Frequenzumrichter: Steigerung der Energieeffizienz – Teil 2

Im zweiten Teil dieser Blogserie betrachtet Control Techniques' Chefingenieur tiefergehende Aspekte zur Erreichung höherer Energieeffizienz mit Frequenzumrichtern.

Der vorherige Blog gab einen Überblick über die Effizienz von Umrichtern und ihren Anwendungen und wie sie vom Muster der Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen in einer gegebenen Anwendung beeinflusst werden. Wir schauen nun, wie die vorgeschlagene EU-Verordnung und ihre zugehörigen Normen versuchen, die Energieeffizienz von Endanwendungen durch Festlegung von Leistungsstandards und Datenbereitstellung zu verbessern. Dies beinhaltet die vorgeschlagenen neuen IE-Klassen für Umrichter.

Die Normen und die vorgeschlagene EU-Verordnung für Umrichtereffizienz

Es gibt eine Reihe europäischer (CENELEC) Normen, die als Ausgangspunkt für eine mögliche zukünftige Verordnung erstellt wurden: EN 50598 Teile 1 bis 3 [1]. Wahrscheinlich werden diese in Zukunft als Basis für internationale Normen (IEC) dienen, wie sie für Motoren verfügbar sind. Die EU-Verordnung wird wahrscheinlich die IE-Klassendefinitionen aus EN 50598-2 verwenden.

Von dieser Normenfamilie behandelt Teil 3 umweltbewusstes Design allgemein, mit Schwerpunkt auf Materialien und Umweltauswirkungen der Entsorgung. Das liegt außerhalb dieses Blogs. Teil 1 befasst sich mit dem Design kompletter Systeme, die Motoren und Umrichter umfassen. Es adressiert die Herausforderung für Produktnormen, die zwangsläufig auf die Energieeffizienz spezifischer Produkte allein anwenden, während der eigentliche Zweck darin besteht, die beste Energienutzung in der Endanwendung sicherzustellen, nicht in den Einzelteilen separat. Es erklärt die im vorherigen Blog behandelten Themen detaillierter und legt eine Methodik zur Bewertung der Energieeffizienz des Gesamtsystems fest, unter Verwendung der Umrichterdaten, die in Teil 2 detaillierter definiert sind. Teil 1 ist für technische Komitees gedacht, die an Energieeffizienz spezifischer Endanwendungen arbeiten. Dies wird als „Extended Product Approach“ (EPA) bezeichnet. Teil 1 enthält nützliches Tutorial-Material für Systemdesigner.

Teil 2 wird als EN 50598-2 bezeichnet und gibt Energieeffizienz-Indikatoren für Umrichter an, die IE-Klassen, die wahrscheinlich Basis einer zukünftigen Verordnung sein werden. Die Verordnung [2] wird auf einen Umrichter als Produkt angewendet, das in der EU in Verkehr gebracht wird. Wir haben gesehen, dass die Energieauswirkung eines Umrichters seine eigenen Verluste (Verluste) weit übersteigt, da er große Energieeinsparungen in anderen Komponenten einer Endanwendung ermöglichen kann. Die Verordnung kann die breite Palette unterschiedlicher Endanwendungen nicht antizipieren, daher zielt sie darauf ab, die Daten zu definieren, die der Umrichterhersteller dem Käufer bereitstellen muss. Diese Daten bilden das „Semi-Analytische Modell“, das für den EPA verwendet wird.

Die für die Erstellung der Verordnung und der Norm verantwortlichen Gruppen sind sich bewusst, dass der Energievorteil der Verwendung eines Umrichters, wo geeignet, die Verluste bei weitem überwiegt, und haben angestrebt, den Standard einfach und praktisch zu halten. Es ist ein langes Dokument, aber viel Material ist detaillierte Erklärung der Verlustquellen und mathematischen Modelle. Es ist lesenswert, wenn Sie sich tiefer für das Thema interessieren.

Zusammenfassend muss der Umrichterhersteller laut Norm folgendes bereitstellen:

• Eine Energieeffizienzklasse für den Umrichter im Bereich IE0 bis IE2, basierend auf dem Verlust an einem spezifischen Betriebspunkt mit Nenn-Drehmomentstrom und 90 % der Nennausgangsfrequenz. Die PWM-Schaltfrequenz ist fest auf 4 kHz für Leistungen bis 90 kW und 2 kHz darüber festgelegt. Der „Referenzverlust“, der die Basis-IE1-Klasse definiert, hängt von der Umrichternennleistung ab, liegt aber für Leistungen im Bereich 5–75 kW bei ca. 5 % der scheinbaren Ausgangsleistung. Der IE2-Klassenverlust beträgt etwa die Hälfte von IE1.
• Daten zur Leistungsaufnahme über eine Matrix der folgenden 9 Kombinationen aus Drehmomentstrom und Ausgangsfrequenz:

Tabelle: Lastpunkte für Verlustdatenmatrix (Drehmomentstrom × Ausgangsfrequenz)

Wahrscheinlich wird die Verordnung den Verkauf von IE0-Umrichtern in der EU verbieten und möglicherweise einen Zeitplan für das Verbot von IE1-Umrichtern festlegen. Der Standard enthält Vorkehrungen für mögliche zukünftige Klassen über IE2 hinaus, aber es gibt wenig Nutzen, weiter zu gehen.

Der Zweck der geforderten Datenmatrix ist, dem Anwender zu ermöglichen, den Energieverlust seiner Anwendung vorherzusagen, unter Berücksichtigung der spezifischen Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie und des Lastmusters, wie im vorherigen Blog besprochen und in EN 50598-1 erklärt.

Praktische Methoden zur Verbesserung der Energieeffizienz von Umrichtersystemen

Verständnis des Gesamtprozesses

Um Energieeffizienz zu optimieren, ist der bei weitem wichtigste Aspekt einer drehzahlgeregelten Anwendung, die Steuerungsfunktion korrekt zu entwerfen, sodass der Prozess optimiert wird und die Ausgabe, was auch immer es ist, bedarfsgerecht ohne Überdimensionierung bereitgestellt wird. Die Hauptkompetenz des Umrichtersystemdesigners ist, den Gesamtprozess gut genug zu verstehen, um sicherzustellen, dass Motordrehzahl und/oder Drehmoment für den Prozess angemessen gesetzt sind. Aus Tabelle 1 im vorherigen Blog sehen Sie, dass die Verluste in Motor und Umrichter nur 20,7 % der Ausgabe betragen, verglichen mit 56 % in Getriebe und Aktor. Der 10 % Motorverlust ist typisch für einen modernen IE3-Motor um 7,5 kW, und hier ist wenig Verbesserung möglich. Der Umrichterverlust ist eher gering. Ein Umrichteringenieur könnte jedoch eine Möglichkeit finden, das Gesamtsystem zu verbessern. Betrachten wir ein neues Design, wo Motor und Aktor so abgestimmt sind, dass kein drehzahländerndes Getriebe nötig ist. Dies könnte durch die Umrichterfähigkeit ermöglicht werden, die Basisdrehzahl des Motors zu ändern. Dann würde Tabelle 1 zu:

Tabelle: Verlustvergleich mit und ohne Getriebe

Die Effizienz verbessert sich von 56,5 % auf 67,9 % und der Verlust sinkt von 76,7 % auf 47,3 % der Ausgabe.

Hier nutzten wir die Umrichterfähigkeit, wegzukommen von einer begrenzten Anzahl von Basisdrehzahlen, die durch Netzfrequenz und Motorpolzahl bestimmt sind. Der Umrichter hat auch programmierbare Steuerungsfähigkeit, sodass Eingänge von verschiedenen Prozesssensoren genutzt werden können, um die Drehzahl für die realen Betriebsbedingungen zu optimieren. Schließlich kann der Umrichter auch den Betriebszustand des Motors optimieren, abhängig von der tatsächlichen Last.

Optimierung der Motorsteuerung – Magnetische Flussdichte

Der Volllastverlust eines 4-poligen IE3-Motors variiert von 14,5 % bei 0,75 kW auf 3,8 % über 185 kW. Im weit verbreiteten, energieintensiven Bereich 5,5–55 kW beträgt er ca. 6 %. Hier scheint wenig Spielraum für weitere Verbesserung. Der Großteil des Verlusts ist Kupfer (Leiter) Verlust bezüglich Arbeitsstrom, der durch keine Umrichterfunktion verbessert werden kann. Der beste Spielraum für Verbesserung bei hoher Last ist der Einsatz eines permanenterregten Motors, damit der Leistungsfaktor (cos φ) nahe 1 liegt und der Strom reduziert wird.

Es lohnt sich jedoch, den festen Verlust im Motor erneut zu betrachten, wegen der großen Anwendungsklasse, wo das Betriebsmoment oft weit unter dem Nennwert liegt. Dies kann bei Lüfter- oder Pumpenanwendungen der Fall sein, wo die normale Förderung unter der maximal möglichen liegt, oder bei Konstantmoment-Anwendungen, wo das Moment meist unter dem Maximum liegt. In diesem Fall ist die magnetische Flussdichte im Motor bei seiner Betriebsspannung höher als nötig für das erforderliche Drehmoment, und der feste Verlust im Magnetblech könnte durch Reduzierung der Versorgungsspannung und damit der Flussdichte gesenkt werden.

Um eine grobe Vorstellung der Möglichkeiten zu bekommen: Nehmen wir eine Lüfteranwendung, die normalerweise bei 50 % Nenndrehzahl und 25 % Nenndrehmoment läuft. Die Leistung beträgt also nur 12,5 %. Der magnetische Festverlust des Motors beträgt 2 % der Nennleistung, was trivial scheint. Doch dies sind tatsächlich 16 % des normalen Stromverbrauchs. Es wäre wahrscheinlich möglich, die Spannung um bis zu 50 % zu reduzieren, ohne den Strom signifikant zu erhöhen, was den Festverlust auf ca. 4 % des Verbrauchs senkt. Die Verlustreduktion ist klein im Vergleich zur Nennleistung, wird aber signifikant im Vergleich zur tatsächlichen durchschnittlichen Betriebsleistung, die die Stromrechnung des Besitzers bestimmt.

Die traditionelle Methode zur Steuerung der Motorflussdichte in variablen Momentanwendungen ist der quadratische V/f-Modus, wo das Verhältnis V/f die Motorflussdichte bestimmt. Vorausgesetzt, die Last ist wirklich quadratisch (Moment proportional zum Quadrat der Drehzahl) und es gibt keine Lastmoment-Transienten, funktioniert dies gut.

Für Konstantmoment-Anwendungen ist die Control Techniques Dynamic V/f-Funktion sehr effektiv. Sie arbeitet, indem sie die Spannung aktiv an den Motorstrom anpasst. Der Vorteil: Der Fluss wird effektiv und automatisch geschwächt, wenn das Lastmoment sinkt, ohne Annahmen über die Moment/Drehzahl-Kennlinie der Last. Ein plötzlicher Lastanstieg führt jedoch zu schneller Reaktion – der Fluss wird schnell erhöht, sodass der Motor unwahrscheinlich blockiert.

Optimierung der Motorsteuerung – Schaltfrequenz

Die PWM-Schaltung des Inverters führt zu erhöhten Verlusten im Motor, die weitgehend lastunabhängig sind – also ein zusätzlicher fester Verlust. Je höher die Schaltfrequenz, desto geringer der zusätzliche Verlust im Motor, aber desto höher der stromabhängige Schaltverlust im Inverter. Bei Volllast zeigte die Forschung für EN 50598-2, dass unter 90 kW die beste Gesamteffizienz von IE3-Motor und Umrichter zusammen bei Nennlast bei ca. 4 kHz Schaltfrequenz gegeben ist, die Kurve ist recht flach. Deshalb wird die Verlustmessung für den Standard bei diesen Schaltfrequenzen durchgeführt.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel der Verluste in einem kleinen Motor und seinem Umrichter bei variierender Schaltfrequenz, sowohl bei Volllast (FL) als auch Halblast (HL).

Abbildung 1: Verluste in Motor und Umrichter vs. Schaltfrequenz bei Volllast und Halblast

Die beste Schaltfrequenz in diesem Beispiel bei Volllast liegt bei ca. 5 kHz, bei Halblast bei ca. 7 kHz, da die Umrichterverluste bei gegebener Frequenz bei Teillast niedriger sind. Ein Umrichter, der seine Schaltfrequenz an den Motorstrom anpasst, kann verbesserte Teillasteffizienz liefern, was in Anwendungen, die viel Zeit im Teillastbereich verbringen, lohnenswert sein kann.

Control Techniques Unidrive M Umrichter verfügen über eine automatische Schaltfrequenzanpassung. Der Umrichter arbeitet, wo möglich, mit der höchsten vom Benutzer angegebenen Schaltfrequenz, reduziert sie aber, wenn die Umrichterverluste zu hoch werden. Das minimiert den Schaltverlust im Motor, es sei denn, dies führt zu übermäßigem Umrichterverlust.