Energieeffizienz mit drehzahlgeregelten Antrieben (Teil 2)

Im zweiten Teil dieser Blogserie befasst sich der Chefingenieur von Control Techniques eingehender mit der Erzielung einer höheren Energieeffizienz durch den Einsatz von Antrieben mit variabler Drehzahl.

Der vorherige Blog gab einen Überblick über die Effizienz von Antrieben und ihren Anwendungen und wie sie durch das Muster von Drehzahl- und Drehmomentkombinationen in einer bestimmten Anwendung beeinflusst werden. Wir betrachten nun, wie die vorgeschlagene EU-Verordnung und die damit verbundenen Standards versuchen, die Energieeffizienz von Endanwendungen zu verbessern, indem sie Standards für die Leistung und die Bereitstellung von Daten festlegen. Dazu gehören die vorgeschlagenen neuen IE-Klassen für Laufwerke.

Die Normen und die vorgeschlagene EU-Verordnung zur Antriebseffizienz

Es gibt eine Reihe von europäischen (CENELEC) Normen, die als Ausgangspunkt für eine mögliche zukünftige Regulierung geschaffen wurden, nämlich EN 50598 Teile 1 bis 3 [1]. Voraussichtlich werden diese zu gegebener Zeit als Grundlage für internationale Normen (IEC), wie sie für Motoren vorliegen, verwendet. Die EU-Verordnung wird wahrscheinlich die IE-Klassendefinitionen aus EN 50598-2 verwenden.

Von dieser Standardfamilie befasst sich Teil 3 allgemein mit umweltbewusstem Design, wobei der Schwerpunkt auf den im Produkt verwendeten Materialien und den Umweltauswirkungen ihrer eventuellen Entsorgung liegt. Das liegt außerhalb des Rahmens dieses Blogs. Teil 1 befasst sich mit dem Entwurf kompletter Systeme, die Motoren und Antriebe beinhalten. Es zielt darauf ab, die Herausforderung für Produktnormen anzugehen, die zwangsläufig nur für die Energieeffizienz bestimmter Produkte gelten, wenn der eigentliche Zweck darin besteht, zu versuchen, die bestmögliche Energienutzung in der Endanwendung sicherzustellen, und nicht die Einzelteile separat betrachtet. Es erläutert die im vorherigen Blog behandelten Themen, jedoch detaillierter, und legt eine Methodik zur Bewertung der Energieeffizienz des Gesamtsystems anhand der in Teil 2 näher definierten Daten für den Antrieb dar. Teil 1 ist vorgesehen zur Verwendung durch technische Komitees, die an der Energieeffizienz spezifischer Endanwendungen arbeiten. Dies wird als „Erweiterter Produktansatz“ (EPA) bezeichnet. Teil 1 enthält nützliches Tutorial-Material für Systemdesigner.

Teil 2 wird als EN 50598-2 bezeichnet und gibt Energieeffizienzkennzahlen für Antriebe, die IE-Klassen, an, die voraussichtlich Grundlage einer zukünftigen Verordnung sein werden. Die Verordnung [2] gilt für einen Antrieb als Produkt, das in der EU in Verkehr gebracht wird. Wir haben bereits gesehen, dass die Energieauswirkungen eines Laufwerks seinen eigenen Energieverbrauch (Verlust) bei weitem übersteigen, weil es erhebliche Energieeinsparungen in den anderen Komponenten einer Endanwendung ermöglichen kann. Die Vielzahl unterschiedlicher Endanwendungen kann die Verordnung nicht vorwegnehmen, daher wird sie darauf abzielen, die Daten zu definieren, die der Antriebshersteller dem Käufer zur Verfügung stellen muss. Diese Daten bilden das „Semi Analytic Model“, das für die EPA verwendet wird.

Die für die Erstellung der Vorschrift und der Norm verantwortlichen Gruppen sind sich bewusst, dass der energetische Nutzen des Einsatzes eines geeigneten Antriebs die Verluste bei weitem überwiegt, und haben sich zum Ziel gesetzt, die Norm einfach und praxisgerecht zu halten. Es ist ein ziemlich langes Dokument, aber ein Großteil des Materials besteht aus einer detaillierten Erklärung der Verlustquellen und der zu verwendenden mathematischen Modelle. Es ist eine empfehlenswerte Lektüre, wenn Sie mehr über das Thema erfahren möchten.

Zusammenfassend muss der Laufwerkshersteller laut Norm Folgendes bereitstellen:

• Eine Energieeffizienzklasse für den Antrieb im Bereich IE0 bis IE2, die auf dem Verlust in einem bestimmten Betriebspunkt mit drehmomentbildendem Nennstrom und 90 % der Nennausgangsfrequenz basiert. Die PWM-Schaltfrequenz ist für Leistungen bis 90 kW auf 4 kHz und über 90 kW auf 2 kHz festgelegt. Der „Referenzverlust“, der die Basisklasse IE1 definiert, hängt von der Nennleistung des Wechselrichters ab, aber für Nennleistungen im Bereich von 5 kW bis 75 kW beträgt er etwa 5 % der Scheinausgangsleistung. Der Verlust der IE2-Klasse ist etwa halb so hoch wie der von IE1.
• Daten, die den Leistungsverlust über eine Matrix der folgenden 9 Kombinationen aus drehmomenterzeugendem Strom und Ausgangsfrequenz zeigen:

Es ist wahrscheinlich, dass die Verordnung den Verkauf von Laufwerken der Klasse IE0 in der EU verbieten und möglicherweise einen Zeitplan für das Verbot von Laufwerken der Klasse IE1 festlegen wird. Der Standard enthält Bestimmungen für mögliche zukünftige Klassen über IE2 hinaus, aber es bringt wenig, weiter zu gehen.

Der Zweck der erforderlichen Datenmatrix besteht darin, es einem Benutzer zu ermöglichen, den Energieverlust seiner Anwendung unter Berücksichtigung seiner spezifischen Drehmoment-/Drehzahlcharakteristik und seines Belastungsmusters vorherzusagen, wie wir im vorherigen Blog besprochen und auch in EN 50598 erklärt haben. 1.

Praktische Methoden zur Verbesserung der Energieeffizienz von Antriebssystemen

Den gesamten Prozess verstehen

Um die Energieeffizienz zu optimieren, ist der bei weitem wichtigste Aspekt einer drehzahlgeregelten Anwendung, die Regelfunktion richtig zu gestalten, damit der Prozess optimiert wird und die Leistung, was auch immer sie ist, bedarfsgerecht, aber ohne Überschuss zur Verfügung gestellt wird. Die Hauptkompetenz des Konstrukteurs von Antriebssystemen besteht darin, den Gesamtprozess gut genug zu verstehen, um sicherzustellen, dass die Motordrehzahl und/oder das Drehmoment für den Prozess angemessen eingestellt werden. Aus Tabelle 1 im vorherigen Blog können Sie ersehen, dass in diesem Beispiel die Verluste in Motor und Antrieb nur 20,7 % der Leistung betragen, verglichen mit 56 % in Getriebe und Aktuator. Der Motorverlust von 10 % ist typisch für einen modernen Motor der IE3-Klasse mit einer Nennleistung von etwa 7,5 kW, und es ist schwierig, ihn wesentlich zu verbessern. Der Antriebsverlust ist eher trivial. Ein Antriebsingenieur kann jedoch möglicherweise eine Möglichkeit finden, das gesamte System zu verbessern. Betrachten wir ein neues Design, bei dem Motor und Aktuator so aufeinander abgestimmt sind, dass kein Drehzahländerungsgetriebe erforderlich ist. Dies könnte ermöglicht werden, indem die Antriebsfähigkeit verwendet wird, um die Grundgeschwindigkeit des Motors zu ändern. In diesem Fall würde Tabelle 1 zu:

Der Wirkungsgrad wird nun von 56,5 % auf 67,9 % verbessert und der Verlust von 76,7 % auf 47,3 % der Leistung reduziert.

In diesem Fall nutzten wir die Fähigkeit des Antriebs, sich von einer begrenzten Anzahl von Grunddrehzahlen zu entfernen, die durch die Netzfrequenz und die Polzahl des Motors bestimmt sind. Der Antrieb verfügt außerdem über eine programmierbare Steuerungsfunktion, sodass die Eingaben von verschiedenen Prozesssensoren verwendet werden können, um die Geschwindigkeit für die realen Betriebsbedingungen des Systems zu optimieren. Schließlich kann der Antrieb auch den Betriebszustand des Motors in Abhängigkeit von der tatsächlichen Belastung optimieren.

Optimierung der Motorsteuerung – magnetische Flussdichte

Der Volllastverlust in einem 4-poligen Motor der Klasse IE3 variiert im Bereich von 14,5 % bei einer Nennleistung von 0,75 kW bis 3,8 % bei einer Nennleistung über 185 kW. Im weit verbreiteten und energieintensiven Bereich um 5,5 kW bis 55 kW sind es etwa 6 %. Hier scheint es nicht viel Spielraum für weitere Verbesserungen zu geben. Der größte Teil des Verlustes sind Kupfer-(Leiter-)Verluste in Bezug auf den Arbeitsstrom, die durch keine Antriebsfunktion verbessert werden können. Das beste Verbesserungspotenzial bei hoher Last ist die Verwendung eines Permanentmagnetmotors, damit der Motorleistungsfaktor (cos f) nahe 1 und der Strom daher reduziert werden kann.

Es lohnt sich jedoch, noch einmal auf die festen Verluste im Motor zu achten, da es sich um eine große Klasse von Anwendungen handelt, bei denen das Betriebsdrehmoment oft deutlich unter seinem Nennwert liegt. Dies kann bei einer Lüfter- oder Pumpenanwendung der Fall sein, bei der die normale Förderleistung geringer als das maximal mögliche ist, oder bei einer Anwendung mit konstantem Drehmoment, bei der das Drehmoment normalerweise geringer als das maximal mögliche ist. In diesem Fall ist die magnetische Flussdichte im Motor bei seiner Betriebsspannung höher als zum Erreichen des erforderlichen Drehmoments erforderlich ist, und der feste Verlust im magnetischen Stahl könnte durch eine Verringerung der Versorgungsspannung und damit der Flussdichte reduziert werden. P>

Um eine ungefähre Vorstellung von den Möglichkeiten zu bekommen, nehmen Sie zum Beispiel eine Lüfteranwendung, die normalerweise mit 50 % Nenndrehzahl und 25 % Nenndrehmoment läuft. Die Leistung beträgt also nur 12,5 %. Der magnetische Festverlust des Motors beträgt 2 % der Nennleistung, was trivial zu sein scheint. Dies sind jedoch tatsächlich 16% des normalen Stromverbrauchs. Es wäre wahrscheinlich möglich, die Spannung um bis zu 50 % zu reduzieren, ohne den Strom signifikant zu erhöhen, was zu einem festen Verlust führt, der auf etwa 4 % des Verbrauchs reduziert wird. Die Reduzierung des Verlusts ist im Vergleich zur Nennleistung gering, wird jedoch im Vergleich zur tatsächlichen durchschnittlichen Betriebsleistung, die die Stromrechnung des Eigentümers bestimmt, erheblich.

Die traditionelle Methode zur Steuerung der Motorflussdichte in einer Anwendung mit variablem Drehmoment ist der quadratische V/F-Modus, bei dem das Verhältnis V/F die Motorflussdichte bestimmt. Vorausgesetzt, dass die Last wirklich quadratisch ist, d. h. das Drehmoment proportional zum Quadrat der Drehzahl ist, und es keine Lastdrehmomenttransienten gibt, funktioniert dies gut.

Für Anwendungen mit konstantem Drehmoment ist die dynamische V/F-Funktion von Control Techniques sehr effektiv. Dies funktioniert durch eine aktive Anpassung der Spannung an den Motorstrom. Es hat den Vorteil, dass der Fluss effektiv und automatisch geschwächt wird, wenn das Lastmoment reduziert wird, ohne Annahmen über die Drehmoment-/Drehzahlkennlinie der Last. Ein plötzlicher Anstieg des Lastdrehmoments führt jedoch immer noch zu einer schnellen Reaktion, der Fluss wird schnell erhöht, sodass ein Abwürgen des Motors unwahrscheinlich ist.

Optimierung der Motorsteuerung – Schalthäufigkeit

Das PWM-Schalten des Umrichterantriebs führt zu einem erhöhten Verlust im Motor, der weitgehend lastunabhängig ist, d. h. es ist ein zusätzlicher fester Verlust. Je höher die Schaltfrequenz ist, desto geringer sind die zusätzlichen Verluste im Motor, aber desto höher sind die stromabhängigen Schaltverluste im Umrichter. Bei Volllast zeigten Untersuchungen, die bei der Entwicklung von EN 50598-2 durchgeführt wurden, dass unter 90 kW der beste Gesamtwirkungsgrad des IE3-Motors und des Antriebs zusammen bei Nennlast gegeben ist, wenn die Schaltfrequenz etwa 4 kHz beträgt, wobei die Kurve ruhig ist seicht. Deshalb erfolgt die Verlustmessung für den Standard bei diesen Schaltfrequenzen.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für die Verluste in einem kleinen Motor und seinem Antrieb, wenn die Schaltfrequenz variiert, sowohl bei Volllast (FL) als auch bei Halblast (HL).

Die beste Schaltfrequenz liegt in diesem Beispiel bei Volllast bei ca. 5 kHz, bei Halblast bei ca. 7 kHz, da die Antriebsverluste bei gegebener Frequenz bei Teillast geringer sind. Ein Frequenzumrichter, der seine Schaltfrequenz an den Motorstrom anpasst, kann einen verbesserten Teillastwirkungsgrad bieten, was sich wiederum in einer Anwendung lohnen kann, die viel Zeit bei Teillast verbringt.

Unidrive M-Antriebe von Control Techniques verfügen über eine Funktion zur automatischen Anpassung der Schaltfrequenz. Der Antrieb arbeitet möglichst mit der höchsten vom Anwender vorgegebenen Schaltfrequenz, reduziert diese aber, wenn die Antriebsverluste zu hoch werden. Das bedeutet, dass die Schaltverluste im Motor minimiert werden, es sei denn, dies führt zu übermäßigen Antriebsverlusten.