Variabel Speed Drive: Meningkatkan Efisiensi Energi – Bagian 2

Dalam bagian kedua dari seri blog ini, chief engineer Control Techniques melihat lebih dalam tentang mencapai efisiensi energi yang lebih besar menggunakan variabel speed drive.

Blog sebelumnya memberikan gambaran umum tentang efisiensi drive dan aplikasinya, dan bagaimana mereka dipengaruhi oleh pola kombinasi kecepatan dan torsi dalam aplikasi tertentu. Kami sekarang melihat bagaimana regulasi EU yang diusulkan dan standar terkaitnya mencoba untuk meningkatkan efisiensi energi dari aplikasi akhir dengan menetapkan standar untuk performa dan penyediaan data. Ini termasuk kelas IE baru yang diusulkan untuk drive.

Standar dan regulasi EU yang diusulkan untuk efisiensi drive

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

Dari keluarga standar ini, bagian 3 menangani desain yang sadar lingkungan secara umum, dengan penekanan pada bahan yang digunakan dalam produk dan dampak lingkungan dari pembuangannya pada akhirnya. Ini di luar cakupan blog ini. Bagian 1 menangani desain sistem lengkap yang mencakup motor dan drive. Ini bertujuan untuk mengatasi tantangan untuk standar produk yang pasti berlaku untuk efisiensi energi dari produk spesifik yang diambil sendirian, ketika tujuan sebenarnya adalah untuk mencoba memastikan penggunaan energi terbaik dalam aplikasi akhir, bukan bagian-bagian individu yang diambil secara terpisah. Ini menjelaskan isu yang kita bahas di blog sebelumnya, tetapi dengan lebih detail, dan menetapkan metodologi untuk menilai efisiensi energi sistem lengkap menggunakan data untuk drive seperti yang didefinisikan dengan lebih detail di bagian 2. Bagian 1 dimaksudkan untuk digunakan oleh komite teknis yang bekerja pada efisiensi energi dari aplikasi akhir spesifik. Ini disebut sebagai “Extended Product Approach” (EPA). Bagian 1 berisi materi tutorial yang berguna untuk desainer sistem.

Bagian 2 disebut sebagai EN 50598-2 dan memberikan indikator efisiensi energi untuk drive, kelas IE, yang mungkin menjadi dasar dari regulasi di masa depan. Regulasi [2] akan berlaku untuk drive sebagai produk yang dipasarkan di EU. Kami telah melihat sebelumnya bahwa dampak energi dari drive jauh melebihi konsumsi energi sendiri (kehilangan) karena ia dapat mengizinkan penghematan energi besar pada komponen lain dari aplikasi akhir. Regulasi tidak dapat memprediksi rentang aplikasi akhir yang berbeda-beda, jadi ia akan bertujuan untuk mendefinisikan data yang harus disediakan produsen drive kepada pembeli. Data ini membentuk “Semi Analytic Model” yang digunakan untuk EPA.

Grup yang bertanggung jawab untuk membuat regulasi dan standar sangat menyadari bahwa manfaat energi dari penggunaan drive di mana sesuai jauh melebihi kehilangan, dan mereka bertujuan untuk menjaga standar sederhana dan praktis. Ini adalah dokumen yang cukup panjang, tetapi banyak materi adalah penjelasan detail dari sumber kehilangan dan model matematika yang akan digunakan. Ini adalah bacaan yang direkomendasikan jika Anda tertarik untuk mempelajari lebih lanjut tentang topik ini.

Dalam ringkasan, menurut standar produsen drive akan harus menyediakan:

• Sebuah kelas efisiensi energi untuk drive, dalam rentang IE0 hingga IE2, yang didasarkan pada kehilangan pada satu titik operasi spesifik dengan arus menghasilkan torsi rated dan 90% frekuensi output rated. Frekensi switching PWM ditetapkan pada 4 kHz untuk rating daya hingga 90 kW dan 2 kHz di atas 90 kW. “Referensi kehilangan” yang mendefinisikan baseline kelas IE1 tergantung pada rating inverter, tetapi untuk rating dalam rentang 5 kW hingga 75 kW ini sekitar 5% dari daya output apparent. Kehilangan kelas IE2 sekitar setengah dari IE1.
• Data yang menunjukkan kehilangan daya dalam matriks dari kombinasi berikutnya 9 dari arus menghasilkan torsi dan frekuensi output:

Kemungkinan besar regulasi akan melarang penjualan drive kelas IE0 di EU, dan mungkin menetapkan jadwal untuk pelarangan drive kelas IE1. Standar memang berisi ketentuan untuk kelas yang mungkin di masa depan di luar IE2, tetapi sedikit manfaat dalam mencoba untuk pergi lebih jauh.

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

Metode praktis untuk meningkatkan efisiensi energi sistem drive

Memahami proses lengkap

Untuk mengoptimalkan efisiensi energi, aspek yang paling penting dari aplikasi kecepatan yang dikontrol adalah untuk merancang fungsi kontrol dengan benar sehingga proses dioptimalkan dan output, apa pun itu, tersedia sesuai kebutuhan tetapi tanpa berlebihan. Keterampilan utama dari desainer sistem drive adalah untuk memahami proses keseluruhan dengan cukup baik untuk memastikan bahwa kecepatan dan/atau torsi motor diatur dengan tepat untuk proses. Anda dapat melihat dari Tabel 1 di blog sebelumnya bahwa dalam contoh ini kehilangan di motor dan drive hanya 20.7% dari output, dibandingkan dengan 56% di transmission dan actuator. Kehilangan motor 10% adalah umum untuk motor kelas IE3 modern yang berating sekitar 7.5 kW, dan sulit untuk banyak ditingkatkan dari ini. Kehilangan drive sangat sepele. Namun engineer drive mungkin dapat menemukan peluang untuk meningkatkan keseluruhan sistem. Mari kita lihat desain baru di mana motor dan actuator dicocokkan sehingga tidak perlu transmission yang mengubah kecepatan. Ini mungkin dibuat mungkin dengan menggunakan kemampuan drive untuk mengubah kecepatan dasar motor. Dalam hal itu Tabel 1 akan menjadi:

Efisiensi sekarang ditingkatkan dari 56.5% menjadi 67.9% dan kehilangan berkurang dari 76.7% menjadi 47.3% dari output.

Dalam kasus ini kita menggunakan kemampuan drive untuk beralih dari jumlah terbatas dari kecepatan dasar yang ditentukan oleh frekuensi jaringan dan jumlah poros pada motor. Drive juga memiliki kemampuan kontrol yang dapat diprogram sehingga input dari berbagai sensor proses dapat digunakan untuk membantu mengoptimalkan kecepatan untuk kondisi operasi nyata dari sistem. Terakhir, drive juga dapat bertindak untuk mengoptimalkan kondisi operasi motor, tergantung pada beban aktual.

Mengoptimalkan kontrol motor – kepadatan fluks magnetik

Kehilangan beban penuh dalam motor 4 poros kelas IE3 bervariasi dalam rentang 14.5% untuk rating 0.75 kW hingga 3.8% untuk rating di atas 185 kW. Dalam rentang yang banyak digunakan dan intensif energi sekitar 5.5 kW hingga 55 kW ini sekitar 6%. Tidak terlihat ada banyak ruang untuk perbaikan lebih lanjut di sini. Mayoritas kehilangan adalah kehilangan tembaga (konduktor) yang terkait dengan arus kerja, yang tidak dapat ditingkatkan oleh fungsi drive apa pun. Ruang terbaik untuk perbaikan pada beban tinggi adalah dengan menggunakan motor magnet permanen sehingga faktor daya motor (cos f) dapat mendekati 1 dan arus sengaja dikurangi.

Namun layak untuk melihat lagi kehilangan tetap dalam motor, karena kelas besar aplikasi di mana torsi operasi seringkali jauh di bawah nilai ratednya. Ini mungkin dalam aplikasi kipas atau pompa di mana pengiriman normal kurang dari maksimum yang mungkin, atau dalam aplikasi torsi konstan di mana torsi biasanya kurang dari maksimum yang mungkin. Dalam hal itu, kepadatan fluks magnetik dalam motor pada tegangan kerja lebih tinggi dari yang diperlukan untuk mencapai torsi yang diperlukan, dan kehilangan tetap dalam baja magnetik dapat dikurangi dengan mengurangi tegangan pasokan dan oleh karena itu kepadatan fluks.

Untuk mendapatkan gambaran kasar tentang kemungkinan, ambil contoh aplikasi kipas yang biasanya beroperasi pada 50% kecepatan rated dan 25% torsi rated. Daya jadi hanya 12.5%. Kehilangan magnet tetap motor adalah 2% dari rating, yang terlihat sepele. Namun ini sebenarnya 16% dari konsumsi daya normal. Kemungkinan besar akan memungkinkan untuk mengurangi tegangan sebanyak 50% tanpa meningkatkan arus secara signifikan, resulting in kehilangan tetap dikurangi menjadi sekitar 4% dari konsumsi. Pengurangan kehilangan kecil dibandingkan dengan daya rated, tetapi menjadi signifikan dibandingkan dengan daya berjalan rata-rata aktual, yang menentukan tagihan listrik pemilik.

Metode tradisional untuk mengontrol kepadatan fluks motor dalam aplikasi torsi variabel adalah mode quadratic V/F, di mana rasio V/F menentukan kepadatan fluks motor. Asalkan beban benar-benar quadratic, yaitu torsi proporsional terhadap kuadrat kecepatan, dan tidak ada transient torsi beban, ini bekerja baik.

Untuk aplikasi torsi konstan Control Techniques Dynamic V/F function sangat efektif. Ini bekerja dengan secara aktif menyesuaikan tegangan dengan arus motor. Keuntungannya adalah fluks melemah secara efektif dan otomatis saat torsi beban berkurang, tanpa asumsi apa pun tentang karakteristik torsi/kecepatan beban. Namun peningkatan tiba-tiba pada torsi beban masih menghasilkan reaksi cepat, fluks ditingkatkan dengan cepat sehingga motor tidak mungkin akan stalled.

Mengoptimalkan kontrol motor – frekensi switching

Pemulaian PWM inverter drive menghasilkan kehilangan tambahan dalam motor yang besar independen dari beban, yaitu adalah kehilangan tetap tambahan. Semakin tinggi frekensi switching semakin rendah kehilangan tambahan dalam motor, tetapi semakin tinggi kehilangan switching yang bergantung pada arus dalam 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 drive bersama pada beban rated diberikan ketika frekensi switching sekitar 4 kHz, kurva cukup dangkal. Inilah sebabnya mengapa pengukuran kehilangan untuk standar dilakukan pada frekensi switching ini.

Gambar 1 menunjukkan contoh kehilangan dalam motor kecil dan drive-nya seiring bervarinya frekensi switching, baik pada beban penuh (FL) dan setengah beban (HL).

Frekensi switching terbaik dalam contoh ini pada beban penuh sekitar 5 kHz, sementara pada setengah beban sekitar 7 kHz, karena kehilangan drive pada frekensi tertentu lebih rendah pada beban parsial. Drive yang menyesuaikan frekensi switching-nya dengan arus motor dapat memberikan efisiensi beban parsial yang ditingkatkan, yang lagi-lagi bisa berarti dalam aplikasi yang menghabiskan sebagian besar waktunya pada beban parsial.

Drive Control Techniques Unidrive M memiliki fitur penyesuaian frekensi switching otomatis. Drive beroperasi jika memungkinkan pada frekensi switching tertinggi yang ditentukan oleh pengguna, tetapi menguranginya jika kehilangan drive menjadi terlalu tinggi. Ini berarti kehilangan switching dalam motor diminimalkan kecuali ini mengakibatkan kehilangan drive berlebihan.