Переменные частотные приводы: повышение энергоэффективности — Часть 2

Во второй части этой серии блогов главный инженер Control Techniques глубже рассматривает достижение большей энергоэффективности с использованием переменных частотных приводов.

Предыдущий блог дал обзор эффективности приводов и их применений, и как они зависят от паттерна комбинаций скорости и момента в данном приложении. Теперь мы посмотрим, как предлагаемое ЕС регулирование и связанные стандарты пытаются улучшить энергоэффективность конечных применений, устанавливая стандарты производительности и предоставления данных. Это включает предлагаемые новые классы IE для приводов.

Стандарты и предлагаемое ЕС регулирование для эффективности приводов

Существует набор европейских (CENELEC) стандартов, созданных как отправная точка для возможного будущего регулирования — EN 50598 части 1–3 [1]. Вероятно, они в devido времени будут использованы как основа для международных стандартов (IEC), как это доступно для двигателей. ЕС регулирование, вероятно, будет использовать определения классов IE из EN 50598-2.

Из этого семейства стандартов часть 3 касается экологичного дизайна в целом, с упором на материалы, используемые в изделии, и экологическое влияние их утилизации. Это выходит за рамки этого блога. Часть 1 касается проектирования полных систем, включающих двигатели и приводы. Она направлена на решение проблемы продуктовых стандартов, которые неизбежно применяются к энергоэффективности конкретных изделий по отдельности, когда реальная цель — обеспечить лучшее использование энергии в конечном применении, а не в отдельных частях. Она объясняет вопросы, рассмотренные в предыдущем блоге, но более подробно, и задает методологию оценки энергоэффективности полной системы с использованием данных привода, определенных детально в части 2. Часть 1 предназначена для технических комитетов, работающих над энергоэффективностью конкретных конечных применений. Это называется «Расширенный продуктовый подход» (EPA). Часть 1 содержит полезный учебный материал для системных проектировщиков.

Часть 2 называется EN 50598-2 и дает индикаторы энергоэффективности для приводов, классы IE, которые, вероятно, станут основой будущего регулирования. Регулирование [2] будет применяться к приводу как изделию, выводимому на рынок ЕС. Мы видели ранее, что энергетический эффект использования привода там, где уместно, далеко превышает его собственное энергопотребление (потери), потому что он может позволить крупную экономию энергии в других компонентах конечного применения. Регулирование не может предвидеть широкий диапазон разных конечных применений, поэтому оно будет нацелено на определение данных, которые производитель привода должен предоставлять покупателю. Эти данные формируют «Полуаналитическую модель», используемую для EPA.

Группы, отвечающие за создание регулирования и стандарта, хорошо осведомлены, что энергетическая выгода от использования привода там, где уместно, далеко перевешивает потери, и они стремились держать стандарт простым и практичным. Это довольно длинный документ, но большая часть материала — детальное объяснение источников потерь и математических моделей. Рекомендуется к прочтению, если вы заинтересованы в более глубоком изучении темы.

Кратко, согласно стандарту производитель привода должен предоставлять:

• Класс энергоэффективности для привода в диапазоне IE0–IE2, основанный на потерях в одной конкретной рабочей точке с номинальным током, создающим момент, и 90% номинальной выходной частоты. Частота ШИМ фиксирована на 4 кГц для рейтингов мощности до 90 кВт и 2 кГц выше 90 кВт. «Эталонные потери», определяющие базовый класс IE1, зависят от рейтинга инвертора, но для рейтингов в диапазоне 5–75 кВт составляют около 5% от видимой выходной мощности. Потери класса IE2 примерно в два раза меньше, чем для IE1.
• Данные потерь мощности по матрице следующих 9 комбинаций тока, создающего момент, и выходной частоты:

[Матрица 9 точек]

Вероятно, регулирование запретит продажу приводов класса IE0 в ЕС, и, возможно, установит сроки запрета класса IE1. Стандарт содержит предусмотрение возможных будущих классов выше IE2, но пользы в попытке пойти дальше немного.

Цель требуемой матрицы данных — позволить пользователю предсказать потери энергии своего приложения с учетом его специфической характеристики момент/скорость и паттерна нагрузки, как обсуждалось в предыдущем блоге и в EN 50598-1.

Практические методы улучшения энергоэффективности систем приводов

Понимание полного процесса

Для оптимизации энергоэффективности, безусловно, самый важный аспект управляемого по скорости приложения — правильно спроектировать функцию управления так, чтобы процесс был оптимизирован и выход, какой бы он ни был, доступен по требованию, но без излишков. Главный навык проектировщика системы привода — достаточно хорошо понимать общий процесс, чтобы обеспечить, чтобы скорость двигателя и/или момент устанавливались уместно для процесса. Из Таблицы 1 в предыдущем блоге видно, что в этом примере потери в двигателе и приводе составляют только 20,7% от выхода, по сравнению с 56% в передаче и актуаторе. 10% потерь двигателя типичны для современного двигателя класса IE3 около 7,5 кВт, и трудно значительно улучшить это. Потери привода довольно тривиальны. Однако инженер привода может найти возможность улучшить всю систему. Рассмотрим новый дизайн, где двигатель и актуатор согласованы так, что передача, меняющая скорость, не требуется. Это может стать возможным за счет возможности привода менять базовую скорость двигателя. В этом случае Таблица 1 станет:

[Таблица сравнения]

Эффективность теперь улучшена с 56,5% до 67,9%, а потери снижены с 76,7% до 47,3% от выхода.

Здесь мы использовали способность привода уйти от ограниченного числа базовых скоростей, определяемых частотой сети и числом полюсов двигателя. Привод также имеет программируемую способность управления, так что входы от различных датчиков процесса могут помочь оптимизировать скорость для реальных операционных условий системы. Наконец, привод может также действовать для оптимизации рабочего условия двигателя в зависимости от фактической нагрузки.

Оптимизация управления двигателем — плотность магнитного потока

Полная нагрузочная потеря в 4-полюсном двигателе класса IE3 варьируется в диапазоне 14,5% для рейтинга 0,75 кВт до 3,8% для рейтинга свыше 185 кВт. В широко используемом и энергозатратном диапазоне ~5,5–55 кВт она около 6%. Кажется, нет большой возможности для дальнейшего улучшения. Большинство потерь — медные (проводниковые) потери, связанные с рабочим током, которые не могут быть улучшены никакой функцией привода. Лучшая возможность улучшения на высокой нагрузке — использовать двигатель с постоянными магнитами, чтобы коэффициент мощности двигателя (cos φ) был близок к 1, и ток поэтому снижен.

Однако стоит снова посмотреть на постоянные потери в двигателе из-за большого класса применений, где рабочий момент часто значительно ниже номинального. Это может быть в применении вентилятора или насоса, где нормальная подача меньше максимально возможной, или в приложении постоянного момента, где момент обычно меньше максимально возможного. В этом случае плотность магнитного потока в двигателе на его рабочем напряжении выше, чем необходимо для достижения требуемого момента, и постоянные потери в магнитной стали могут быть снижены путем снижения напряжения питания и, следовательно, плотности потока.

Чтобы получить грубое представление о возможностях, возьмем пример применения вентилятора, обычно работающего на 50% номинальной скорости и 25% номинального момента. Мощность поэтому всего 12,5%. Постоянные магнитные потери двигателя составляют 2% от рейтинга, что кажется тривиальным. Однако это на самом деле 16% от нормального потребления мощности. Вероятно, можно снизить напряжение на 50% без значительного увеличения тока, приводя к снижению постоянных потерь до ~4% от потребления. Снижение потерь мало по сравнению с номинальной мощностью, но становится значительным по сравнению с фактической средней рабочей мощностью, которая определяет счет за электроэнергию владельца.

Традиционный метод управления плотностью магнитного потока двигателя в приложении переменного момента — квадратичный режим V/f, где отношение V/f определяет плотность магнитного потока. При условии, что нагрузка действительно квадратична, т.е. момент пропорционален квадрату скорости, и нет переходных процессов нагрузочного момента, это работает хорошо.

Для приложений постоянного момента функция Dynamic V/f Control Techniques очень эффективна. Она работает за счет активной адаптации напряжения к току двигателя. Преимущество в том, что поток ослабляется эффективно и автоматически при снижении нагрузочного момента, без предположений о характеристике момент/скорость нагрузки. Однако внезапное увеличение нагрузочного момента все еще приводит к быстрой реакции — поток быстро увеличивается, так что маловероятно заторможивание двигателя.

Оптимизация управления двигателем — частота коммутации

ШИМ-коммутация инверторного привода приводит к увеличению потерь в двигателе, которое во многом независимо от нагрузки, т.е. это дополнительные постоянные потери. Чем выше частота коммутации, тем ниже дополнительные потери в двигателе, но тем выше токозависимые коммутационные потери в инверторе. На полной нагрузке исследования, проведенные при разработке EN 50598-2, показали, что ниже 90 кВт лучшая общая эффективность двигателя IE3 и привода вместе на номинальной нагрузке дается когда частота коммутации около 4 кГц, кривая довольно пологая. Именно поэтому измерение потерь для стандарта проводится на этих частотах.

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

Рисунок 1: Пример потерь в двигателе и приводе в зависимости от частоты коммутации

Лучшая частота коммутации в этом примере на полной нагрузке около 5 кГц, а на половинной — около 7 кГц, потому что потери привода на данной частоте ниже при частичной нагрузке. Привод, адаптирующий свою частоту коммутации к току двигателя, может дать улучшенную частичную энергоэффективность, что снова может быть полезно в приложении, которое проводит много времени на частичной нагрузке.

Приводы Control Techniques Unidrive M имеют функцию автоматической адаптации частоты коммутации. Привод работает там, где возможно, на наивысшей частоте коммутации, заданной пользователем, но снижает её, если потери привода становятся слишком высокими. Это означает, что коммутационные потери в двигателе минимизируются, если только это не приводит к чрезмерным потерям в приводе.