Energie-efficiëntie met aandrijvingen met variabele snelheid (deel 2)

In het tweede deel van deze blogserie gaat de hoofdingenieur van Control Techniques dieper in op het bereiken van meer energie-efficiëntie met behulp van aandrijvingen met variabele snelheid.

De vorige blog gaf een overzicht van de efficiëntie van aandrijvingen en hun toepassingen, en hoe deze worden beïnvloed door het patroon van snelheids- en koppelcombinaties in een bepaalde toepassing. We bekijken nu hoe de voorgestelde EU-verordening en de bijbehorende normen proberen de energie-efficiëntie van eindtoepassingen te verbeteren door normen vast te stellen voor prestaties en het verstrekken van gegevens. Dit omvat de voorgestelde nieuwe IE-klassen voor schijven.

De normen en de voorgestelde EU-regelgeving voor aandrijvingsefficiëntie

Er is een reeks Europese (CENELEC) normen die zijn opgesteld als uitgangspunt voor een mogelijke toekomstige regelgeving, namelijk EN 50598 delen 1 tot 3 [1]. Waarschijnlijk zullen deze op termijn worden gebruikt als basis voor internationale normen (IEC), zoals die voor motoren beschikbaar zijn. De EU-regelgeving zal waarschijnlijk de IE-klassedefinities van EN 50598-2 gebruiken.

Van deze standaardfamilie gaat deel 3 over milieubewust ontwerp in het algemeen, met de nadruk op de materialen die in het product worden gebruikt en de milieu-impact van hun uiteindelijke verwijdering. Dat valt buiten het bestek van deze blog. Deel 1 behandelt het ontwerp van complete systemen waarin motoren en aandrijvingen zijn verwerkt. Het is bedoeld om de uitdaging aan te gaan voor productnormen die onvermijdelijk van toepassing zijn op de energie-efficiëntie van specifieke producten afzonderlijk genomen, terwijl het eigenlijke doel is om te proberen het beste gebruik van energie te garanderen in de eindtoepassing, niet de afzonderlijke onderdelen afzonderlijk. Het legt de problemen uit die we in de vorige blog hebben behandeld, maar in meer detail, en beschrijft een methode voor het beoordelen van de energie-efficiëntie van het volledige systeem met behulp van de gegevens voor de omvormer zoals in meer detail gedefinieerd in deel 2. Deel 1 is bedoeld te gebruiken door technische commissies die werken aan energie-efficiëntie van specifieke eindtoepassingen. Dit wordt de “Extended Product Approach” (EPA) genoemd. Deel 1 bevat nuttig lesmateriaal voor systeemontwerpers.

Deel 2 wordt EN 50598-2 genoemd en geeft energie-efficiëntie-indicatoren voor aandrijvingen, de IE-klassen, die waarschijnlijk de basis zullen vormen voor toekomstige regelgeving. De verordening [2] is van toepassing op een aandrijving als product dat in de EU op de markt wordt gebracht. We hebben eerder gezien dat de energie-impact van een schijf veel groter is dan zijn eigen energieverbruik (verlies), omdat het grote energiebesparingen kan opleveren in de andere componenten van een uiteindelijke toepassing. De verordening kan niet anticiperen op het brede scala aan verschillende eindtoepassingen, dus het zal erop gericht zijn de gegevens te definiëren die de fabrikant van de aandrijving aan de koper moet verstrekken. Deze gegevens vormen het "Semi-analytische model" dat wordt gebruikt voor de EPA.

De groepen die verantwoordelijk zijn voor het opstellen van de regelgeving en de norm zijn zich er terdege van bewust dat het energievoordeel van het gebruik van een aandrijving waar dat geschikt is, veel groter is dan de verliezen, en ze hebben ernaar gestreefd de norm eenvoudig en praktisch te houden. Het is een vrij lang document, maar veel van het materiaal is een gedetailleerde uitleg van de bronnen van verliezen en de te gebruiken wiskundige modellen. Het is een aanrader om te lezen als je meer wilt weten over het onderwerp.

Samengevat moet de fabrikant van de aandrijving volgens de norm het volgende verstrekken:

• Een energie-efficiëntieklasse voor de omvormer, in het bereik IE0 tot IE2, die is gebaseerd op het verlies op één specifiek werkpunt met nominale koppel-producerende stroom en 90% van de nominale uitgangsfrequentie. De PWM-schakelfrequentie is vast ingesteld op 4 kHz voor vermogens tot 90 kW en 2 kHz boven 90 kW. Het "referentieverlies" dat de basislijn IE1-klasse definieert, hangt af van het vermogen van de omvormer, maar voor vermogens in het bereik van 5 kW tot 75 kW is dit ongeveer 5% van het schijnbare uitgangsvermogen. Het klasseverlies van IE2 is ongeveer de helft van dat van IE1.
• Gegevens die vermogensverlies tonen over een matrix van de volgende 9 combinaties van koppelproducerende stroom en uitgangsfrequentie:

Het is waarschijnlijk dat de verordening de verkoop van klasse IE0-drives in de EU zal verbieden en mogelijk een tijdschema zal bepalen voor een verbod op klasse IE1-drives. De standaard bevat wel voorzieningen voor mogelijke toekomstige klassen na IE2, maar het heeft weinig zin om verder te gaan.

Het doel van de vereiste gegevensmatrix is ​​om een ​​gebruiker in staat te stellen het energieverlies van zijn toepassing te voorspellen, rekening houdend met de specifieke koppel-/snelheidskarakteristiek en het belastingpatroon, zoals we in de vorige blog hebben besproken en ook uitgelegd in EN 50598- 1.

Praktische methoden voor het verbeteren van de energie-efficiëntie van aandrijfsystemen

Het volledige proces begrijpen

Om de energie-efficiëntie te optimaliseren, is verreweg het belangrijkste aspect van een toepassing met gecontroleerde snelheid het correct ontwerpen van de regelfunctie, zodat het proces wordt geoptimaliseerd en de output, wat die ook is, beschikbaar wordt gesteld zoals vereist, maar zonder overdaad. De belangrijkste vaardigheid van de ontwerper van het aandrijfsysteem is om het algehele proces goed genoeg te begrijpen om ervoor te zorgen dat de motorsnelheid en/of het koppel correct worden ingesteld voor het proces. U kunt uit Tabel 1 in de vorige blog zien dat in dit voorbeeld de verliezen in de motor en aandrijving slechts 20,7% van de output zijn, vergeleken met 56% in de transmissie en actuator. Het motorverlies van 10% is typerend voor een moderne motor van de IE3-klasse met een vermogen van ongeveer 7,5 kW, en het is moeilijk om hier veel aan te verbeteren. Het schijfverlies is nogal triviaal. Een aandrijftechnicus kan echter een mogelijkheid vinden om het hele systeem te verbeteren. Laten we eens kijken naar een nieuw ontwerp waarbij de motor en actuator op elkaar zijn afgestemd, zodat er geen transmissie met veranderende snelheid nodig is. Dit kan mogelijk worden gemaakt door het aandrijfvermogen te gebruiken om de basissnelheid van de motor te wijzigen. In dat geval zou Tabel 1 worden:

De efficiëntie is nu verbeterd van 56,5% naar 67,9% en het verlies is teruggebracht van 76,7% naar 47,3% van de output.

In dit geval gebruikten we het vermogen van de omvormer om afstand te nemen van een beperkt aantal basissnelheden, bepaald door de netvoedingsfrequentie en het aantal polen in de motor. De omvormer heeft ook programmeerbare besturingsmogelijkheden, zodat de invoer van verschillende processensoren kan worden gebruikt om de snelheid te optimaliseren voor de werkelijke bedrijfsomstandigheden van het systeem. Ten slotte kan de omvormer ook de bedrijfstoestand van de motor optimaliseren, afhankelijk van de werkelijke belasting.

Optimalisatie van de motorregeling – magnetische fluxdichtheid

Het verlies bij vollast in een 4-polige motor van IE3-klasse varieert in het bereik van 14,5% voor een vermogen van 0,75 kW tot 3,8% voor een vermogen van meer dan 185 kW. In het veelgebruikte en energie-intensieve bereik rond de 5,5 kW tot 55 kW is dat ongeveer 6%. Veel ruimte voor verdere verbetering lijkt hier niet te bestaan. Het grootste deel van het verlies is koper (geleider) verlies met betrekking tot de werkstroom, die door geen enkele aandrijffunctie kan worden verbeterd. De beste mogelijkheid voor verbetering bij hoge belasting is het gebruik van een permanent-magneetmotor, zodat de motorvermogensfactor (cos f) dicht bij 1 kan liggen en de stroom dus verminderd.

Het is echter de moeite waard om nog eens naar het vaste verlies in de motor te kijken, vanwege de grote klasse van toepassingen waarbij het bedrijfskoppel vaak ver onder de nominale waarde ligt. Dit kan zijn in een ventilator- of pomptoepassing waar de normale opbrengst lager is dan het maximaal mogelijke, of in een toepassing met constant koppel waar het koppel gewoonlijk lager is dan het maximaal mogelijke. In dat geval is de magnetische fluxdichtheid in de motor bij zijn werkspanning hoger dan nodig is om het vereiste koppel te bereiken, en het vaste verlies in het magnetische staal kan worden verminderd door de voedingsspanning en dus de fluxdichtheid te verminderen.

Om een ​​globaal idee te krijgen van de mogelijkheden, neem bijvoorbeeld een ventilatortoepassing die meestal draait op 50% nominaal toerental en 25% nominaal koppel. Het vermogen is dus slechts 12,5%. Het magnetische vaste verlies van de motor is 2% van de beoordeling, wat triviaal lijkt. Dit is echter in werkelijkheid 16% van het normale stroomverbruik. Het zou waarschijnlijk mogelijk zijn om de spanning met maar liefst 50% te verminderen zonder de stroom aanzienlijk te verhogen, wat resulteert in een vast verlies dat wordt teruggebracht tot ongeveer 4% van het verbruik. De vermindering van het verlies is klein in vergelijking met het nominale vermogen, maar wordt aanzienlijk in vergelijking met het werkelijke gemiddelde stroomvermogen, wat de stroomrekening van de eigenaar bepaalt.

De traditionele methode voor het regelen van de motorfluxdichtheid in een toepassing met variabel koppel is de kwadratische V/F-modus, waarbij de verhouding V/F de motorfluxdichtheid bepaalt. Op voorwaarde dat de belasting echt kwadratisch is, d.w.z. het koppel is evenredig met het kwadraat van de snelheid, en er geen transiënten van het belastingkoppel zijn, werkt dit goed.

Voor toepassingen met constant koppel is de Dynamic V/F-functie van Control Techniques zeer effectief. Dit werkt door de spanning actief aan te passen aan de motorstroom. Het heeft het voordeel dat de flux effectief en automatisch wordt verzwakt wanneer het belastingskoppel wordt verminderd, zonder enige aannames over de koppel/snelheidskarakteristiek van de belasting. Een plotselinge toename van het belastingskoppel resulteert echter nog steeds in een snelle reactie, de flux wordt snel verhoogd, zodat het onwaarschijnlijk is dat de motor afslaat.

Optimalisatie van de motorregeling – schakelfrequentie

De PWM-schakeling van de inverteraandrijving resulteert in een verhoogd verlies in de motor dat grotendeels onafhankelijk is van de belasting, d.w.z. het is een extra vast verlies. Hoe hoger de schakelfrequentie, hoe lager het toegevoegde verlies in de motor, maar hoe hoger het stroomafhankelijke schakelverlies in de omvormer. Bij vollast bleek uit onderzoek bij de ontwikkeling van EN 50598-2 dat onder 90 kW het beste algehele rendement van de IE3-motor en de omvormer samen bij nominale belasting wordt gegeven wanneer de schakelfrequentie ongeveer 4 kHz is, waarbij de curve vrij Ondiep. Daarom wordt de verliesmeting voor de standaard gedaan bij deze schakelfrequenties.

Figuur 1 toont een voorbeeld van de verliezen in een kleine motor en zijn aandrijving als de schakelfrequentie varieert, zowel bij volledige belasting (FL) als bij halve belasting (HL).

De beste schakelfrequentie in dit voorbeeld bij vollast is ongeveer 5 kHz, terwijl het bij halve belasting ongeveer 7 kHz is, omdat de aandrijfverliezen bij een bepaalde frequentie lager zijn bij deellast. Een omvormer die zijn schakelfrequentie aanpast aan de motorstroom kan een verbeterd deellastrendement geven, wat weer de moeite waard kan zijn in een toepassing die een groot deel van zijn tijd in deellast doorbrengt.

Besturingstechnieken Unidrive M-aandrijvingen hebben een automatische aanpassing van de schakelfrequentie. De aandrijving werkt waar mogelijk met de hoogste door de gebruiker opgegeven schakelfrequentie, maar vermindert deze als de aandrijvingsverliezen te hoog worden. Dit betekent dat het schakelverlies in de motor wordt geminimaliseerd, tenzij dit leidt tot overmatig aandrijfverlies.