Energie-efficiëntie maximaliseren met variabele-snelheidsaandrijvingen – Expertgids (Deel 1)

In dit artikel kijkt Colin Hargis, hoofdingenieur voor Control Techniques, naar het kwestie van energie-efficiëntie met variabele-snelheidsaandrijvingen.

Sommige lezers zijn zich misschien bewust dat een nieuwe EU-regulering in de pijplijn zit die bedoeld is om de efficiëntie van aandrijvingen en aandrijvingssystemen te regelen. De regulering is nog steeds onder consultatie dus het heeft officieel nog geen nummer, maar het kan geïdentificeerd worden via EC-mandaat M/476, en wordt aangeduid als "Lot 30" onder het consultatieproces voor de Energie-gerelateerde Producten richtlijn (ErP). De consultatie lijkt op dit moment gestopt, maar technische standaarden ter ondersteuning van de regulering bestaan al als EN 50598-1 en EN 50598-2. De bedoeling is dat aandrijvingen efficiëntieklassen moeten krijgen net als industriële motoren, en op een bepaald moment is het mogelijk dat de laagste graad verboden wordt op de EU-markt. Fabrikanten zullen ook verdere data over deellastverliezen moeten leveren, om gebruikers te helpen de algehele energie-efficiëntie van hun toepassing te beoordelen.

Voordat de regulering zelf in werking treedt, kunnen sommige aandrijvingsgebruikers geïnteresseerd zijn om meer te leren over de voorgestelde regulering en de efficiëntieklassen, om te beoordelen of ze relevant zijn voor de energie-efficiëntie van hun eigen eindproduct of systeem. In deze blog kijken we naar enkele van de basisprincipes van aandrijvingssysteemefficiëntie. In de volgende zullen we in meer detail kijken naar sommige kwesties die voortkomen uit de nieuwe standaarden en de voorgestelde regulering.

Een van de hoofredenen voor het gebruik van een variabele-snelheidsaandrijving is om de snelheid van een motor te regelen om aan te passen aan de vraag aan het eindproces dat het aandrijft, om zo het energiegebruik te optimaliseren. Dit is bijzonder waardevol bij het verplaatsen van vloeistoffen (gassen en vloeistoffen) omdat viscieuze wrijving betekent dat het vermogen dat vereist is om de vloeistof rondom een circuit te verplaatsen varieert als een derde-machtswet van de stroomsnelheid, zodat een kleine reductie in stroomsnelheid een grote reductie in gebruikt vermogen geeft. Besturingsmethoden zoals dempers, kleppen en zelfs variabele leidschoven resulteren ook in onnodig vermogensverlies. Dit idee is zo goed bekend dat er niet veel meer over te schrijven is, er zijn veel nuttige gidsen beschikbaar [bijv. referenties 1 & 2]. Echter, met de komende regulering in gedachten is het nuttig om een paar principes te herzien, voornamelijk om het effect van de regulering en de standaarden in perspectief te houden.

Energieverlies in een aandrijvingssysteem

Het diagram, niet op schaal, illustreert breed hoe vermogen verbruikt wordt in een aandrijvingstoepassing. Het is duidelijker om in termen van verliezen te werken dan efficiëntie. Op elk stadium is er een vermogensverlies in het relevante apparaat, wat doorgaans uitgedrukt wordt als een fractie van zijn nominale doorvoer.

Het verloren vermogen komt als warmte vrij, meestal van de omringende lucht. Soms kan de warmte goed gebruikt worden, maar meestal moet het als verspild worden beschouwd, en het kan zelfs verdere kosten opleveren als additionele ventilatie of koeling van het gebied vereist is. Werkelijke verliezen variëren sterk over diverse toepassingen, maar een typische verdeling voor een luchtverplaatsende toepassing, opererend op maximale uitgang, is gegeven in Tabel 1. Let op dat op elk stadium het verlies geleden in een apparaat een functie is van zowel de nuttige systeemoutput als ook de geaccumuleerde verliezen van alle andere downstream apparaten.

In dit voorbeeld is de algehele efficiëntie ongeveer 56,6%. Het grootste verlies zit in de actuator, en het verliescijfer van 30% is typisch voor een ventilator voor het verplaatsen van lucht. Lucht is een moeilijke vloeistof om efficiënt te verplaatsen, een moderne pomp zou verliezen dichter bij 10% kunnen hebben. Al de getoonde verliezen kunnen verminderd worden door verbeterde technologie, en de aandacht voor energie-efficiëntie betekent dat ze allemaal neigen te dalen over de tijd naarmate verbeterde ontwerpen kosteneffectief worden of door reguleringen vereist zijn.

Let op dat het aandrijvingsverlies het kleinste in de lijst is, en dit is realistisch in de grote meerderheid van toepassingen. Het verlies van 3% is tamelijk triviaal vergeleken met de anderen. Moderne aandrijvingen hebben zeer lage verliezen, de hoofddriver hiervoor is de wens voor fysiek compacte eenheden, wat betekent dat de koelapparaten (koelblokken en ventilatoren) in grootte geminimaliseerd moeten worden, dus de verliezen ook geminimaliseerd moeten worden. De vermogendoorvoer van de aandrijving omvat wel al de andere verliezen, dus de kopverlies van de aandrijving van 3%, gebaseerd op de aandrijvingdata, wordt 5,1% wanneer uitgedrukt als een fractie van de systeemoutput. Het intelligente gebruik van de aandrijving kan vaak nuttige reducties in de verliezen van de andere apparaten toelaten, wat resulteert in besparingen die ver de verliezen in de aandrijving overschrijden. Echter, we moeten de werkelijke operatiecondities overwegen in plaats van alleen de maximale belastingconditie.

Controle en verliezen

De typische verlieswaarden die hierboven besproken zijn, zijn de "kop" waarden die gegeven zijn bij de nominale belasting of doorvoer van elk apparaat. Ze zijn daarom relevant wanneer het systeem op zijn maximale ontwerpuitgang werkt. Veel systemen besteden grote delen van hun leven opererend onder hun nominale belasting, omdat de vraag varieert maar het systeem ontworpen moet zijn voor het maximum. Ook, de prestaties worden meestal beoordeeld door de maximale doorvoercapaciteit, dus de leverancier neigt ertoe componenten over te dimensioneren om het risico te vermijden dat de klant het systeem afkeurt als het faalt om de nominale output te leveren tijdens acceptatietrials. Een besturingssysteem is daarom nodig, met een methode voor het aanpassen van de output. De toegepaste besturingstechniek kan de deellastefficiëntie enorm beïnvloeden. Bijvoorbeeld, het is bekend dat lucht-dempers en regelaarkleppen tamelijk hoge deellastverliezen veroorzaken, omdat ze resulteren in een stijging in druk aan de ventilator of pomp wat betekent dat het meer vermogen moet ontwikkelen dan nodig is bij het leveringspunt. De variabele-snelheidsaandrijving vermijdt dit additionele verlies.

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

• Een vast verlies dat onafhankelijk is van output. Dit neigt de deellastefficiëntie te verminderen.
• Een evenredig verlies dat de deellastefficiëntie niet beïnvloedt.
• Een stijgend verlies (bijv. kwadratswet) dat de vollastefficiëntie neigt te verminderen.

Het resultaat is dat er meestal een optimale efficiëntie-outputniveau is, bijvoorbeeld in een standaard asynchrone motor is dit rond 80% van de nominale waarde. Bij een hogere output daalt de efficiëntie licht. Bij een lagere output daalt de efficiëntie ook, maar het werkelijke vermogensverlies daalt ook.

Verliezen in een variabele-snelheids elektrisch aandrijvingssysteem

Naar aanleiding van de algemene situatie samengevat, kunnen we nu in meer detail kijken naar het elektrische aandrijvingssysteem, d.w.z. de motor en aandrijving. De output van het systeem is mechanisch vermogen aan 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 stroom evenredig is met koppel. Dit is een vereenvoudiging omdat het de motor magnetiseringsstroom negeert.

Let op dat we het effect van snelheid en koppel zowel apart als gecombineerd moeten overwegen. De weerstandsverliezen in de motor zijn bijna volledig gerelateerd aan het koppel, ongeacht de snelheid, en dit is ook waar voor de inverter-trap van de aandrijving. Aan de andere kant zijn de verliezen in de aandrijving invoer-trap gelijkrichter puur een functie van de vermogendoorvoer, d.w.z. het product van koppel en snelheid.

Deze tamelijk complexe afbeelding kan vereenvoudigd worden wanneer een specifiek type belasting wordt overwogen waar de koppel en snelheid gerelateerd zijn. Bijvoorbeeld een simpele pomp of ventilator die voedt in een proces met weinig statische drukhoogte, zodat de druk preponderant een kwadratswet-functie is van de stroomsnelheid, geeft koppel wat een kwadratswet-functie is van snelheid. Integenstelling, een proces zoals een transporter-systeem heeft een koppel dat grotendeels onafhankelijk is van snelheid, maar afhangt van de vraag aan de transporter. Deze twee typen belasting worden breed aangeduid als "variabele koppel" en "vaste koppel" aandrijvingstoepassingen respectievelijk.

Naast de verliezen inherent in de aandrijving en de motor apart genomen, zijn er verliezen die een functie zijn van de combinatie van de twee. De sleutelfactoren in de interdependentie zijn:

• Werkmagnetische fluxdichtheid, gecontroleerd door de aandrijving en opgelegd aan de motor, beïnvloedend magnetiseringsverliezen. (Ook beïnvloedend weerstandsverliezen voor een gegeven koppel, er is een optimale fluxdichtheid voor elk gegeven koppel en snelheid.)
• PWM-schakeling, gecontroleerd door de aandrijving en resulterend in additionele verliezen in de motor
• Vermogensfactor van de motor, reactieve stroom opgelegd door de motor resulterend in additionele stroomverliezen in de aandrijving

Een simpele standaard voor de efficiëntie van de aandrijving zou alleen omgaan met de verliezen in de aandrijving alleen, met een gestandaardiseerde motorbelasting. Een nuttige standaard moet de interdependentie aanspreken en afwegingen managen; bijv. dat de gekozen PWM-schakelfrequentie de wens moet balanceren om verliezen in de aandrijving te minimaliseren, wat een lagere frequentie vereist, en de motor, wat een hogere frequentie vereist. Het moet ook toelaten voor de ontwerper van een compleet systeem of machine om hen in staat te stellen de verliezen in de complete machine over zijn praktische bereik van operatiecondities te berekenen.

In de volgende blog zullen we nauwkeuriger kijken naar de standaarden, met name EN 50598-2, die energie-efficiëntieklassen voor aandrijvingen specificeren, en overwegen hoe ze deze vereisten managen. We kijken ook naar functies beschikbaar in de aandrijving die de efficiëntie kunnen optimaliseren, en in het bijzonder de deellastverliezen optimaliseren die belangrijker kunnen zijn dan ze op het eerste gezicht lijken.

Referenties

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

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