Efisiensi Energi Dengan Penggerak Kecepatan Variabel (Bagian 1)

Dalam artikel ini, Colin Hargis, chief engineer untuk Teknik Kontrol, membahas masalah efisiensi energi dengan penggerak kecepatan variabel.

Beberapa pembaca mungkin menyadari bahwa peraturan UE baru sedang dalam proses yang dimaksudkan untuk mengontrol efisiensi drive dan sistem drive. Regulasi tersebut masih dalam tahap konsultasi sehingga belum memiliki nomor resmi, namun dapat diidentifikasi melalui mandat EC M/476, dan disebut sebagai “Lot 30” dalam proses konsultasi untuk Energy Related Products directive (ErP) . Konsultasi tampaknya terhenti saat ini, tetapi standar teknis untuk mendukung peraturan sudah ada seperti EN 50598-1 dan EN 50598-2. Tujuannya adalah bahwa drive harus dialokasikan kelas efisiensi seperti motor industri, dan pada tahap tertentu ada kemungkinan bahwa kelas terendah akan dilarang dari pasar UE. Produsen juga harus memberikan data lebih lanjut tentang kehilangan sebagian beban, untuk membantu pengguna menilai efisiensi energi secara keseluruhan dari aplikasi mereka.

Sebelum peraturan itu sendiri mulai berlaku, beberapa pengguna drive mungkin tertarik untuk mempelajari lebih lanjut tentang peraturan yang diusulkan dan kelas efisiensi, untuk menilai apakah peraturan tersebut relevan dengan efisiensi energi produk akhir atau sistem mereka sendiri. Di blog ini kita melihat beberapa dasar efisiensi sistem penggerak. Selanjutnya kita akan melihat secara lebih rinci beberapa masalah yang timbul dari standar baru dan peraturan yang diusulkan.

Salah satu alasan utama menggunakan penggerak kecepatan variabel adalah untuk mengatur kecepatan motor agar sesuai dengan permintaan pada proses akhir yang digerakkannya, untuk mengoptimalkan penggunaan energi. Ini sangat berharga ketika memindahkan cairan (gas dan cairan) karena gesekan kental berarti bahwa daya yang dibutuhkan untuk memindahkan cairan di sekitar sirkuit bervariasi sebagai hukum kubus dari laju aliran, sehingga pengurangan kecil dalam laju aliran memberikan pengurangan besar dalam daya yang digunakan. Metode kontrol seperti peredam, katup, dan bahkan baling-baling pemandu variabel juga menghasilkan kehilangan daya yang tidak perlu. Ide ini sangat terkenal sehingga tidak perlu menulis lebih banyak tentangnya, ada banyak panduan berguna yang tersedia [mis. referensi 1 &2]. Namun dengan mempertimbangkan peraturan yang akan datang, akan sangat membantu untuk meninjau beberapa prinsip, terutama untuk menjaga efek peraturan dan standar dalam perspektif.

Kehilangan energi dalam sistem penggerak

Diagram, bukan untuk skala, menggambarkan secara luas bagaimana daya dikonsumsi dalam aplikasi drive. Hal ini paling jelas untuk bekerja dalam hal kerugian daripada efisiensi. Pada setiap tahap, ada kehilangan daya pada perangkat yang relevan, yang umumnya dinyatakan sebagai proporsi throughput terukurnya.

Daya yang hilang muncul sebagai panas, biasanya dari udara di sekitarnya. Kadang-kadang panas dapat dimanfaatkan dengan baik, tetapi biasanya harus dianggap sebagai pemborosan, dan bahkan dapat menimbulkan biaya tambahan jika diperlukan ventilasi atau pendinginan tambahan di area tersebut. Kerugian aktual sangat bervariasi di berbagai aplikasi, tetapi kerusakan tipikal untuk aplikasi yang bergerak di udara, beroperasi pada output maksimum, diberikan pada Tabel 1. Perhatikan bahwa pada setiap tahap kerugian yang terjadi pada perangkat adalah fungsi dari kedua output sistem yang berguna. dan juga akumulasi kerugian dari semua perangkat hilir lainnya.

Dalam contoh ini, efisiensi keseluruhan adalah sekitar 56,6%. Kerugian terbesar ada di aktuator, dan angka kehilangan 30% adalah tipikal untuk kipas untuk memindahkan udara. Udara adalah cairan yang sulit untuk dipindahkan secara efisien, pompa modern mungkin mengalami kerugian mendekati 10%. Semua kerugian yang ditunjukkan dapat dikurangi dengan peningkatan teknologi, dan perhatian yang diberikan pada efisiensi energi berarti bahwa semuanya cenderung berkurang seiring waktu karena desain yang ditingkatkan menjadi hemat biaya atau diwajibkan oleh peraturan.

Perhatikan bahwa kehilangan drive adalah yang terkecil dalam daftar, dan ini realistis di sebagian besar aplikasi. Kehilangan 3% agak sepele dibandingkan dengan yang lain. Drive modern memiliki kerugian yang sangat rendah, pendorong utama untuk ini adalah keinginan untuk unit yang kompak secara fisik, yang berarti bahwa perangkat pendingin (heatsink dan kipas) harus diminimalkan ukurannya, sehingga kerugiannya juga harus diminimalkan. Throughput daya drive memang mencakup semua kerugian lainnya, sehingga kerugian drive utama sebesar 3%, berdasarkan data drive, menjadi 5,1% bila dinyatakan sebagai proporsi dari output sistem. Penggunaan drive yang cerdas sering kali memungkinkan pengurangan kerugian perangkat lain yang bermanfaat, sehingga menghasilkan penghematan yang jauh melebihi kerugian dalam drive. Namun kita harus mempertimbangkan kondisi operasi yang sebenarnya daripada hanya kondisi beban maksimum.

Kontrol dan kerugian

Nilai kerugian tipikal yang dibahas di atas adalah nilai "judul" yang diberikan pada beban pengenal atau throughput masing-masing perangkat. Oleh karena itu, mereka relevan ketika sistem beroperasi pada output desain maksimumnya. Banyak sistem menghabiskan sebagian besar hidupnya untuk beroperasi di bawah beban pengenalnya, karena permintaan bervariasi tetapi sistem harus dirancang secara maksimal. Selain itu, kinerja biasanya dinilai dari kemampuan throughput maksimum, sehingga pemasok cenderung membuat komponen berukuran terlalu besar untuk menghindari risiko pelanggan menolak sistem jika gagal memberikan keluaran terukur selama uji coba penerimaan. Oleh karena itu diperlukan suatu sistem kendali, dengan suatu metode untuk mengatur keluarannya. Teknik kontrol yang diterapkan dapat sangat mempengaruhi efisiensi beban sebagian. Sebagai contoh, telah diketahui bahwa peredam udara dan katup pengatur menyebabkan kehilangan beban sebagian yang cukup tinggi, karena mengakibatkan peningkatan tekanan pada kipas atau pompa yang berarti harus mengembangkan daya lebih dari yang dibutuhkan pada titik pengiriman. . Penggerak kecepatan variabel menghindari kerugian tambahan ini.

Efisiensi semua komponen berubah dengan beban. Rinciannya sangat bervariasi, tetapi umumnya kerugian memiliki unsur-unsur berikut:

• Kerugian tetap yang tidak bergantung pada keluaran. Hal ini cenderung mengurangi efisiensi muatan sebagian.
• Kerugian proporsional yang tidak mempengaruhi efisiensi beban sebagian.
• Kerugian yang meningkat (misalnya hukum persegi) yang cenderung mengurangi efisiensi beban penuh.

Hasilnya adalah biasanya terdapat tingkat keluaran efisiensi yang optimal, misalnya pada motor induksi standar ini adalah sekitar 80% dari rating. Pada output yang lebih tinggi, efisiensi turun sedikit. Pada output yang lebih rendah, efisiensinya juga turun, tetapi kehilangan daya yang sebenarnya juga turun.

Kerugian dalam sistem penggerak listrik kecepatan variabel

Setelah meringkas situasi umum, sekarang kita dapat melihat lebih detail pada sistem penggerak listrik, yaitu motor dan penggerak. Keluaran dari sistem adalah tenaga mekanik pada poros motor, yang terdiri dari produk torsi dan kecepatan. Baik motor dan penggerak memiliki elemen rugi yang bervariasi dengan torsi dan kecepatan. Tabel 2 merangkum ini. Untuk penyederhanaan kita asumsikan bahwa arus sebanding dengan torsi. Ini adalah penyederhanaan karena mengabaikan arus magnetisasi motor.

Perhatikan bahwa kita harus mempertimbangkan pengaruh kecepatan dan torsi baik secara terpisah maupun gabungan. Rugi-rugi resistif di motor hampir seluruhnya terkait dengan torsi, terlepas dari kecepatannya, dan ini juga berlaku untuk tahap penggerak inverter. Di sisi lain, rugi-rugi pada penyearah tahap masukan penggerak murni merupakan fungsi dari keluaran daya, yaitu produk torsi dan kecepatan.

Gambaran yang agak rumit ini dapat disederhanakan ketika jenis beban tertentu dipertimbangkan di mana torsi dan kecepatan terkait. Misalnya pompa atau kipas sederhana yang diumpankan ke dalam proses dengan kepala statis kecil, sehingga tekanan sebagian besar merupakan fungsi hukum kuadrat dari laju aliran, memberikan torsi yang merupakan fungsi hukum kuadrat dari kecepatan. Sebaliknya proses seperti sistem konveyor memiliki torsi yang sebagian besar tidak tergantung pada kecepatan, tetapi tergantung pada permintaan pada konveyor. Kedua jenis beban ini secara luas disebut sebagai aplikasi penggerak “torsi variabel” dan “torsi tetap”.

Selain rugi-rugi yang melekat pada penggerak dan motor yang diambil secara terpisah, terdapat rugi-rugi yang merupakan fungsi dari kombinasi keduanya. Faktor kunci dalam saling ketergantungan adalah:

• Mengoperasikan kerapatan fluks magnet, dikendalikan oleh penggerak dan dikenakan pada motor, memengaruhi rugi-rugi magnetisasi. (Juga mempengaruhi kerugian resistif untuk torsi tertentu, ada kerapatan fluks optimal untuk torsi dan kecepatan tertentu.)
• Peralihan PWM, dikendalikan oleh drive dan mengakibatkan kerugian tambahan pada motor
• Faktor daya motor, arus reaktif yang dikenakan oleh motor yang mengakibatkan kerugian arus tambahan di drive

Standar sederhana untuk efisiensi penggerak hanya akan menangani kerugian pada penggerak saja, menggunakan beban motor standar. Sebuah standar yang berguna harus mengatasi saling ketergantungan dan mengelola pertukaran; misalnya frekuensi switching PWM yang dipilih harus menyeimbangkan keinginan untuk meminimalkan kerugian pada drive, yang membutuhkan frekuensi yang lebih rendah, dan motor, yang membutuhkan frekuensi yang lebih tinggi. Ini juga harus memungkinkan perancang sistem atau mesin yang lengkap untuk memungkinkan mereka menghitung kerugian pada mesin lengkap selama rentang kondisi operasi praktisnya.

Di blog berikutnya, kita akan melihat lebih dekat standar, khususnya EN 50598-2, yang menentukan kelas efisiensi energi untuk hard disk, dan mempertimbangkan cara standar tersebut mengelola persyaratan ini. Kami juga melihat fungsi yang tersedia di drive yang dapat mengoptimalkan efisiensi, dan khususnya mengoptimalkan kerugian sebagian beban yang mungkin lebih penting daripada yang pertama kali muncul.

Referensi

[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