馬達/驅動器/通訊模組助攻　選對工業自動化設備打造高效系統(1)

2024-10-02

Barley Li

挑選工業自動化設備時，有需多細部考量需要額外注意。本文將著重說明在指定馬達、驅動器和通訊模組時應考慮的數個準則，並說明如何結合節能馬達和通訊元素，提高整體系統的能源及運作效率。

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挑選工業自動化設備(如馬達、驅動器和通訊模組等)時，需要謹慎留意細微之處。例如，北美的美國電氣製造商協會(NEMA)和歐洲的國際電工委員會(IEC)，在馬達與驅動器額定值方面差異甚大。

挑選馬達、驅動器和控制器時，要考慮輸入和輸出電壓與容差、所需的速度範圍與調節需求、扭矩要求、加速、制動工作週期、快速或扭矩響應等特殊需求，以及包含熱管理等環境因素。

通訊需求則會根據設備在工業控制階層中的位置而有所不同。離廠區邊緣最近的層級，IO-Link等協定可用於智慧型感測器與致動器，而EtherCAT、PROFINET、Modbus和其他協定則可連接動作、安全、I/O和視覺。工廠自動化網路的最高層級通常使用乙太網路/IP來連接各種自動化控制器、程式設計介面和雲端，也常利用DisplayPort等協定來連接人機介面(HMI)。至於其餘層級，則可搭配使用乙太網路/IP、EtherCAT和其他協定，以便將廠區的現場層級連接到運作與控制層級。

由於細節過於龐雜，無法在單一討論說明清楚。本文將著重說明在指定馬達、驅動器和通訊模組時應考慮的數個準則，並介紹Siemens、Phoenix Contact、Omron Automation、Panasonic Industrial、Schneider Electric的應用、硬體與協定範例。

焦點從單一元件轉向整體系統

許多工業自動化系統中都可以看到馬達與驅動器的身影。本文將首先從工業自動化系統效能的眾多考量因素中說明馬達效率的適用性，並解釋相關的考量重點如何發生變化。

使用效率較高的馬達時，節能率可達6%，若進一步加入高效率驅動器及其他支援元件，節能率可提升30%之多。當重點轉移至整體系統最佳化時，將出現截然不同的關鍵因素。若將所有機械元件都納入考量，並增添通訊元素以和工業物聯網(IIoT)接軌，包括運作與工廠層級，最終再連結至企業層級和雲端，節能率可達60%，並提高生產力(圖1)。

圖1　從系統層面進行優化，可增強整體節能表現並提高生產力　(圖片來源：Siemens)

馬達系統的生態設計

IEC 61800-9第2部分「馬達系統的生態設計－能效測定和分類」不僅著重於馬達效率，也詳述電動馬達驅動式系統的一系列高階效能因素。變頻驅動器(VFD)可視為完整驅動模組(CDM)的一部分；其中CDM包括AC輸入饋送部分、基本驅動模組(BDM，例如變頻驅動器)以及輔助元件(包括輸入和輸出濾波器、線路扼流圈及其他支援元件)。

上述標準也將動力驅動系統(PDS)定義為CDM與馬達的組合，並將馬達系統描述為動力驅動系統加馬達控制設備，例如接觸器。最高層級是延伸產品，或是圖1中的整體系統，其中新增變速箱和負載機等機械驅動設備。

馬達的重要性

指定「電動馬達驅動式系統」時，得先指定馬達。只要正確指定和使用電動馬達，即能達到高效率。因此，指定馬達是機器設計人員的重要任務。

IEC以kW作為馬達功率的量化單位，NEMA則使用馬力(hp)，兩者可輕鬆進行換算。不過，IEC和NEMA使用不同的效率計算方式，同一馬達設計的IEC銘牌效率(Nameplate Efficiency)可能會稍微高於NEMA額定值。實際馬達效率與特定使用案例息息相關。因此，馬達效率標準通常會從減少能源損耗角度而非絕對效率進行討論。

IEC 60034-30-1為馬達效率訂定五個等級，即IE1至IE5。級與級之間的能源損耗下降20%，也就是說，IE5特超高優級(Ultra Premium)馬達的損耗比IE4超優級(Super Premium)馬達低20%，以此類推。還有更多層面需要考慮。在某些情況下，馬達的效率越高，其功率因素(PF)將下降。

在北美，NEMA的能效等級較少，但重要性不相上下。NEMA將IEC標準中未包含的馬達使用係數(SF)納入考量。SF為1.15的NEMA馬達能在115%的額定容量下連續運作，不過運作溫度較高，可能會縮短軸承和絕緣層的壽命。有別於SF，IEC根據連續運作與間歇性運作的差異、速度變化和制動使用等考量因素，確定十種使用週期或使用係數(S1至S10)。

NEMA和IEC的工作電壓及頻率範圍各不相同，但皆以「每單位」(p.u.)量化單位表示。在p.u.系統中，量值以基值的分數表示。NEMA可識別一個範圍內的馬達電壓與頻率；IEC則是分為兩個區域(Zone)(圖2)。