Energie-efficiëntie met aandrijvingen met variabele snelheid (deel 1)

In dit artikel kijkt Colin Hargis, hoofdingenieur van Control Techniques, naar de kwestie van energie-efficiëntie met frequentieregelaars.

Sommige lezers weten misschien dat er een nieuwe EU-regelgeving in de pijplijn zit die bedoeld is om de efficiëntie van aandrijvingen en aandrijfsystemen te regelen. De verordening is nog in overleg, dus het heeft nog geen officieel nummer, maar het kan worden geïdentificeerd via EG-mandaat M/476, en wordt aangeduid als "Kavel 30" in het consultatieproces voor de richtlijn energiegerelateerde producten (ErP) . De raadpleging lijkt momenteel vast te lopen, maar er bestaan ​​al technische normen om de verordening te onderbouwen, zoals EN 50598-1 en EN 50598-2. Het is de bedoeling dat aandrijvingen net als industriële motoren efficiëntieklassen moeten krijgen, en op een gegeven moment is het mogelijk dat de laagste klasse van de EU-markt wordt verbannen. Fabrikanten zullen ook meer gegevens over deellastverliezen moeten verstrekken om gebruikers te helpen de algehele energie-efficiëntie van hun toepassing te beoordelen.

Voordat de verordening zelf van kracht wordt, zijn sommige drive-gebruikers wellicht geïnteresseerd om meer te weten te komen over de voorgestelde verordening en de efficiëntieklassen, om te beoordelen of deze relevant zijn voor de energie-efficiëntie van hun eigen eindproduct of systeem. In deze blog bekijken we enkele basisprincipes van de efficiëntie van aandrijfsystemen. In het volgende zullen we in meer detail kijken naar enkele kwesties die voortvloeien uit de nieuwe normen en de voorgestelde verordening.

Een van de belangrijkste redenen om een ​​aandrijving met variabele snelheid te gebruiken, is om de snelheid van een motor af te stemmen op de vraag van het eindproces dat hij aandrijft, om zo het energieverbruik te optimaliseren. Dit is met name waardevol bij het verplaatsen van vloeistoffen (gassen en vloeistoffen), omdat viskeuze wrijving betekent dat de kracht die nodig is om de vloeistof door een circuit te bewegen varieert als een kubuswet van de stroomsnelheid, zodat een kleine vermindering van de stroomsnelheid een grote vermindering van de stroomsnelheid geeft. vermogen gebruikt. Regelmethoden zoals dempers, kleppen en zelfs variabele leischoepen leiden ook tot onnodig vermogensverlies. Dit idee is zo bekend dat er niet veel meer over hoeft te worden geschreven, er zijn veel handige handleidingen beschikbaar [bijv. referenties 1 &2]. Met de aanstaande verordening in het achterhoofd is het echter nuttig om enkele principes te herzien, vooral om het effect van de verordening en de normen in perspectief te houden.

Energieverlies in een aandrijfsysteem

Het diagram, niet op schaal, illustreert in grote lijnen hoe stroom wordt verbruikt in een aandrijftoepassing. Het is het duidelijkst om te werken in termen van verliezen in plaats van efficiëntie. In elke fase is er een vermogensverlies in het relevante apparaat, dat over het algemeen wordt uitgedrukt als een deel van de nominale doorvoer.

Het verloren vermogen komt naar voren als warmte, meestal van de omringende lucht. Soms kan de warmte goed worden gebruikt, maar meestal moet deze als verspild worden beschouwd en kan het zelfs extra kosten met zich meebrengen als extra ventilatie of koeling van de ruimte nodig is. De werkelijke verliezen variëren sterk tussen verschillende toepassingen, maar een typische uitsplitsing voor een luchtverplaatsende toepassing die op maximale output werkt, wordt gegeven in Tabel 1. Merk op dat in elke fase het verlies in een apparaat een functie is van zowel de bruikbare systeemoutput en ook de geaccumuleerde verliezen van alle andere downstream-apparaten.

In dit voorbeeld is het totale rendement ongeveer 56,6%. Het grootste verlies zit in de actuator en het verliescijfer van 30% is typisch voor een ventilator voor bewegende lucht. Lucht is een moeilijke vloeistof om efficiënt te verplaatsen, een moderne pomp kan verliezen hebben van bijna 10%. Alle getoonde verliezen kunnen worden verminderd door verbeterde technologie, en de aandacht die wordt besteed aan energie-efficiëntie betekent dat ze in de loop van de tijd allemaal worden verminderd naarmate verbeterde ontwerpen kosteneffectief worden of wettelijk vereist zijn.

Merk op dat het schijfverlies het kleinste is in de lijst, en dit is realistisch in de overgrote meerderheid van de toepassingen. Het verlies van 3% is nogal triviaal in vergelijking met de andere. Moderne aandrijvingen hebben zeer lage verliezen. De belangrijkste reden hiervoor is de wens naar fysiek compacte units, wat betekent dat de koelapparatuur (koellichamen en ventilatoren) zo klein mogelijk moeten zijn, zodat ook de verliezen tot een minimum moeten worden beperkt. De vermogensdoorvoer van de schijf omvat alle andere verliezen, dus het hoofdschijfverlies van 3%, gebaseerd op de schijfgegevens, wordt 5,1% wanneer uitgedrukt als een deel van de systeemoutput. Het intelligente gebruik van de drive kan vaak een nuttige vermindering van de verliezen van de andere apparaten mogelijk maken, wat resulteert in besparingen die de verliezen in de drive ver overtreffen. We moeten echter wel rekening houden met de werkelijke bedrijfsomstandigheden in plaats van alleen met de maximale belasting.

Controle en verliezen

De typische verlieswaarden die hierboven zijn besproken, zijn de "headline" -waarden die worden gegeven bij de nominale belasting of doorvoer van elk apparaat. Ze zijn daarom relevant wanneer het systeem op zijn maximale ontwerpoutput werkt. Veel systemen brengen een groot deel van hun leven door met werken onder hun nominale belasting, omdat de vraag varieert, maar het systeem moet voor het maximum worden ontworpen. Ook worden de prestaties meestal beoordeeld aan de hand van de maximale doorvoercapaciteit, dus de leverancier heeft de neiging om componenten te groot te maken om het risico te vermijden dat de klant het systeem afkeurt als het tijdens acceptatietests niet de nominale output levert. Er is dus een controlesysteem nodig, met een methode om de output aan te passen. De toegepaste regeltechniek kan het deellastrendement sterk beïnvloeden. Het is bijvoorbeeld bekend dat luchtkleppen en regelkleppen vrij hoge deellastverliezen veroorzaken, omdat ze leiden tot een drukstijging bij de ventilator of pomp waardoor deze meer vermogen moet ontwikkelen dan nodig is op het afleverpunt. . De aandrijving met variabele snelheid voorkomt dit extra verlies.

De efficiëntie van alle componenten verandert met de belasting. De details variëren sterk, maar over het algemeen hebben de verliezen de volgende elementen:

• Een vast verlies dat onafhankelijk is van de output. Dit heeft de neiging om de efficiëntie bij deellast te verminderen.
• Een proportioneel verlies dat de efficiëntie van deellast niet beïnvloedt.
• Een toenemend verlies (bijv. kwadratenwet) dat de neiging heeft om de efficiëntie bij volledige belasting te verminderen.

Het resultaat is dat er meestal een optimaal rendementsniveau is, bijvoorbeeld in een standaard inductiemotor is dit ongeveer 80% van het vermogen. Bij een hoger vermogen daalt het rendement iets. Bij een lager vermogen daalt ook het rendement, maar ook het daadwerkelijke vermogensverlies.

Verliezen in een elektrisch aandrijfsysteem met variabele snelheid

Nadat we de algemene situatie hebben samengevat, kunnen we nu in meer detail kijken naar het elektrische aandrijfsysteem, d.w.z. de motor en aandrijving. De output van het systeem is mechanisch vermogen op de motoras, bestaande uit het product van koppel en snelheid. Zowel motor als aandrijving hebben verlieselementen die variëren met koppel en snelheid. Tabel 2 vat deze samen. Voor de eenvoud nemen we aan dat de stroom evenredig is met het koppel. Dit is een vereenvoudiging omdat het de magnetiserende stroom van de motor negeert.

Merk op dat we het effect van snelheid en koppel zowel afzonderlijk als gecombineerd moeten beschouwen. De weerstandsverliezen in de motor zijn bijna volledig gerelateerd aan het koppel, ongeacht het toerental, en dit geldt ook voor de inverterfase van de omvormer. Aan de andere kant zijn de verliezen in de gelijkrichter van de ingangstrap van de omvormer puur een functie van de vermogensdoorvoer, d.w.z. het product van koppel en snelheid.

Dit nogal complexe beeld kan worden vereenvoudigd wanneer een specifiek type belasting wordt overwogen waarbij het koppel en het toerental gerelateerd zijn. Bijvoorbeeld een eenvoudige pomp of ventilator die in een proces met weinig statische opvoerhoogte voedt, zodat de druk overwegend een kwadratische functie van de stroomsnelheid is, geeft een koppel dat een kwadratische functie van de snelheid is. Omgekeerd heeft een proces zoals een transportsysteem een ​​koppel dat grotendeels onafhankelijk is van de snelheid, maar afhankelijk is van de vraag van de transporteur. Deze twee soorten belasting worden in het algemeen respectievelijk "variabel koppel" en "vast koppel" aandrijftoepassingen genoemd.

Naast de verliezen die inherent zijn aan de aandrijving en de motor afzonderlijk, zijn er verliezen die een functie zijn van de combinatie van beide. De belangrijkste factoren in de onderlinge afhankelijkheid zijn:

• Magnetische fluxdichtheid in bedrijf, gecontroleerd door de omvormer en opgelegd aan de motor, waardoor magnetiseringsverliezen worden beïnvloed. (Ook van invloed op weerstandsverliezen voor een bepaald koppel, is er een optimale fluxdichtheid voor een bepaald koppel en toerental.)
• PWM-schakeling, aangestuurd door de omvormer en resulterend in extra verliezen in de motor
• Vermogensfactor van de motor, reactieve stroom opgelegd door de motor, resulterend in extra stroomverliezen in de omvormer

Een eenvoudige standaard voor de efficiëntie van de omvormer zou alleen de verliezen in de omvormer opvangen, met gebruikmaking van een gestandaardiseerde motorbelasting. Er moet een bruikbare standaard zijn om de onderlinge afhankelijkheid aan te pakken en afwegingen te maken; bijvoorbeeld dat de gekozen PWM-schakelfrequentie een evenwicht moet vinden tussen de wens om verliezen in de omvormer, die een lagere frequentie vereist, en de motor, die een hogere frequentie vereist, te minimaliseren. Het moet de ontwerper van een compleet systeem of een complete machine ook in staat stellen om de verliezen in de complete machine te berekenen over zijn praktische reeks bedrijfsomstandigheden.

In de volgende blog gaan we dieper in op de normen, met name EN 50598-2, die energie-efficiëntieklassen voor schijven specificeren, en bekijken hoe ze met deze vereisten omgaan. We kijken ook naar functies die beschikbaar zijn in de aandrijving die de efficiëntie kunnen optimaliseren, en in het bijzonder de deellastverliezen die misschien belangrijker zijn dan ze op het eerste gezicht lijken.

Referenties

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] http://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html