Максимизация энергоэффективности с переменными частотными приводами — экспертное руководство (Часть 1)

В этой статье Колин Харгис, главный инженер Control Techniques, рассматривает вопрос энергоэффективности с переменными частотными приводами.

Некоторые читатели могут знать, что новое ЕС регулирование в процессе разработки, предназначенное для контроля эффективности приводов и систем приводов. Регулирование пока находится на консультациях, поэтому официально еще не имеет номера, но его можно идентифицировать через мандат ЕК M/476, и оно называется «Lot 30» в процессе консультаций по директиве о продуктах, связанных с энергией (ErP). Консультации кажутся застопорившимися на данный момент, но технические стандарты, лежащие в основе регулирования, уже существуют как EN 50598-1 и EN 50598-2. Намерение в том, что приводам придется назначать классы эффективности так же, как промышленным двигателям, и на каком-то этапе возможно, что низший класс будет запрещен на рынке ЕС. Производителям также придется предоставлять дополнительные данные о частичных потерях, чтобы помочь пользователям оценить общую энергоэффективность их применения.

До вступления в силу самого регулирования некоторые пользователи приводов могут заинтересоваться узнать больше о предлагаемом регулировании и классах эффективности, чтобы оценить, релевантны ли они для энергоэффективности их собственного конечного изделия или системы. В этом блоге мы посмотрим на некоторые основы эффективности систем приводов. В следующем мы посмотрим детальнее на некоторые вопросы, возникающие из новых стандартов и предлагаемого регулирования.

Одна из главных причин использования переменного частотного привода — регулировать скорость двигателя под спрос конечного процесса, которым он управляет, чтобы оптимизировать использование энергии. Это особенно ценно при перемещении жидкостей (газов и жидкостей), потому что вязкое трение означает, что мощность, необходимая для перемещения жидкости по контуру, меняется по кубическому закону расхода, так что небольшое снижение расхода дает большое снижение потребляемой мощности. Методы управления, такие как заслонки, клапаны и даже переменные управляющие лопатки, также приводят к ненужным потерям мощности. Эта идея настолько хорошо известна, что нет необходимости писать о ней больше, есть много полезных руководств [например, ссылки 1 и 2]. Однако с учетом предстоящего регулирования полезно пересмотреть несколько принципов, в основном чтобы держать эффект регулирования и стандартов в перспективе.

Потери энергии в системе привода

Диаграмма, не в масштабе, иллюстрирует широко, как мощность потребляется в применении привода. Яснее работать в терминах потерь, а не эффективностей. На каждом этапе есть потеря мощности в соответствующем устройстве, которая обычно выражается как доля его номинальной пропускной способности.

[Схема потерь в системе привода]

Потерянная мощность выделяется как тепло, обычно в окружающий воздух. Иногда тепло можно использовать с пользой, но обычно его считают потерянным, и оно может даже нести дополнительные затраты, если требуется дополнительная вентиляция или охлаждение площади. Фактические потери сильно варьируются по разным применениям, но типичный разбор для воздухомовного применения, работающего на максимальном выходе, дан в Таблице 1. Обратите внимание, что на каждом этапе понесенные потери в устройстве являются функцией как полезного системного выхода, так и накопленных потерян всех остальных нижних по течению устройств.

Таблица 1: Типичный разбор потерь в воздухомовном применении на макс. выходе

В этом примере общая эффективность около 56,6%. Наибольшая потеря — в актуаторе, и цифра потерь 30% типична для вентилятора для перемещения воздуха. Воздух — сложная жидкость для эффективного перемещения, современный насос может иметь потери ближе к 10%. Все показанные потери могут быть снижены улучшенной технологией, и внимание к энергоэффективности означает, что они все тенденциозно снижаются со временем по мере того, как улучшенные дизайны становятся стоимоэффективными или требуются регулированиями.

Обратите внимание, что потеря привода — наименьшая в списке, и это реалистично в абсолютном большинстве применений. Потеря 3% довольно тривиальна по сравнению с остальными. Современные приводы имеют очень низкие потери, главный драйвер для этого — желание физически компактных блоков, что означает, что охлаждающие устройства (радиаторы и вентиляторы) должны быть минимизированы по размеру, поэтому потери тоже должны быть минимизированы. Пропускная мощность привода включает все остальные потери, поэтому заявляемые 3% потерь привода, основанные на данных привода, становятся 5,1% при выражении как доля системного выхода. Интеллектуальное использование привода часто может позволить полезные снижения потерь других устройств, приводящие к экономии, далеко превышающим потери в приводе. Однако мы должны учитывать фактические операционные условия, а не только условие максимальной нагрузки.

Управление и потери

Типичные значения потерь, обсуждаемые выше, — «заголовок» значения, данные на номинальной нагрузке или пропускной способности каждого устройства. Они поэтому релевантны, когда система работает на своем максимальном проектном выходе. Многие системы проводят большие части своей жизни работая ниже номинальной нагрузки, потому что спрос варьируется, но система должна быть спроектирована для максимума. Также производительность обычно судится по максимальной пропускной способности, поэтому поставщик тенденциозно завышает компоненты, чтобы избежать риска отвержения системы клиентом, если она не выдает номинальный выход при приемо-сдаточных испытаниях. Поэтому нужна система управления с методом регулирования выхода. Применяемая техника управления может сильно влиять на частичную эффективность. Например, хорошо известно, что воздухозаслонки и регулирующие клапаны вызывают довольно высокие частичные потери, потому что они вызывают рост давления на вентиляторе или насосе, что означает, что он должен развивать больше мощности, чем нужно в точке подачи. Переменный частотный привод избегает этих дополнительных потерь.

Эффективности всех компонентов меняются с нагрузкой. Детали сильно варьируют, но обычно потери имеют следующие элементы:

• Постоянные потери, независимые от выхода. Это тенденциозно снижает частичную эффективность.
• Пропорциональные потери, не влияющие на частичную эффективность.
• Возрастающие потери (например, квадратичные) тенденциозно снижающие полную нагрузочную эффективность.

Результат — обычно есть оптимальный уровень выхода по эффективности, например, в стандартном асинхронном двигателе это около 80% рейтинга. На более высоком выходе эффективность немного падает. На более низком выходе эффективность тоже падает, но фактические потери мощности тоже падают.

Потери в системе переменного частотного электрического привода

Резюмировав общую ситуацию, мы можем теперь посмотреть детальнее на электрическую систему привода, т.е. двигатель и привод. Выход системы — механическая мощность на валу двигателя, состоящая из произведения момента и скорости. И двигатель, и привод имеют элементы потерь, варьирующиеся с моментом и скоростью. Таблица 2 резюмирует эти. Для простоты предполагаем, что ток пропорционален моменту. Это упрощение, потому что игнорирует намагничивающий ток двигателя.

Таблица 2: Элементы потерь в двигателе и приводе

Обратите внимание, что мы должны учитывать эффект скорости и момента как отдельно, так и в комбинации. Резистивные потери в двигателе почти полностью связаны с моментом, независимо от скорости, и это также верно для инверторной стадии привода. С другой стороны, потери во входной стадии выпрямителя привода чисто функция пропускной мощности, т.е. произведения момента и скорости.

Эта довольно сложная картина может быть упрощена при рассмотрении конкретного типа нагрузки, где момент и скорость связаны. Например, простой насос или вентилятор, питающий процесс с малым статическим напором, так что давление преимущественно квадратичная функция расхода, дает момент, который является квадратичной функцией скорости. И наоборот, процесс вроде конвейерной системы имеет момент, во многом независимый от скорости, но зависящий от спроса на конвейер. Эти два типа нагрузки широко называются «переменный момент» и «постоянный момент» применения приводов соответственно.

Помимо потерь, присущих приводу и двигателю по отдельности, есть потери, которые являются функцией комбинации обоих. Ключевые факторы взаимозависимости:

• Рабочая плотность магнитного потока, контролируемая приводом и налагаемая на двигатель, влияющая на намагничивающие потери. (Также влияя на резистивные потери для данного момента, существует оптимальная плотность потока для любого заданного момента и скорости.)
• ШИМ-коммутация, контролируемая приводом и приводящая к дополнительным потерям в двигателе
• Коэффициент мощности двигателя, реактивный ток, налагаемый двигателем, приводящий к дополнительным токовым потерям в приводе

Простой стандарт для эффективности привода бы имел дело только с потерями в самом приводе, используя стандартизированную нагрузку двигателя. Полезный стандарт должен адресовать взаимозависимость и управлять компромиссами; например, что выбранная частота ШИМ-коммутации должна балансировать желание минимизировать потери в приводе, требующее более низкую частоту, и в двигателе, требующее более высокую частоту. Он также должен позволять проектировщику полной системы или машины рассчитать потери в полной машине по ее практичному диапазону операционных условий.

В следующем блоге мы посмотрим ближе на стандарты, особенно EN 50598-2, которые специфицируют классы энергоэффективности для приводов, и рассмотрим, как они управляют этими требованиями. Мы также посмотрим на функции, доступные в приводе, которые могут оптимизировать эффективность, и в частности оптимизировать частичные потери, которые могут быть важнее, чем они кажутся на первый взгляд.

Ссылки

[1] https://www.carbontrust.com/media/13063/ctg070_variable_speed_drives.pdf

[2] https://www.gambica.org.uk/resourceLibrary/CEMEP_guide_to_energy_efficiency_with_electric_drive_systems.html