃烧、排烟、各设备状态、地理位置等信息，可以实时同步到手机端/PC端，借助平台上的AI系统，实现了工业锅炉的网络化智能监测，一旦锅炉有异常，就会立刻在手机端/PC端告知操作管理人员，或者是通过电话自动拨打管理人员电话，方便及时解决。另一方面，通过监测燃烧相关的数据，还能智能判断燃烧和传热水平，AI系统会根据数据自动优化，以提高能源利用率，在节能的同时，可减少CO2的排放。

目前机智云智能能耗控制系统已经赋能锅炉供热、污水处理厂等行业。