Energieeffizienz mit drehzahlgeregelten Antrieben (Teil 1)

In diesem Artikel befasst sich Colin Hargis, Chefingenieur von Control Techniques, mit dem Thema Energieeffizienz bei Frequenzumrichtern.

Einigen Lesern dürfte bekannt sein, dass eine neue EU-Verordnung in Vorbereitung ist, die die Effizienz von Antrieben und Antriebssystemen kontrollieren soll. Die Verordnung befindet sich noch in der Beratung, hat also noch keine offizielle Nummer, kann aber durch das EG-Mandat M/476 identifiziert werden und wird im Konsultationsprozess für die Richtlinie über energieverbrauchsrelevante Produkte (ErP) als „Los 30“ bezeichnet. . Die Konsultation scheint derzeit ins Stocken geraten zu sein, aber technische Standards zur Untermauerung der Verordnung existieren bereits als EN 50598-1 und EN 50598-2. Antriebe sollen wie Industriemotoren in Effizienzklassen eingeteilt werden müssen, möglicherweise wird die niedrigste Klasse irgendwann vom EU-Markt verbannt. Die Hersteller müssen außerdem weitere Daten zu Teillastverlusten bereitstellen, um den Benutzern bei der Bewertung der Gesamtenergieeffizienz ihrer Anwendung zu helfen.

Bevor die Verordnung selbst in Kraft tritt, könnten einige Antriebsnutzer daran interessiert sein, mehr über die vorgeschlagene Verordnung und die Effizienzklassen zu erfahren, um zu beurteilen, ob sie für die Energieeffizienz ihres eigenen Endprodukts oder Systems relevant sind. In diesem Blog betrachten wir einige der Grundlagen der Effizienz von Antriebssystemen. Im Folgenden werden wir uns ausführlicher mit einigen Fragen befassen, die sich aus den neuen Standards und der vorgeschlagenen Verordnung ergeben.

Einer der Hauptgründe für die Verwendung eines drehzahlgeregelten Antriebs besteht darin, die Drehzahl eines Motors so zu regulieren, dass er den Anforderungen des Endprozesses entspricht, den er antreibt, um den Energieverbrauch zu optimieren. Dies ist besonders wertvoll, wenn Flüssigkeiten (Gase und Flüssigkeiten) bewegt werden, da viskose Reibung bedeutet, dass die Kraft, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit in einem Kreislauf zu bewegen, als Würfelgesetz der Durchflussrate variiert, sodass eine kleine Verringerung der Durchflussrate eine große Verringerung bewirkt Leistung verwendet. Auch Regelverfahren wie Dämpfer, Ventile und sogar variable Leitschaufeln führen zu unnötigem Leistungsverlust. Diese Idee ist so bekannt, dass es nicht nötig ist, viel mehr darüber zu schreiben, es gibt viele nützliche Anleitungen [z. Referenzen 1 &2]. Angesichts der bevorstehenden Verordnung ist es jedoch hilfreich, einige Grundsätze zu überprüfen, hauptsächlich um die Auswirkungen der Verordnung und der Standards im Auge zu behalten.

Energieverlust in einem Antriebssystem

Das nicht maßstabsgetreue Diagramm zeigt grob, wie Energie in einer Antriebsanwendung verbraucht wird. Es ist am deutlichsten, eher in Bezug auf Verluste als auf Effizienz zu arbeiten. Auf jeder Stufe entsteht im jeweiligen Gerät eine Verlustleistung, die in der Regel ins Verhältnis zu seiner Nennleistung gesetzt wird.

Die verlorene Leistung tritt als Wärme, meist der Umgebungsluft, wieder aus. Manchmal kann die Wärme sinnvoll genutzt werden, aber normalerweise muss sie als verschwendet angesehen werden und kann sogar weitere Kosten verursachen, wenn eine zusätzliche Belüftung oder Kühlung des Bereichs erforderlich ist. Die tatsächlichen Verluste sind je nach Anwendung sehr unterschiedlich, aber eine typische Aufschlüsselung für eine luftbewegte Anwendung, die bei maximaler Leistung arbeitet, ist in Tabelle 1 angegeben. Beachten Sie, dass der in einem Gerät auftretende Verlust in jeder Stufe eine Funktion sowohl der nutzbaren Systemleistung ist und auch die kumulierten Verluste aller anderen nachgeschalteten Geräte.

In diesem Beispiel beträgt der Gesamtwirkungsgrad etwa 56,6 %. Der größte Verlust entsteht im Aktuator, und die Verlustzahl von 30 % ist typisch für einen Ventilator zum Bewegen von Luft. Luft ist eine Flüssigkeit, die sich nur schwer effizient bewegen lässt, eine moderne Pumpe kann Verluste von annähernd 10 % aufweisen. Alle gezeigten Verluste können durch verbesserte Technologie reduziert werden, und die Aufmerksamkeit, die der Energieeffizienz geschenkt wird, bedeutet, dass sie alle im Laufe der Zeit tendenziell reduziert werden, wenn verbesserte Designs kosteneffektiv werden oder gesetzlich vorgeschrieben sind.

Beachten Sie, dass der Antriebsverlust der kleinste in der Liste ist, und dies ist in der großen Mehrheit der Anwendungen realistisch. Der Verlust von 3% ist im Vergleich zu den anderen eher unbedeutend. Moderne Antriebe haben sehr geringe Verluste, der Hauptgrund dafür ist der Wunsch nach physikalisch kompakten Einheiten, was bedeutet, dass die Kühlgeräte (Kühlkörper und Lüfter) in der Größe minimiert werden müssen, so dass auch die Verluste minimiert werden müssen. Der Leistungsdurchsatz des Laufwerks beinhaltet alle anderen Verluste, sodass der Gesamtverlust des Laufwerks von 3 %, basierend auf den Laufwerksdaten, 5,1 % beträgt, wenn es als Anteil der Systemleistung ausgedrückt wird. Durch die intelligente Nutzung des Antriebs können die Verluste der anderen Geräte oft sinnvoll reduziert werden, was zu Einsparungen führt, die die Verluste im Antrieb bei weitem übersteigen. Allerdings müssen wir die tatsächlichen Betriebsbedingungen berücksichtigen und nicht nur den maximalen Lastzustand.

Kontrolle und Verluste

Die oben diskutierten typischen Verlustwerte sind die „Schlagzeilen“-Werte, die bei der Nennlast oder dem Nenndurchsatz jedes Geräts angegeben werden. Sie sind daher relevant, wenn das System mit seiner maximalen Auslegungsleistung arbeitet. Viele Anlagen arbeiten weite Teile ihrer Lebensdauer unterhalb ihrer Nennlast, da die Anforderungen unterschiedlich sind, die Anlage aber auf das Maximum ausgelegt werden muss. Außerdem wird die Leistung normalerweise nach der maximalen Durchsatzleistung beurteilt, sodass der Lieferant dazu neigt, Komponenten zu überdimensionieren, um das Risiko zu vermeiden, dass der Kunde das System zurückweist, wenn es bei Abnahmeversuchen nicht die Nennleistung liefert. Daher wird ein Steuersystem mit einem Verfahren zum Einstellen der Ausgabe benötigt. Die angewandte Regelungstechnik kann den Teillastwirkungsgrad stark beeinflussen. Luftklappen und Regulierventile beispielsweise verursachen bekanntlich recht hohe Teillastverluste, weil sie zu einem Druckanstieg am Lüfter oder an der Pumpe führen und dadurch mehr Leistung aufbringen müssen, als an der Übergabestelle benötigt wird . Der Frequenzumrichter vermeidet diesen zusätzlichen Verlust.

Die Wirkungsgrade aller Komponenten ändern sich mit der Last. Die Details sind sehr unterschiedlich, aber im Allgemeinen haben die Verluste die folgenden Elemente:

• Ein fester Verlust, der unabhängig von der Leistung ist. Dies verringert tendenziell den Teillastwirkungsgrad.
• Ein proportionaler Verlust, der die Teillasteffizienz nicht beeinflusst.
• Ein steigender Verlust (z. B. quadratisch), der dazu neigt, den Volllastwirkungsgrad zu verringern.

Daraus ergibt sich meist ein optimaler Leistungswirkungsgrad, beispielsweise bei einem Standard-Induktionsmotor um die 80 % der Nennleistung. Bei höherer Leistung sinkt der Wirkungsgrad leicht. Bei geringerer Leistung sinkt auch der Wirkungsgrad, aber auch die eigentliche Verlustleistung.

Verluste in einem elektrischen Antriebssystem mit variabler Drehzahl

Nachdem wir die allgemeine Situation zusammengefasst haben, können wir uns nun das elektrische Antriebssystem, also Motor und Antrieb, genauer ansehen. Die Leistung des Systems ist die mechanische Leistung an der Motorwelle, die sich aus dem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl zusammensetzt. Sowohl der Motor als auch der Antrieb haben Verlustelemente, die mit Drehmoment und Drehzahl variieren. Tabelle 2 fasst diese zusammen. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass der Strom proportional zum Drehmoment ist. Dies ist eine Vereinfachung, da der Motormagnetisierungsstrom ignoriert wird.

Beachten Sie, dass wir die Wirkung von Drehzahl und Drehmoment sowohl separat als auch kombiniert betrachten müssen. Die Widerstandsverluste im Motor hängen fast ausschließlich mit dem Drehmoment zusammen, unabhängig von der Drehzahl, und dies gilt auch für die Wechselrichterstufe des Frequenzumrichters. Andererseits sind die Verluste im Gleichrichter der Antriebseingangsstufe eine reine Funktion des Leistungsdurchsatzes, also dem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl.

Dieses ziemlich komplexe Bild kann vereinfacht werden, wenn eine bestimmte Lastart betrachtet wird, bei der Drehmoment und Drehzahl zusammenhängen. Beispielsweise ergibt eine einfache Pumpe oder ein Lüfter, der in einen Prozess mit geringer statischer Förderhöhe einspeist, so dass der Druck überwiegend eine quadratische Funktion der Durchflussrate ist, ein Drehmoment, das eine quadratische Funktion der Drehzahl ist. Umgekehrt hat ein Prozess wie eine Förderanlage ein Drehmoment, das weitgehend unabhängig von der Drehzahl ist, aber von der Beanspruchung des Förderers abhängt. Diese beiden Lastarten werden allgemein als Antriebsanwendungen mit „variablem Drehmoment“ bzw. „festem Drehmoment“ bezeichnet.

Neben den Verlusten, die dem Antrieb und dem Motor separat zugerechnet werden, gibt es Verluste, die eine Funktion der Kombination der beiden sind. Die Schlüsselfaktoren der gegenseitigen Abhängigkeit sind:

• Magnetische Flussdichte im Betrieb, die vom Antrieb gesteuert und dem Motor auferlegt wird und die Magnetisierungsverluste beeinflusst. (Auch Widerstandsverluste für ein gegebenes Drehmoment beeinflussend, gibt es eine optimale Flussdichte für jedes gegebene Drehmoment und jede Drehzahl.)
• PWM-Schaltung, die vom Antrieb gesteuert wird und zu zusätzlichen Verlusten im Motor führt
• Leistungsfaktor des Motors, vom Motor eingeprägter Blindstrom, der zu zusätzlichen Stromverlusten im Antrieb führt

Ein einfaches Maß für den Wirkungsgrad des Antriebs würde nur die Verluste im Antrieb alleine behandeln, unter Verwendung einer normierten Motorlast. Ein nützlicher Standard muss die gegenseitigen Abhängigkeiten ansprechen und Kompromisse handhaben; Beispielsweise muss die gewählte PWM-Schaltfrequenz den Wunsch nach minimalen Verlusten im Antrieb, der eine niedrigere Frequenz erfordert, und im Motor, der eine höhere Frequenz erfordert, ausgleichen. Es muss dem Konstrukteur eines kompletten Systems oder einer Maschine auch ermöglichen, die Verluste in der kompletten Maschine über ihren praktischen Bereich von Betriebsbedingungen zu berechnen.

Im nächsten Blog werden wir uns die Normen, insbesondere die EN 50598-2, die Energieeffizienzklassen für Antriebe vorgeben, genauer ansehen und überlegen, wie sie diese Anforderungen bewältigen. Wir sehen uns auch die im Antrieb verfügbaren Funktionen an, die den Wirkungsgrad optimieren können, und optimieren insbesondere die Teillastverluste, die möglicherweise wichtiger sind, als sie auf den ersten Blick scheinen.

Referenzen

[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