目前，電器和系統設計人員同時面臨著眾多難以應對的設計目標。從市場角度看，產品成本不能增加的前提下，性能必需提升，以超越競爭對手的產品。從製造角度看，設計必須與現有生產設備和方法相容。而在消費者眼裏，產品應具備豐富的功能，降低成本的同時提高可靠性。此外，設計人員還必須使產品滿足環保方面的需求，以符合多項節能政策法規的要求。這一切真的需要嗎？
節能政策雷厲風行
在美國，這類國家節能政策是由美國能源部(DOE)、美國環保署(EPA)，以及由美國加利福尼亞州來推行。加州作為世界上第十二大電能消耗者，在過去十年內一直將自己定位為全美提高能效的先行者。加州的人口占全美人口的12%，但電力消耗卻僅為7%[1]。加州能源委員會(CEC)一直努力建立具有領導地位的法規，主張大力推廣節能減碳的先進技術，其前瞻性的政策常常成為美國節能政策的樣板。
雖然，這些政策和強制措施看起來往往妨礙了產品的設計和推出，但它們對於推動相關的技術革新是必要的催化劑，這些技術革新將有助於保持全球的健康與能源供應。政府部門始終致力於減少溫室氣體的排放，減少新增發電裝置的需求，保持足夠的電力供應。實現這些目標最具成本效益、最及時的方法就是提高常用家用產品和工業產品的運行效率。
現在已有美國的能源政策和歐盟的能效標識指令92/75/EEC，產品銷售商和消費者能夠很容易對比各種電器的能效，查看電能消耗，以及其他能源的使用情況例例如天然氣和水等。法規所要求的標識清楚地標出電器在典型狀況下，擁有者每年需要付出的使用成本；這樣，消費者就能根據產品最初購買價格和預計的能耗擁有成本，做到明明白白的消費。符合美國環保署的能源之星 (Energy Star)認證標準的電器相比標準型款，能夠節省10%至66%的能源和/或水資源，而且不會影響其預期的功能和品質。美國能源部認為Energy Star電器每年能節省20-30%的能源成本。
由於對節能有促進作用，現在所有的新產品(如電冰箱、洗衣機、電爐、熱水器、空調、洗碗機等)都必須貼上節能標識。圖1所示為美國家庭每年電能消耗的分佈圖。在全球產生的總能耗中大約有57% 用於驅動馬達[2]。在美國，馬達的能耗占每年總電能消耗的20%。一般的美國家庭每年大約消耗1.1萬度的電量，花費1000美元。其中有很大部分電能用於冷暖空調設備(HVAC)、井泵、洗衣機等的馬達運轉，每年總共約耗電1000億度，估計每度電成本0.9美元，即總成本為90億美元。對於這一耗電水準，即使將馬達效率僅僅提高3-5%，那麼人們花費的電力成本，以及支援不斷增長的需求而必須維持和建設的發電設施的數量，都將顯著下降。
圖1：美國家庭每年電能消耗的分佈圖
提昇馬達效率成關鍵議題
數十年來，平均功率僅幾馬力的交流感應馬達(ACIM)一直是大部分住宅、商業和工業應用的主要動力設備。它的製造和維護成本低、可靠性高，因而在全球範圍廣泛使用。據估計，全球已安裝的馬達有90%是感應式馬達。隨著新型馬達技術的出現以及現有技術的改進，馬達產品也在迅速變化。工程師的“調色板”上現在又多了許多的新“顏料”；且都帶著“綠色”，其中包括無刷直流馬達技術、永磁同步馬達技術、開關磁阻馬達技術，以及固定式ACIM！雖然這些技術許多已經問世數十年了，但是現在我們仍可以採用一些先進的控制技術來發掘這些馬達的最大潛能。
影響馬達效率的因素很多：母線電壓、負載大小、溫度以及控制調製方式等。大多數ACIM在75%-90%的額定負載下能夠發揮最高的效率。對於通常僅使用馬達峰值負載的一小部分的應用而言，通過在馬達負載範圍內優化效率，每年在節能方面降低的成本大約相當於該馬達/控制器購買價格的一半。對龐大的並行工業設備來說，節省的電費可達數百萬美元，幾年就可收回100%的投資回報。根據美國能源部估計，全美有44%的工業馬達的工作負載始終低於其額定負載的40%[4]。
現代馬達控制採用許多先進技術，如自適應相位時序、定子/轉子磁場建模、匯流排補償和功率因數校正技術，目的就是達到馬達最高效率。馬達達到最大效率時往往其扭矩不在峰值處，處於不理想的轉速區域或控制環回應不充分。當今的變速驅動裝置(VSD)則是智慧化的，能自動適配應用需求，即僅在必要時使馬達達到其峰值扭矩或速度。這樣，設備在其餘時間就能以最佳效率工作。
快捷半導體的節能策略
半導體企業在技術開發上已投入數百萬美元，付出多年努力，使到電器和工業機器製造商能以最小的研發開銷實現高效的電子控制，並顯著縮短上市時間。快捷半導體的智慧功率模組(SPM)技術為肩負重任的工程師提供了一個功能齊備且具成本競爭優勢的橋式馬達驅動解決方案，並帶有馬達控制設計所需的全部驅動電路、二極體，以及過流保護功能。SPM技術支援功率因數校正，確保以最高效方式實現交流電流源的電能轉換。這些高整合度產品甚至能讓最小的設計公司和製造商將最新的能效提升技術用於其產品中。圖2所示為高效驅動電路的構造示意。
對3相ACIM來說，變頻驅動是實現變速控制的最簡單且常用的技術。這些控制技術及其高級產品每千瓦的成本只有幾十美元，已經開始應用於那些甚至10年前認為馬達驅動昂貴的應用中。在泵類和通風設備的驅動裝置中，若使用VSD和ACIM來代替只有開啟和關閉兩種狀態的傳統定速設備，每年可節省高達50%的能耗[5]。採用VSD之後，通常更可省去機械齒輪箱、皮帶輪、傳動帶及其它硬體。
雖然VSD能簡化機械構造、提高設備可靠性和長期效率，但不具備傳統驅動裝置的某些特點，因此，該技術一直未被認為是恒速應用的有效解決方案。現在使用先進控制演算法及最先進的電子技術，大多數擔憂已不存在。例如，直接力矩控制演算法就能控制ACIM完成過往屬於有刷直流馬達範疇的任務。這是因為馬達回應負荷動態變化的能力提高，以及低速性能得到改善。最近，ACIM連同控制裝置的成本開始接近有刷直流馬達連同控制裝置的成本。這種趨勢將繼續把新的馬達技術引入那些過往由更昂貴的直流馬達和驅動裝置來承擔的主流應用中。
人們對電器和電子產品無止境的需求不大可能在短時間內消失。必須開發創新的技術，並將其以普通消費者能承受的成本應用到我們日常生活的產品中，確保未來的能源供應能滿足人們的需求。在典型的電器或工業機器中，只有一小部分採用了高效馬達和控制技術。隨著實現成本和複雜性不斷減低，半導體企業和馬達製造商將在這些先進技術的推廣應用中發揮重要的作用。
參考文獻
1. CEC, 2002. 2002 - 2012 Electricity Outlook Report, California Energy Commission
2. IEEE-USA, Nov. 2001. IEEE-USA Position Statement on Energy Efficiency, IEEE-USA
3. U.S. Department of Energy, 2001. Electricity Consumption by End Use in U.S. Households, 2001, EIA Group
4. Toledo, Christine, 2007. Improving Motor Efficiency in Constant Speed Applications, Elevator World, October 2007
5. Slaets et al. Energy Efficiency of Induction Machines
節能政策雷厲風行
在美國，這類國家節能政策是由美國能源部(DOE)、美國環保署(EPA)，以及由美國加利福尼亞州來推行。加州作為世界上第十二大電能消耗者，在過去十年內一直將自己定位為全美提高能效的先行者。加州的人口占全美人口的12%，但電力消耗卻僅為7%[1]。加州能源委員會(CEC)一直努力建立具有領導地位的法規，主張大力推廣節能減碳的先進技術，其前瞻性的政策常常成為美國節能政策的樣板。
雖然，這些政策和強制措施看起來往往妨礙了產品的設計和推出，但它們對於推動相關的技術革新是必要的催化劑，這些技術革新將有助於保持全球的健康與能源供應。政府部門始終致力於減少溫室氣體的排放，減少新增發電裝置的需求，保持足夠的電力供應。實現這些目標最具成本效益、最及時的方法就是提高常用家用產品和工業產品的運行效率。
現在已有美國的能源政策和歐盟的能效標識指令92/75/EEC，產品銷售商和消費者能夠很容易對比各種電器的能效，查看電能消耗，以及其他能源的使用情況例例如天然氣和水等。法規所要求的標識清楚地標出電器在典型狀況下，擁有者每年需要付出的使用成本；這樣，消費者就能根據產品最初購買價格和預計的能耗擁有成本，做到明明白白的消費。符合美國環保署的能源之星 (Energy Star)認證標準的電器相比標準型款，能夠節省10%至66%的能源和/或水資源，而且不會影響其預期的功能和品質。美國能源部認為Energy Star電器每年能節省20-30%的能源成本。
由於對節能有促進作用，現在所有的新產品(如電冰箱、洗衣機、電爐、熱水器、空調、洗碗機等)都必須貼上節能標識。圖1所示為美國家庭每年電能消耗的分佈圖。在全球產生的總能耗中大約有57% 用於驅動馬達[2]。在美國，馬達的能耗占每年總電能消耗的20%。一般的美國家庭每年大約消耗1.1萬度的電量，花費1000美元。其中有很大部分電能用於冷暖空調設備(HVAC)、井泵、洗衣機等的馬達運轉，每年總共約耗電1000億度，估計每度電成本0.9美元，即總成本為90億美元。對於這一耗電水準，即使將馬達效率僅僅提高3-5%，那麼人們花費的電力成本，以及支援不斷增長的需求而必須維持和建設的發電設施的數量，都將顯著下降。
圖1：美國家庭每年電能消耗的分佈圖
提昇馬達效率成關鍵議題
數十年來，平均功率僅幾馬力的交流感應馬達(ACIM)一直是大部分住宅、商業和工業應用的主要動力設備。它的製造和維護成本低、可靠性高，因而在全球範圍廣泛使用。據估計，全球已安裝的馬達有90%是感應式馬達。隨著新型馬達技術的出現以及現有技術的改進，馬達產品也在迅速變化。工程師的“調色板”上現在又多了許多的新“顏料”；且都帶著“綠色”，其中包括無刷直流馬達技術、永磁同步馬達技術、開關磁阻馬達技術，以及固定式ACIM！雖然這些技術許多已經問世數十年了，但是現在我們仍可以採用一些先進的控制技術來發掘這些馬達的最大潛能。
影響馬達效率的因素很多：母線電壓、負載大小、溫度以及控制調製方式等。大多數ACIM在75%-90%的額定負載下能夠發揮最高的效率。對於通常僅使用馬達峰值負載的一小部分的應用而言，通過在馬達負載範圍內優化效率，每年在節能方面降低的成本大約相當於該馬達/控制器購買價格的一半。對龐大的並行工業設備來說，節省的電費可達數百萬美元，幾年就可收回100%的投資回報。根據美國能源部估計，全美有44%的工業馬達的工作負載始終低於其額定負載的40%[4]。
現代馬達控制採用許多先進技術，如自適應相位時序、定子/轉子磁場建模、匯流排補償和功率因數校正技術，目的就是達到馬達最高效率。馬達達到最大效率時往往其扭矩不在峰值處，處於不理想的轉速區域或控制環回應不充分。當今的變速驅動裝置(VSD)則是智慧化的，能自動適配應用需求，即僅在必要時使馬達達到其峰值扭矩或速度。這樣，設備在其餘時間就能以最佳效率工作。
快捷半導體的節能策略
半導體企業在技術開發上已投入數百萬美元，付出多年努力，使到電器和工業機器製造商能以最小的研發開銷實現高效的電子控制，並顯著縮短上市時間。快捷半導體的智慧功率模組(SPM)技術為肩負重任的工程師提供了一個功能齊備且具成本競爭優勢的橋式馬達驅動解決方案，並帶有馬達控制設計所需的全部驅動電路、二極體，以及過流保護功能。SPM技術支援功率因數校正，確保以最高效方式實現交流電流源的電能轉換。這些高整合度產品甚至能讓最小的設計公司和製造商將最新的能效提升技術用於其產品中。圖2所示為高效驅動電路的構造示意。
對3相ACIM來說，變頻驅動是實現變速控制的最簡單且常用的技術。這些控制技術及其高級產品每千瓦的成本只有幾十美元，已經開始應用於那些甚至10年前認為馬達驅動昂貴的應用中。在泵類和通風設備的驅動裝置中，若使用VSD和ACIM來代替只有開啟和關閉兩種狀態的傳統定速設備，每年可節省高達50%的能耗[5]。採用VSD之後，通常更可省去機械齒輪箱、皮帶輪、傳動帶及其它硬體。
雖然VSD能簡化機械構造、提高設備可靠性和長期效率，但不具備傳統驅動裝置的某些特點，因此，該技術一直未被認為是恒速應用的有效解決方案。現在使用先進控制演算法及最先進的電子技術，大多數擔憂已不存在。例如，直接力矩控制演算法就能控制ACIM完成過往屬於有刷直流馬達範疇的任務。這是因為馬達回應負荷動態變化的能力提高，以及低速性能得到改善。最近，ACIM連同控制裝置的成本開始接近有刷直流馬達連同控制裝置的成本。這種趨勢將繼續把新的馬達技術引入那些過往由更昂貴的直流馬達和驅動裝置來承擔的主流應用中。
人們對電器和電子產品無止境的需求不大可能在短時間內消失。必須開發創新的技術，並將其以普通消費者能承受的成本應用到我們日常生活的產品中，確保未來的能源供應能滿足人們的需求。在典型的電器或工業機器中，只有一小部分採用了高效馬達和控制技術。隨著實現成本和複雜性不斷減低，半導體企業和馬達製造商將在這些先進技術的推廣應用中發揮重要的作用。
參考文獻
1. CEC, 2002. 2002 - 2012 Electricity Outlook Report, California Energy Commission
2. IEEE-USA, Nov. 2001. IEEE-USA Position Statement on Energy Efficiency, IEEE-USA
3. U.S. Department of Energy, 2001. Electricity Consumption by End Use in U.S. Households, 2001, EIA Group
4. Toledo, Christine, 2007. Improving Motor Efficiency in Constant Speed Applications, Elevator World, October 2007
5. Slaets et al. Energy Efficiency of Induction Machines
