目前，电器和系统设计人员同时面临着众多难以应对的设计目标。从市场角度看，产品成本不能增加的前提下，性能必需提升，以超越竞争对手的产品。从制造角度看，设计必须与现有生产设备和方法兼容。而在消费者眼里，产品应具备丰富的功能，降低成本的同时提高可靠性。此外，设计人员还必须使产品满足环保方面的需求，以符合多项节能政策法规的要求。这一切真的需要吗？
在美国，这类国家节能政策是由美国能源部 (DOE)、美国环保署 (EPA)，以及由美国加利福尼亚州来推行。加州作为世界上第12大电能消耗者，在过去10年内一直将自己定位为全美提高能效的先行者。加州的人口占全美人口的12%，但电力消耗却仅为7%[1]。加州能源委员会 (CEC) 一直努力建立具有领导地位的法规，主张大力推广节能减排的先进技术，其前瞻性的政策常常成为美国节能政策的样板。
虽然，这些政策和强制措施看起来往往妨碍了产品的设计和推出，但它们对于推动相关的技术革新是必要的催化剂，这些技术革新将有助于保持全球的健康与能源供应。政府部门始终致力于减少温室气体的排放，减少新增发电装置的需求，保持足够的电力供应。实现这些目标最具成本效益、最及时的方法就是提高常用家用产品和工业产品的运行效率。
现在已有美国的能源政策和欧盟的能效标识指令92/75/EEC，产品销售商和消费者能够很容易对比各种电器的能效，查看电能消耗，以及其它能源的使用情况例例如天然气和水等。法规所要求的标识清楚地标出电器在典型状况下，拥有者每年需要付出的使用成本；这样，消费者就能根据产品最初购买价格和预计的能耗拥有成本，做到明明白白的消费。符合美国环保署的能源之星 (Energy Star) 认证标准的电器相比标准型款，能够节省10% ～66% 的能源和/或水资源，而且不会影响其预期的功能和质量。美国能源部认为Energy Star 电器每年能节省20%～30% 的能源成本。
由于对节能有促进作用，现在所有的新产品 (如电冰箱、洗衣机、电炉、热水器、空调、洗碗机等) 都必须贴上节能标识。图1所示为美国家庭每年电能消耗的分布图。在全球产生的总能耗中大约有57% 用于驱动电机[2]。在美国，电机的能耗占每年总电能消耗的20%。一般的美国家庭每年大约消耗1.1万度的电量，花费1000美元。其中有很大部分电能用于冷暖空调设备 (HVAC)、井泵、洗衣机等的电机运转，每年总共约耗电1000亿度，估计每度电成本0.9美元，即总成本为90亿美元。对于这一耗电水平，即使将电机效率仅仅提高3～5%，那么人们花费的电力成本，以及支持不断增长的需求而必须维持和建设的发电设施的数量，都将显著下降。
数十年来，平均功率仅几马力的交流感应电机 (ACIM) 一直是大部分住宅、商业和工业应用的主要动力设备。它的制造和维护成本低、可靠性高，因而在全球范围广泛使用。据估计，全球已安装的电机有90% 是感应式电机。随着新型电机技术的出现以及现有技术的改进，电机产品也在迅速变化。工程师的“调色板”上现在又多了许多的新 “颜料”；且都带着“绿色”，其中包括无刷直流电机技术、永磁同步电机技术、开关磁阻电机技术，以及固定式 ACIM！虽然这些技术许多已经问世数十年了，但是现在我们仍可以采用一些先进的控制技术来发掘这些电机的最大潜能。
影响电机效率的因素很多：母线电压、负载大小、温度以及控制调制方式等。大多数ACIM在75%～90% 的额定负载下能够发挥最高的效率。对于通常仅使用电机峰值负载的一小部分的应用而言，通过在电机负载范围内优化效率，每年在节能方面降低的成本大约相当于该电机/控制器购买价格的一半。对庞大的并行工业设备来说，节省的电费可达数百万美元，几年就可收回100% 的投资回报。根据美国能源部估计，全美有44% 的工业电机的工作负载始终低于其额定负载的40%[4]。
现代电机控制采用许多先进技术，如自适应相位时序、定子/转子磁场建模、总线补偿和功率因数校正技术，目的就是达到电机最高效率。电机达到最大效率时往往其扭矩不在峰值处，处于不理想的转速区域或控制环响应不充分。当今的变速驱动装置 (VSD) 则是智能化的，能自动适配应用需求，即仅在必要时使电机达到其峰值扭矩或速度。这样，设备在其余时间就能以最佳效率工作。
半导体企业在技术开发上已投入数百万美元，付出多年努力，使到电器和工业机器制造商能以最小的研发开销实现高效的电子控制，并显著缩短上市时间。飞兆半导体的智能功率模块 (SPM) 技术为肩负重任的工程师提供了一个功能齐备且具成本竞争优势的桥式电机驱动解决方案，并带有电机控制设计所需的全部驱动电路、二极管，以及过流保护功能。SPM技术支持功率因数校正，确保以最高效方式实现交流电流源的电能转换。这些高集成度产品甚至能让最小的设计公司和制造商将最新的能效提升技术用于其产品中。图2所示为高效驱动电路的构造示意。
对3相ACIM来说，变频驱动是实现变速控制的最简单且常用的技术。这些控制技术及其高级产品每千瓦的成本只有几十美元，已经开始应用于那些甚至10年前认为电机驱动昂贵的应用中。在泵类和通风设备的驱动装置中，若使用VSD和ACIM来代替只有开启和关闭两种状态的传统定速设备，每年可节省高达50% 的能耗[5]。采用VSD之后，通常更可省去机械齿轮箱、皮带轮、传动带及其它硬件。
虽然VSD能简化机械构造、提高设备可靠性和长期效率，但不具备传统驱动装置的某些特点，因此，该技术一直未被认为是恒速应用的有效解决方案。现在使用先进控制算法及最先进的电子技术，大多数担忧已不存在。例如，直接力矩控制算法就能控制ACIM完成过往属于有刷直流电机范畴的任务。这是因为电机响应负荷动态变化的能力提高，以及低速性能得到改善。最近，ACIM连同控制装置的成本开始接近有刷直流电机连同控制装置的成本。这种趋势将继续把新的电机技术引入那些过往由更昂贵的直流电机和驱动装置来承担的主流应用中。
人们对电器和电子产品无止境的需求不大可能在短时间内消失。必须开发创新的技术，并将其以普通消费者能承受的成本应用到我们日常生活的产品中，确保未来的能源供应能满足人们的需求。在典型的电器或工业机器中，只有一小部分采用了高效电机和控制技术。随着实现成本和复杂性不断减低，半导体企业和电机制造商将在这些先进技术的推广应用中发挥重要的作用。
参考文献
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 Machine
