Variabele-snelheidsaandrijvingen: Energie-efficiëntie verhogen – Deel 2

In het tweede deel van deze blogserie kijkt Control Techniques' hoofdingeneur dieper naar het bereiken van grotere energie-efficiëntie met variabele-snelheidsaandrijvingen.

De vorige blog gaf een overzicht van de efficiëntie van aandrijvingen en hun toepassingen, en hoe ze beïnvloed worden door het patroon van snelheid- en koppelcombinaties in een gegeven toepassing. We kijken nu naar hoe de voorgestelde EU-regulering en de gerelateerde standaarden proberen de energie-efficiëntie van eindtoepassingen te verbeteren door prestatiestandaarden en de levering van data in te stellen. Dit omvat de voorgestelde nieuwe IE-klassen voor aandrijvingen.

De standaarden en de voorgestelde EU-regulering voor aandrijvingsefficiëntie

Er is een set Europese (CENELEC) standaarden die gecreëerd zijn als uitgangspunt voor een mogelijke toekomstige regulering, namelijk EN 50598 delen 1 tot 3 [1]. Het is waarschijnlijk dat deze in de loop van de tijd gebruikt zullen worden als basis voor internationale standaarden (IEC), zoals beschikbaar zijn voor motoren. De EU-regulering zal waarschijnlijk de IE-klassedefinities uit 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 gebruikt worden en de milieueffecten van hun eventuele afvalverwerking. Dat valt buiten het bereik van deze blog. Deel 1 gaat over het ontwerp van complete systemen die motoren en aandrijvingen omvatten. Het probeert de uitdaging aan te pakken voor productstandaarden die onvermijdelijk van toepassing zijn op de energie-efficiëntie van specifieke producten afzonderlijk genomen, wanneer het echte doel is om het beste gebruik van energie in de eindtoepassing te waarborgen, niet de individuele onderdelen apart. Het verklaart de kwesties die we in de vorige blog behandelden, maar in meer detail, en stelt een methodologie op voor het beoordelen van de energie-efficiëntie van het complete systeem met behulp van de data voor de aandrijving zoals gedefinieerd in meer detail in deel 2. Deel 1 is bedoeld om gebruikt te worden door technische commissies die werken aan energie-efficiëntie van specifieke eindtoepassingen. Dit wordt aangeduid als de "Extended Product Approach" (EPA). Deel 1 bevat nuttig tutorialmateriaal voor systeemontwerpers.

Deel 2 wordt aangeduid als EN 50598-2 en het geeft energie-efficiëntie-indicatoren voor aandrijvingen, de IE-klassen, die waarschijnlijk de basis zullen zijn van een toekomstige regulering. De regulering [2] zal van toepassing zijn op een aandrijving als een product op de markt gebracht in de EU. We hebben eerder gezien dat de energie-impact van een aandrijving ver buiten zijn eigen energieverbruik (verlies) uitstrekt, omdat het grote energiebesparingen in de andere componenten van een eindtoepassing kan mogelijk maken. De regulering kan het wijde bereik van verschillende eindtoepassingen niet anticiperen, dus het zal erop gericht zijn om de data te definiëren die de aandrijvingsfabrikant aan de koper moet leveren. Deze data vormt het "Semi-Analytische Model" dat gebruikt wordt voor de EPA.

De groepen verantwoordelijk voor het creëren van de regulering en de standaard zijn zich goed bewust dat het energievoordeel van het gebruik van een aandrijving waar geschikt ver te boven de verliezen uitstijgt, en ze hebben gestreefd om de standaard simpel en praktisch te houden. Het is een tamelijk lang document, maar veel van de materie is een gedetailleerde uitleg van de bronnen van verliezen en de wiskundige modellen die gebruikt moeten worden. Het is een aanbevolen lezing als u geïnteresseerd bent in het onderwerp meer te leren.

Samenvattend, volgens de standaard moet de aandrijvingsfabrikant het volgende leveren:

• Een energie-efficiëntieklasse voor de aandrijving, in het bereik IE0 tot IE2, wat gebaseerd is op het verlies op één specifiek werkpunt met nominaal koppel-producerende stroom en 90% van de nominale uitgangsfrequentie. De PWM-schakelfrequentie is vastgezet op 4 kHz voor vermogensnominale waarden tot 90 kW en 2 kHz boven 90 kW. Het "referentieverlies" dat de basislijn IE1-klasse definieert, hangt af van de inverter-nominale waarde, maar voor nominalewaarden in het 5 kW tot 75 kW bereik is het ongeveer 5% van het schijnbare uitgangsvermogen. De IE2-klasse verlies is ongeveer de helft van die voor IE1.
• Data die stroomverlies toont over een matrix van de volgende 9 combinaties van koppel-producerende stroom en uitgangsfrequentie:

Het is waarschijnlijk dat de regulering de verkoop van klasse IE0 aandrijvingen in de EU verbiedt, en misschien een tijdschema instelt voor verbod van klasse IE1 aandrijvingen. De standaard bevat wel voorziening voor mogelijke toekomstige klassen boven IE2, maar er is weinig voordeel in het proberen verder te gaan.

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

Praktische methoden voor het verbeteren van energie-efficiëntie van aandrijvingssystemen

Het complete proces begrijpen

Om de energie-efficiëntie te optimaliseren, is verreweg het belangrijkste aspect van een geregeld-snelheids-toepassing om de besturingsfunctie correct te ontwerpen zodat het geoptimaliseerd is en de output, wat het ook is, beschikbaar wordt zoals vereist maar zonder overschot. De hoofddoelstelling van de aandrijvingssysteemontwerper is om het algehele proces goed genoeg te begrijpen om ervoor te zorgen dat de motorsnelheid en/of koppel correct ingesteld zijn voor het proces. U kunt zien uit Tabel 1 in de vorige blog 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. De 10% motorverlies is typisch voor een moderne IE3-klasse motor met een nominale waarde van ongeveer 7,5 kW, en het is moeilijk om hier veel op te verbeteren. Het aandrijvingsverlies is tamelijk triviaal. Echter, een aandrijvingeningenieur zou in staat kunnen zijn om een kans te vinden om het hele systeem te verbeteren. Laten we kijken naar een nieuw ontwerp waar de motor en actuator gematched zijn zodat geen snelheidsveranderende transmissie vereist is. Dit kan mogelijk gemaakt worden door het gebruik van de aandrijvingcapaciteit om de basisnelheid van de motor te veranderen. In dat geval zou Tabel 1 worden:

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

In dit geval gebruikten we de capaciteit van de aandrijving om weg te gaan van een beperkt aantal basisnelheden bepaald door de netvoorzieningsfrequentie en het aantal polen in de motor. De aandrijving heeft ook programmeerbare besturingscapaciteit zodat de invoeren van diverse processensoren kunnen worden gebruikt om de snelheid te helpen optimaliseren voor de echte operatiecondities van het systeem. Tenslotte kan de aandrijving ook optreden om de operatieconditie van de motor te optimaliseren, afhankelijk van de werkelijke belasting.

Motorcontrole optimaliseren – magnetische fluxdichtheid

Het vollastverlies in een 4-polige motor van IE3-klasse varieert in het bereik van 14,5% voor een nominale waarde van 0,75 kW tot 3,8% voor een nominale waarde boven 185 kW. In het wijd gebruikte en energie-intensieve bereik rond 5,5 kW tot 55 kW is het ongeveer 6%. Er lijkt niet veel ruimte voor verdere verbetering hier te zijn. De meerderheid van het verlies is koper (geleider) verlies gerelateerd aan de werkstroom, wat niet verbeterd kan worden door enige aandrijvingsfunctie. De beste ruimte voor verbetering bij hoge belasting is om een permanente-magnet motor te gebruiken zodat de motorvermogensfactor (cos φ) dicht bij 1 kan zijn en de stroom dus verminderd wordt.

Het is echter de moeite waard om nogmaals te kijken naar het vaste verlies in de motor, vanwege de grote klasse toepassingen waar de operatiekoppel vaak goed onder zijn nominale waarde is. Dit kan zijn in een ventilator- of pomptoepassing waar de normale levering minder is dan het maximale mogelijke, of in een constant-koppel toepassing waar het koppel meestal minder is dan het maximale 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 verminderd worden door de voedingsspanning te verlagen en daarmee de fluxdichtheid.

Om een ruw idee van de mogelijkheden te krijgen, nemen we als voorbeeld een ventilatortoepassing die meestal draait op 50% nominale snelheid en 25% nominaal koppel. Het vermogen is dus slechts 12,5%. Het motor magnetische vaste verlies is 2% van de nominale waarde, wat triviaal lijkt. Echter, dit is eigenlijk 16% van het normale vermogensverbruik. Het zou waarschijnlijk mogelijk zijn om de spanning met zoveel als 50% te verlagen zonder de stroom significant te verhogen, wat resulteert in een vast verlies gereduceerd tot ongeveer 4% van het verbruik. De verliesreductie is klein vergeleken met het nominale vermogen, maar het wordt significant vergeleken met het werkelijke gemiddelde draaiende vermogen, wat de eigenaar's stroomrekening bepaalt.

De traditionele methode voor het controleren van de motorfluxdichtheid in een variabele-koppel toepassing is de kwadratische V/F-modus, waar de verhouding V/F de motorfluxdichtheid bepaalt. Mits de belasting werkelijk kwadratisch is, d.w.z. koppel evenredig aan het kwadraat van de snelheid, en er geen belastingkoppel-transienten zijn, werkt dit goed.

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

Motorcontrole optimaliseren – schakelfrequentie

De inverter-aandrijving PWM-schakeling resulteert in een verhoogd verlies in de motor wat grotendeels onafhankelijk is van belasting, d.w.z. het is een additioneel vast verlies. Hoe hoger de schakelfrequentie, hoe lager het toegevoegde verlies in de motor, maar hoe hoger de stroom-afhankelijke schakelverlies in de inverter. Bij vollast, onderzoek uitgevoerd in de ontwikkeling van EN 50598-2 toonde aan dat onder 90 kW de beste algehele efficiëntie van de IE3-motor en de aandrijving samen bij nominale belasting gegeven is wanneer de schakelfrequentie ongeveer 4 kHz is, de curve tamelijk vlak zijnde. Dit is waarom de verliesmeting voor de standaard op deze schakelfrequenties wordt gemaakt.

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

De beste schakelfrequentie in dit voorbeeld bij vollast is ongeveer 5 kHz, terwijl bij halvelast het ongeveer 7 kHz is, omdat de aandrijvingsverliezen bij een gegeven frequentie lager zijn bij deellast. Een aandrijving die zijn schakelfrequentie aanpast aan de motorstroom kan verbeterde deellast-efficiëntie geven, wat weer de moeite waard kan zijn in een toepassing die veel van zijn tijd op deellast doorbrengt.

Control Techniques Unidrive M-aandrijvingen hebben een automatische schakelfrequentie-aanpassingsfunctie. De aandrijving werkt waar mogelijk op de hoogste schakelfrequentie gespecificeerd door de gebruiker, maar verlaagt het als de aandrijvingsverliezen te hoog worden. Dit betekent dat het schakelverlies in de geminimaliseerd wordt tenzij dit resulteert in excessive aandrijvingsverlies.