Энергоэффективность с преобразователями частоты (часть 2)

Во второй части этой серии блогов главный инженер Control Techniques более подробно рассматривает возможность повышения энергоэффективности с помощью приводов с регулируемой скоростью.

В предыдущем блоге был дан обзор эффективности приводов и их приложений, а также того, как на них влияет схема комбинаций скорости и крутящего момента  в данном приложении. Теперь мы рассмотрим, как предлагаемый регламент ЕС и связанные с ним стандарты пытаются повысить энергоэффективность конечных приложений, устанавливая стандарты производительности и предоставления данных. Сюда входят предлагаемые новые классы IE для дисков.

Стандарты и предлагаемые правила ЕС по эффективности привода

Существует набор европейских (CENELEC) стандартов, которые были созданы в качестве отправной точки для возможного будущего регулирования, а именно EN 50598, части 1–3 [1]. Вполне вероятно, что со временем они будут использованы в качестве основы для международных стандартов (МЭК), доступных для двигателей. Регламент ЕС, скорее всего, будет использовать определения класса IE из EN 50598-2.

Часть 3 этого семейства стандартов посвящена экологически безопасному дизайну в целом, с акцентом на материалы, используемые в продукте, и воздействие на окружающую среду их возможной утилизации. Это выходит за рамки этого блога. Часть 1 посвящена проектированию комплексных систем, включающих двигатели и приводы. Он направлен на решение проблемы стандартов на продукты, которые неизбежно применяются к энергоэффективности конкретных продуктов, взятых по отдельности, когда фактическая цель состоит в том, чтобы попытаться обеспечить наилучшее использование энергии в конечном приложении, а не отдельных частей, взятых по отдельности. В нем объясняются вопросы, которые мы рассмотрели в предыдущем блоге, но более подробно, и излагается методология оценки энергоэффективности всей системы с использованием данных для привода, как описано более подробно в части 2. Часть 1 предназначена для для использования техническими комитетами, работающими над энергоэффективностью конкретных конечных приложений. Это называется «расширенный подход к продукту» (EPA). Часть 1 содержит полезные учебные материалы для проектировщиков систем.

Часть 2 называется EN 50598-2, и в ней приводятся показатели энергоэффективности для приводов классов IE, которые, вероятно, станут основой для будущих правил. Регламент [2] будет применяться к приводу как к продукту, размещенному на рынке ЕС. Ранее мы видели, что энергетическое воздействие привода намного превышает его собственное энергопотребление (потери), потому что это может обеспечить значительную экономию энергии в других компонентах конечного приложения. Регламент не может предусмотреть широкий спектр различных конечных применений, поэтому он будет направлен на определение данных, которые производитель привода должен предоставить покупателю. Эти данные формируют «полуаналитическую модель», которая используется для EPA.

Группы, ответственные за создание регламента и стандарта, хорошо осведомлены о том, что энергетическая выгода от использования привода там, где это возможно, намного перевешивает потери, и они стремились сохранить стандарт простым и практичным. Это довольно объемный документ, но большая часть материала представляет собой подробное объяснение источников потерь и используемых математических моделей. Рекомендуется к прочтению, если вы хотите узнать больше по этому вопросу.

Таким образом, в соответствии со стандартом производитель дисков должен предоставить следующее:

• Класс энергоэффективности привода в диапазоне от IE0 до IE2, основанный на потерях в одной конкретной рабочей точке при номинальном токе, создающем крутящий момент, и 90 % номинальной выходной частоты. Частота переключения ШИМ зафиксирована на уровне 4 кГц для номинальной мощности до 90 кВт и на 2 кГц выше 90 кВт. «Эталонные потери», которые определяют базовый класс IE1, зависят от номинала инвертора, но для номиналов в диапазоне от 5 кВт до 75 кВт они составляют около 5% кажущейся выходной мощности. Потеря класса IE2 примерно вдвое меньше, чем у IE1.
• Данные, показывающие потери мощности в матрице из следующих 9 комбинаций тока, создающего крутящий момент, и выходной частоты:

Вполне вероятно, что постановление запретит продажу дисков класса IE0 в ЕС и, возможно, установит временные рамки для запрета дисков класса IE1. Стандарт содержит положение о возможных будущих классах за пределами IE2, но попытки пойти дальше не принесут пользы.

Цель требуемой матрицы данных — позволить пользователю прогнозировать потери энергии в своем приложении, принимая во внимание его конкретную характеристику крутящего момента/скорости и характер нагрузки, как мы обсуждали в предыдущем блоге, а также объясняли в EN 50598- 1.

Практические методы повышения энергоэффективности приводных систем

Понимание всего процесса

Для оптимизации энергоэффективности, безусловно, наиболее важным аспектом приложения с регулируемой скоростью является правильное проектирование функции управления, чтобы процесс был оптимизирован, а выход, каким бы он ни был, был доступен в соответствии с требованиями, но без превышения. Главный навык проектировщика приводной системы состоит в том, чтобы достаточно хорошо понимать весь процесс, чтобы убедиться, что скорость двигателя и/или крутящий момент установлены в соответствии с процессом. Из Таблицы 1 в предыдущем блоге видно, что в этом примере потери в двигателе и приводе составляют всего 20,7% выходной мощности по сравнению с 56% в трансмиссии и приводе. Потери двигателя в 10% типичны для современного двигателя класса IE3 мощностью около 7,5 кВт, и его трудно значительно улучшить. Потеря привода довольно тривиальна. Однако инженер-драйвер может найти возможность улучшить всю систему. Давайте рассмотрим новую конструкцию, в которой двигатель и исполнительный механизм согласованы таким образом, что не требуется трансмиссия с изменением скорости. Это может быть реализовано за счет использования возможности привода для изменения базовой скорости двигателя. В этом случае таблица 1 будет выглядеть так:

Теперь эффективность повышена с 56,5 % до 67,9 %, а потери снижены с 76,7 % до 47,3 % на выходе.

В этом случае мы использовали способность привода отходить от ограниченного количества базовых скоростей, определяемых частотой сети и числом полюсов в двигателе. Привод также имеет возможность программируемого управления, так что входные сигналы от различных датчиков процесса могут использоваться для оптимизации скорости в соответствии с реальными условиями работы системы. Наконец, привод также может оптимизировать режим работы двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

Оптимизация управления двигателем — плотность магнитного потока

Потери при полной нагрузке в 4-полюсном двигателе класса IE3 колеблются в пределах от 14,5 % для мощности 0,75 кВт до 3,8 % для мощности более 185 кВт. В широко используемом и энергоемком диапазоне от 5,5 кВт до 55 кВт она составляет около 6 %. Кажется, здесь не так много возможностей для дальнейшего улучшения. Большая часть потерь приходится на медные (проводниковые) потери, связанные с рабочим током, которые не могут быть улучшены с помощью какой-либо функции привода. Наилучшей возможностью улучшения при высокой нагрузке является использование двигателя с постоянными магнитами, чтобы коэффициент мощности двигателя (cos f) был близок к 1 и, следовательно, уменьшался ток.

Однако стоит еще раз взглянуть на фиксированные потери в двигателе из-за большого класса приложений, в которых рабочий крутящий момент часто значительно ниже его номинального значения. Это может быть в вентиляторе или насосе, где нормальная подача меньше максимально возможной, или в приложении с постоянным крутящим моментом, где крутящий момент обычно меньше максимально возможного. В этом случае плотность магнитного потока в двигателе при его рабочем напряжении выше, чем необходимо для достижения требуемого крутящего момента, и постоянные потери в магнитной стали можно было бы уменьшить за счет снижения напряжения питания и, следовательно, плотности потока.

Чтобы получить приблизительное представление о возможностях, возьмем, к примеру, вентилятор, который обычно работает на 50% номинальной скорости и 25% номинального крутящего момента. Таким образом, мощность составляет всего 12,5%. Постоянные магнитные потери двигателя составляют 2% от номинала, что кажется незначительным. Однако на самом деле это составляет 16% от нормального энергопотребления. Вероятно, можно было бы снизить напряжение на целых 50 % без значительного увеличения тока, что привело бы к снижению фиксированных потерь примерно до 4 % потребления. Снижение потерь невелико по сравнению с номинальной мощностью, но становится значительным по сравнению с фактической средней рабочей мощностью, которая определяет счет владельца за электроэнергию.

Традиционным методом управления магнитной индукцией двигателя в приложении с переменным крутящим моментом является квадратичный режим V/F, где отношение V/F определяет магнитную индукцию двигателя. При условии, что нагрузка действительно квадратична, т. е. крутящий момент пропорционален квадрату скорости, и нет переходных процессов крутящего момента нагрузки, это работает хорошо.

Для приложений с постоянным крутящим моментом очень эффективна функция Control Techniques Dynamic V/F. Это работает путем активной адаптации напряжения к току двигателя. Его преимущество заключается в том, что поток эффективно и автоматически ослабляется при уменьшении крутящего момента нагрузки без каких-либо предположений о характеристике крутящий момент/скорость нагрузки. Однако внезапное увеличение момента нагрузки по-прежнему приводит к быстрой реакции, поток увеличивается быстро, поэтому двигатель вряд ли заглохнет.

Оптимизация управления двигателем — частота переключений

Переключение ШИМ инверторного привода приводит к повышенным потерям в двигателе, которые в значительной степени не зависят от нагрузки, т.е. это дополнительные фиксированные потери. Чем выше частота коммутации, тем меньше дополнительные потери в двигателе, но тем больше потери на коммутацию в инверторе, зависящие от тока. При полной нагрузке исследования, проведенные в рамках разработки стандарта EN 50598-2, показали, что ниже 90 кВт наилучший общий КПД двигателя IE3 и привода вместе при номинальной нагрузке достигается при частоте коммутации около 4 кГц, при этом кривая довольно мелкий. Вот почему измерение потерь для эталона производится на этих частотах переключения.

На рис. 1 показан пример потерь в малом двигателе и его приводе при изменении частоты коммутации как при полной нагрузке (FL), так и при половинной нагрузке (HL).

Наилучшая частота коммутации в этом примере при полной нагрузке составляет около 5 кГц, а при половинной нагрузке — около 7 кГц, поскольку при частичной нагрузке потери привода на данной частоте меньше. Привод, который адаптирует свою частоту коммутации к току двигателя, может обеспечить повышенную эффективность при частичной нагрузке, что опять же может оказаться целесообразным в приложении, которое проводит большую часть своего времени при частичной нагрузке.

Методы управления Приводы Unidrive M имеют функцию автоматической адаптации частоты переключения. Привод работает там, где это возможно, с максимальной частотой переключения, заданной пользователем, но снижает ее, если потери в приводе становятся слишком высокими. Это означает, что коммутационные потери в двигателе сведены к минимуму, если только это не приводит к чрезмерным потерям привода.