Энергоэффективность приводов с регулируемой скоростью (часть 1)

В этой статье Колин Харгис, главный инженер Control Techniques, рассматривает вопрос энергоэффективности приводов с регулируемой скоростью.

Некоторым читателям может быть известно, что готовится новый регламент ЕС, который предназначен для контроля эффективности приводов и приводных систем. Регламент все еще находится на рассмотрении, поэтому у него еще нет официального номера, но его можно идентифицировать по мандату ЕС M/476, и он упоминается как «Лот 30» в процессе консультаций по директиве о продуктах, связанных с энергетикой (ErP). . В настоящее время консультации зашли в тупик, но технические стандарты, лежащие в основе регламента, уже существуют в виде EN 50598-1 и EN 50598-2. Намерение состоит в том, что приводы должны быть распределены по классам эффективности, как и промышленные двигатели, и на каком-то этапе возможно, что самый низкий класс будет запрещен на рынке ЕС. Производители также должны будут предоставить дополнительные данные о потерях при частичной нагрузке, чтобы помочь пользователям оценить общую энергоэффективность их приложений.

До того, как сам регламент вступит в силу, некоторым пользователям привода может быть интересно узнать больше о предлагаемом регламенте и классах эффективности, чтобы оценить, имеют ли они отношение к энергоэффективности  их собственного конечного продукта или системы. В этом блоге мы рассмотрим некоторые основы эффективности приводной системы. В следующем мы более подробно рассмотрим некоторые вопросы, возникающие в связи с новыми стандартами и предлагаемым регулированием.

Одной из основных причин использования преобразователя частоты является регулирование скорости двигателя в соответствии с потребностями конечного процесса, которым он управляет, с целью оптимизации энергопотребления. Это особенно ценно при перемещении жидкостей (газов и жидкостей), поскольку вязкое трение означает, что мощность, необходимая для перемещения жидкости по контуру, изменяется по кубическому закону скорости потока, так что небольшое уменьшение скорости потока приводит к значительному уменьшению используемая мощность. Такие методы управления, как демпферы, клапаны и даже регулируемые направляющие лопатки, также приводят к ненужным потерям мощности. Эта идея настолько хорошо известна, что нет необходимости писать о ней больше, доступно множество полезных руководств [например, ссылки 1 и 2]. Однако, имея в виду предстоящее регулирование, полезно рассмотреть несколько принципов, в основном для того, чтобы иметь представление о влиянии регулирования и стандартов.

Потери энергии в системе привода

На диаграмме без масштаба в общих чертах показано, как потребляется мощность в приводном приложении. Лучше всего работать с точки зрения потерь, а не эффективности. На каждом этапе в соответствующем устройстве происходит потеря мощности, которая обычно выражается в процентах от его номинальной пропускной способности.

Потерянная мощность проявляется в виде тепла, обычно окружающего воздуха. Иногда тепло может быть использовано с пользой, но обычно его следует рассматривать как потраченное впустую, и оно может даже повлечь за собой дополнительные расходы, если требуется дополнительная вентиляция или охлаждение помещения. Фактические потери сильно различаются в различных приложениях, но типичная разбивка для пневматического оборудования, работающего с максимальной производительностью, приведена в таблице 1. Обратите внимание, что на каждом этапе потери, возникающие в устройстве, являются функцией как полезной производительности системы, а также накопленные потери всех остальных нижестоящих устройств.

В этом примере общий КПД составляет около 56,6 %. Самые большие потери в актуаторе, а показатель потерь в 30% характерен для вентилятора для перемещения воздуха. Воздух — это жидкость, которую трудно эффективно перемещать, потери в современном насосе могут составлять около 10%. Все показанные потери можно уменьшить с помощью усовершенствованных технологий, а внимание, уделяемое энергоэффективности, означает, что все они имеют тенденцию к сокращению с течением времени по мере того, как усовершенствованные конструкции становятся рентабельными или требуются в соответствии с нормами.

Обратите внимание, что потери привода являются наименьшими в списке, и это реально для подавляющего большинства приложений. Потеря 3% довольно тривиальна по сравнению с остальными. Современные приводы имеют очень низкие потери, основной причиной этого является стремление к физически компактным устройствам, а это означает, что охлаждающие устройства (радиаторы и вентиляторы) должны быть минимизированы по размеру, поэтому потери также должны быть минимизированы. Пропускная способность привода включает в себя все остальные потери, поэтому общие потери привода в размере 3 %, основанные на данных привода, становятся 5,1 % при выражении в виде доли от выходной мощности системы. Разумное использование привода часто позволяет снизить потери в других устройствах, что значительно превышает потери в приводе. Однако мы должны учитывать фактические условия эксплуатации, а не только условия максимальной нагрузки.

Контроль и убытки

Типичные значения потерь, рассмотренные выше, являются «заглавными» значениями, которые даны при номинальной нагрузке или пропускной способности каждого устройства. Поэтому они актуальны, когда система работает с максимальной проектной мощностью. Многие системы проводят большую часть своей жизни, работая при нагрузке ниже номинальной, потому что спрос меняется, но система должна быть рассчитана на максимум. Кроме того, о производительности обычно судят по максимальной пропускной способности, поэтому поставщик склонен завышать размеры компонентов, чтобы избежать риска того, что заказчик откажется от системы, если она не сможет обеспечить номинальную производительность во время приемочных испытаний. Поэтому необходима система управления с методом регулировки выхода. Применяемый метод управления может сильно повлиять на КПД при частичной нагрузке. Например, хорошо известно, что воздушные заслонки и регулирующие клапаны вызывают довольно высокие потери при частичной нагрузке, потому что они приводят к повышению давления в вентиляторе или насосе, что означает, что он должен развивать большую мощность, чем требуется в точке подачи. . Привод с регулируемой скоростью позволяет избежать этих дополнительных потерь.

Эффективность всех компонентов изменяется с нагрузкой. Детали сильно различаются, но в целом потери состоят из следующих элементов:

• Фиксированный убыток, не зависящий от выпуска. Это снижает эффективность частичной загрузки.
• Пропорциональные потери, которые не влияют на эффективность частичной нагрузки.
• Нарастающие потери (например, квадратичные), которые имеют тенденцию снижать эффективность при полной нагрузке.

В результате обычно существует оптимальный уровень выходного КПД, например, в стандартном асинхронном двигателе он составляет около 80% номинальной мощности. При более высокой мощности КПД несколько падает. При меньшей мощности КПД тоже падает, но и реальные потери мощности тоже падают.

Потери в системе электропривода с регулируемой скоростью

Обобщив общую ситуацию, мы можем теперь более подробно рассмотреть систему электропривода, т.е. двигатель и привод. Выход системы представляет собой механическую мощность на валу двигателя, состоящую из произведения крутящего момента и скорости. И двигатель, и привод имеют элементы потерь, которые зависят от крутящего момента и скорости. Таблица 2 суммирует их. Для простоты предположим, что ток пропорционален крутящему моменту. Это упрощение, поскольку не учитывается ток намагничивания двигателя.

Обратите внимание, что мы должны рассматривать влияние скорости и крутящего момента как по отдельности, так и вместе. Резистивные потери в двигателе почти полностью связаны с крутящим моментом, независимо от скорости, и это также верно для инверторной ступени привода. С другой стороны, потери в выпрямителе входного каскада привода являются исключительно функцией выходной мощности, то есть произведением крутящего момента и скорости.

Эту довольно сложную картину можно упростить, если рассматривать конкретный тип нагрузки, где крутящий момент и скорость связаны. Например, простой насос или вентилятор, который работает в процессе с небольшим статическим напором, так что давление является преимущественно квадратичной функцией расхода, создает крутящий момент, который является квадратичной функцией скорости. И наоборот, такой процесс, как конвейерная система, имеет крутящий момент, который в значительной степени не зависит от скорости, но зависит от нагрузки на конвейер. Эти два типа нагрузки широко называются приложениями привода с «переменным крутящим моментом» и «фиксированным крутящим моментом» соответственно.

Наряду с потерями, присущими приводу и двигателю, взятым по отдельности, существуют потери, являющиеся функцией их комбинации. Ключевыми факторами взаимозависимости являются:

• Рабочая плотность магнитного потока, управляемая приводом и воздействующая на двигатель, влияющая на потери намагничивания. (Также влияя на резистивные потери для заданного крутящего момента, существует оптимальная плотность потока для любых заданных крутящего момента и скорости.)
• ШИМ-переключение, управляемое приводом и приводящее к дополнительным потерям в двигателе.
• Коэффициент мощности двигателя, реактивный ток двигателя, приводящий к дополнительным потерям тока в приводе

Простой стандарт эффективности привода будет учитывать только потери в приводе с использованием стандартизированной нагрузки двигателя. Полезный стандарт должен учитывать взаимозависимость и управлять компромиссами; например, выбранная частота ШИМ должна уравновешивать желание минимизировать потери в приводе, требующем более низкой частоты, и двигателе, требующем более высокой частоты. Он также должен позволять разработчику полной системы или машины рассчитать потери во всей машине в практическом диапазоне рабочих условий.

В следующем блоге мы более подробно рассмотрим стандарты, в частности EN 50598-2, которые определяют классы энергоэффективности для приводов, и рассмотрим, как они соблюдают эти требования. Мы также рассмотрим функции, доступные в приводе, которые могут оптимизировать эффективность и, в частности, оптимизировать потери при частичной нагрузке, которые могут быть важнее, чем кажутся на первый взгляд.

Ссылки

[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