Efisiensi Energi Dengan Penggerak Kecepatan Variabel (Bagian 2)

Di bagian kedua dari seri blog ini, chief engineer Teknik Kontrol melihat lebih dalam untuk mencapai efisiensi energi yang lebih besar menggunakan penggerak kecepatan variabel.

Blog sebelumnya memberikan ikhtisar tentang efisiensi drive dan aplikasinya, serta bagaimana pengaruhnya terhadap pola kombinasi kecepatan dan torsi dalam aplikasi tertentu. Kami sekarang melihat bagaimana peraturan UE yang diusulkan dan standar terkait berupaya meningkatkan efisiensi energi aplikasi akhir dengan menetapkan standar kinerja dan penyediaan data. Ini termasuk kelas IE baru yang diusulkan untuk drive.

Standar dan peraturan UE yang diusulkan untuk efisiensi drive

Ada seperangkat standar Eropa (CENELEC) yang dibuat sebagai titik awal untuk kemungkinan regulasi di masa mendatang, yaitu EN 50598 bagian 1 hingga 3 [1]. Kemungkinan ini pada waktunya akan digunakan sebagai dasar standar internasional (IEC), seperti yang tersedia untuk motor. Peraturan UE kemungkinan akan menggunakan definisi kelas IE dari EN 50598-2.

Dari kelompok standar ini, bagian 3 membahas desain yang sadar lingkungan secara umum, dengan penekanan pada bahan yang digunakan dalam produk dan dampak lingkungan dari  pembuangannya pada akhirnya. Itu di luar cakupan blog ini. Bagian 1 membahas desain sistem lengkap yang menggabungkan motor dan penggerak. Hal ini bertujuan untuk mengatasi tantangan standar produk yang pasti berlaku untuk efisiensi energi produk tertentu yang diambil sendiri, ketika tujuan sebenarnya adalah untuk mencoba memastikan penggunaan energi terbaik dalam aplikasi akhir, bukan bagian individu yang diambil secara terpisah. Ini menjelaskan masalah yang kami bahas di blog sebelumnya, tetapi secara lebih rinci, dan menetapkan metodologi untuk menilai efisiensi energi dari sistem lengkap menggunakan data untuk drive seperti yang didefinisikan secara lebih rinci di bagian 2. Bagian 1 dimaksudkan untuk digunakan oleh komite teknis yang bekerja pada efisiensi energi aplikasi akhir tertentu. Ini disebut sebagai "Pendekatan Produk yang Diperluas" (EPA). Bagian 1 berisi materi tutorial yang berguna untuk perancang sistem.

Bagian 2 disebut sebagai EN 50598-2 dan memberikan indikator efisiensi energi untuk penggerak, kelas IE, yang kemungkinan akan menjadi dasar peraturan di masa mendatang. Peraturan [2] akan berlaku untuk drive sebagai produk yang ditempatkan di pasar di UE. Kita telah melihat sebelumnya bahwa dampak energi dari hard disk jauh melebihi konsumsi (kerugian) energinya sendiri karena dapat memungkinkan penghematan energi yang besar pada komponen lain dari aplikasi akhir. Peraturan tersebut tidak dapat mengantisipasi berbagai macam aplikasi akhir yang berbeda, sehingga akan bertujuan untuk menentukan data yang harus diberikan oleh produsen drive kepada pembeli. Data ini membentuk “Model Semi Analitik” yang digunakan untuk EPA.

Kelompok-kelompok yang bertanggung jawab untuk membuat peraturan dan standar sangat menyadari bahwa manfaat energi dari penggunaan penggerak jika sesuai jauh lebih besar daripada kerugiannya, dan mereka bertujuan untuk menjaga standar tetap sederhana dan praktis. Ini adalah dokumen yang cukup panjang, tetapi sebagian besar materi adalah penjelasan rinci tentang sumber kerugian dan model matematika yang akan digunakan. Ini adalah bacaan yang direkomendasikan jika Anda tertarik untuk mempelajari lebih lanjut tentang subjek ini.

Singkatnya, menurut standar pabrikan drive harus menyediakan hal berikut:

• Kelas efisiensi energi untuk penggerak, dalam rentang IE0 hingga IE2, yang didasarkan pada rugi-rugi pada satu titik operasi tertentu dengan arus penghasil torsi terukur dan 90% frekuensi keluaran terukur. Frekuensi switching PWM ditetapkan pada 4 kHz untuk peringkat daya hingga 90 kW dan 2 kHz di atas 90 kW. “Kerugian referensi” yang menentukan kelas dasar IE1 tergantung pada peringkat inverter, tetapi untuk peringkat dalam kisaran 5 kW hingga 75 kW, sekitar 5% dari daya keluaran nyata. Kehilangan kelas IE2 adalah sekitar setengahnya untuk IE1.
• Data yang menunjukkan kehilangan daya melalui matriks dari 9 kombinasi arus penghasil torsi dan frekuensi output berikut:

Kemungkinan peraturan tersebut akan melarang penjualan drive kelas IE0 di UE, dan mungkin menetapkan skala waktu untuk larangan drive kelas IE1. Standar memang berisi ketentuan untuk kemungkinan kelas masa depan di luar IE2, tetapi ada sedikit manfaat dalam mencoba melangkah lebih jauh.

Tujuan dari matriks data yang diperlukan adalah untuk memungkinkan pengguna memprediksi kehilangan energi aplikasi mereka, dengan mempertimbangkan karakteristik torsi/kecepatan spesifik dan pola pemuatan, seperti yang telah kita bahas di blog sebelumnya dan juga dijelaskan di EN 50598- 1.

Metode praktis untuk meningkatkan efisiensi energi sistem penggerak

Memahami proses lengkapnya

Untuk mengoptimalkan efisiensi energi, sejauh ini aspek terpenting dari aplikasi kecepatan terkontrol adalah merancang fungsi kontrol dengan benar sehingga proses dioptimalkan dan output, apa pun itu, tersedia sesuai kebutuhan tetapi tanpa kelebihan. Keterampilan utama perancang sistem penggerak adalah memahami keseluruhan proses dengan cukup baik untuk memastikan bahwa kecepatan motor dan/atau torsi diatur dengan tepat untuk proses tersebut. Anda dapat melihat dari Tabel 1 di blog sebelumnya bahwa dalam contoh ini kerugian pada motor dan penggerak hanya 20,7% dari output, dibandingkan dengan 56% pada transmisi dan aktuator. Kehilangan motor 10% adalah tipikal dari motor kelas IE3 modern dengan nilai sekitar 7,5 kW, dan sulit untuk meningkatkan banyak hal ini. Kerugian drive agak sepele. Namun, seorang insinyur penggerak mungkin dapat menemukan peluang untuk meningkatkan keseluruhan sistem. Mari kita lihat desain baru di mana motor dan aktuator dipasangkan sehingga tidak diperlukan transmisi pengubah kecepatan. Ini mungkin dimungkinkan dengan menggunakan kemampuan penggerak untuk mengubah kecepatan dasar motor. Dalam hal ini Tabel 1 akan menjadi:

Efisiensi sekarang ditingkatkan dari 56,5% menjadi 67,9% dan kerugian berkurang dari 76,7% menjadi 47,3% output.

Dalam hal ini kami menggunakan kemampuan penggerak untuk menjauh dari sejumlah kecepatan dasar yang ditentukan oleh frekuensi suplai listrik dan jumlah kutub di motor. Drive juga memiliki kemampuan kontrol yang dapat diprogram sehingga input dari berbagai sensor proses dapat digunakan untuk membantu mengoptimalkan kecepatan untuk kondisi pengoperasian sistem yang sebenarnya. Terakhir, drive juga dapat berfungsi untuk mengoptimalkan kondisi pengoperasian motor, tergantung pada beban sebenarnya.

Mengoptimalkan kontrol motor – kerapatan fluks magnet

Rugi beban penuh pada motor 4 kutub kelas IE3 bervariasi dalam kisaran 14,5% untuk peringkat 0,75 kW hingga 3,8% untuk peringkat di atas 185 kW. Dalam rentang yang banyak digunakan dan intensif energi sekitar 5,5 kW hingga 55kW, sekitar 6%. Tampaknya tidak ada banyak ruang untuk perbaikan lebih lanjut di sini. Sebagian besar kerugian adalah kerugian tembaga (konduktor) yang berkaitan dengan arus kerja, yang tidak dapat diperbaiki dengan fungsi penggerak apa pun. Cakupan terbaik untuk perbaikan pada beban tinggi adalah dengan menggunakan motor magnet permanen sehingga faktor daya motor (cos f) dapat mendekati 1 dan oleh karena itu arus berkurang.

Namun perlu diperhatikan kembali kerugian tetap pada motor, karena aplikasi kelas besar di mana torsi operasi sering jauh di bawah nilai nominalnya. Ini mungkin dalam aplikasi kipas atau pompa di mana pengiriman normal kurang dari kemungkinan maksimum, atau dalam aplikasi torsi konstan di mana torsi biasanya kurang dari kemungkinan maksimum. Dalam hal ini, kerapatan fluks magnet di motor pada tegangan kerjanya lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk mencapai torsi yang diperlukan, dan rugi tetap pada baja magnetik dapat dikurangi dengan mengurangi tegangan suplai dan oleh karena itu kerapatan fluks.

Untuk mendapatkan gambaran kasar tentang kemungkinannya, ambil contoh aplikasi kipas yang biasanya berjalan pada kecepatan terukur 50% dan torsi terukur 25%. Oleh karena itu, kekuatannya hanya 12,5%. Rugi tetap magnetik motor adalah 2% dari peringkat, yang tampaknya sepele. Namun ini sebenarnya 16% dari konsumsi daya normal. Mungkin akan mungkin untuk mengurangi tegangan sebanyak 50% tanpa meningkatkan arus secara signifikan, menghasilkan kerugian tetap berkurang menjadi sekitar 4% dari konsumsi. Pengurangan kerugian kecil dibandingkan dengan daya pengenal, tetapi menjadi signifikan dibandingkan dengan daya rata-rata yang sebenarnya, yang menentukan tagihan listrik pemilik.

Metode tradisional untuk mengontrol kerapatan fluks motor dalam aplikasi torsi variabel adalah mode V/F kuadrat, di mana rasio V/F menentukan kerapatan fluks motor. Asalkan beban benar-benar kuadrat, yaitu torsi sebanding dengan kuadrat kecepatan,  dan tidak ada transien torsi beban, ini berfungsi dengan baik.

Untuk aplikasi torsi konstan, fungsi Teknik Kontrol Dinamis V/F sangat efektif. Ini bekerja dengan secara aktif menyesuaikan tegangan dengan arus motor. Ini memiliki keuntungan bahwa fluks melemah secara efektif dan otomatis ketika torsi beban berkurang, tanpa asumsi tentang karakteristik torsi/kecepatan beban. Namun peningkatan torsi beban yang tiba-tiba masih menghasilkan reaksi yang cepat, fluks dinaikkan dengan cepat sehingga motor tidak mungkin berhenti.

Mengoptimalkan kontrol motor – frekuensi switching

Pengalihan PWM penggerak inverter menghasilkan peningkatan rugi-rugi pada motor yang sebagian besar tidak tergantung pada beban, yaitu rugi-rugi tetap tambahan. Semakin tinggi frekuensi switching, semakin rendah kerugian tambahan di motor, tetapi semakin tinggi kerugian switching yang bergantung pada arus di inverter. Pada beban penuh, penelitian yang dilakukan dalam pengembangan EN 50598-2 menunjukkan bahwa di bawah 90 kW efisiensi keseluruhan terbaik dari motor IE3 dan penggerak bersama pada beban terukur diberikan ketika frekuensi switching sekitar 4 kHz, kurvanya cukup dangkal. Inilah sebabnya mengapa pengukuran kerugian untuk standar dilakukan pada frekuensi switching ini.

Gambar 1 menunjukkan contoh rugi-rugi pada motor kecil dan penggeraknya karena frekuensi switching yang bervariasi, baik pada beban penuh (FL) dan beban setengah (HL).

Frekuensi switching terbaik dalam contoh ini pada beban penuh adalah sekitar 5 kHz, sedangkan pada beban setengah sekitar 7 kHz, karena rugi-rugi penggerak pada frekuensi tertentu lebih rendah pada beban sebagian. Drive yang menyesuaikan frekuensi peralihannya ke arus motor dapat meningkatkan efisiensi beban sebagian, yang sekali lagi dapat bermanfaat dalam aplikasi yang menghabiskan sebagian besar waktunya pada beban sebagian.

Teknik Kontrol Drive Unidrive M memiliki fitur adaptasi frekuensi switching otomatis. Drive beroperasi jika memungkinkan pada frekuensi switching tertinggi yang ditentukan oleh pengguna, tetapi menguranginya jika kehilangan drive menjadi terlalu tinggi. Ini berarti bahwa rugi-rugi pensaklaran pada motor diminimalkan kecuali jika hal ini mengakibatkan rugi-rugi penggerak yang berlebihan.