Memaksimalkan Efisiensi Energi dengan Variabel Speed Drive – Panduan Pakar (Bagian 1)

Dalam artikel ini, Colin Hargis, chief engineer untuk Control Techniques, melihat isu efisiensi energi dengan variabel speed drive.

Beberapa pembaca mungkin menyadari bahwa regulasi EU baru dalam pipa yang dimaksudkan untuk mengontrol efisiensi drive dan sistem drive. Regulasi masih dalam konsultasi jadi belum secara resmi memiliki nomor, tetapi dapat diidentifikasi melalui mandate EC M/476, dan disebut sebagai “Lot 30” dalam proses konsultasi untuk directive Energy related Products (ErP). Konsultasi tampaknya terhenti saat ini, tetapi standar teknis untuk mendasari regulasi sudah ada sebagai EN 50598-1 dan EN 50598-2. Inti adalah drive akan harus dialokasikan kelas efisiensi seperti motor industri, dan pada suatu tahap mungkin kelas terlarang akan dilarang dari pasar EU. Produsen juga harus menyediakan data lebih lanjut tentang kehilangan beban parsial, untuk membantu pengguna menilai efisiensi energi keseluruhan aplikasi mereka.

Sebelum regulasi itu sendiri berlaku beberapa pengguna drive mungkin tertarik untuk mempelajari lebih lanjut tentang regulasi yang diusulkan dan kelas efisiensi, untuk menilai apakah mereka relevan dengan efisiensi energi produk akhir atau sistem mereka sendiri. Dalam blog ini kita melihat beberapa dasar dari efisiensi sistem drive. Di selanjutnya kita akan melihat lebih detail beberapa isu yang timbul dari standar baru dan regulasi yang diusulkan.

Salah satu alasan utama untuk menggunakan variabel speed drive adalah untuk mengatur kecepatan motor agar sesuai dengan permintaan pada proses akhir yang dikendarainya, untuk mengoptimalkan penggunaan energi. Ini sangat berharga saat memindahkan fluida (gas dan cairan) karena gesekan viskus berarti daya yang diperlukan untuk memindahkan fluida di sekitar sirkuit bervariasi sebagai hukum kubus dari debit aliran, sehingga pengurangan kecil dalam debit aliran memberikan pengurangan besar dalam daya yang digunakan. Metode kontrol seperti damper, klep dan bahkan guide vanes variabel juga menghasilkan kehilangan daya yang tidak perlu. Ide ini sangat terkenal sehingga tidak perlu menulis banyak lagi tentangnya, ada banyak panduan yang berguna yang tersedia [misalnya referensi 1 & 2]. Namun dengan mempertimbangkan regulasi yang akan datang membantu untuk meninjau beberapa prinsip, terutama untuk menjaga efek regulasi dan standar dalam perspektif.

Kehilangan energi dalam sistem drive

Diagram, tidak sesuai skala, menggambarkan secara luas bagaimana daya dikonsumsi dalam aplikasi drive. Paling jelas untuk bekerja dalam hal kehilangan daripada efisiensi. Di setiap tahap ada kehilangan daya di perangkat yang relevan, yang biasanya diekspresikan sebagai proporsi dari throughput ratednya.

Daya yang hilang muncul sebagai panas, biasanya di udara sekitar. Kadang-kadang panas dapat dimanfaatkan dengan baik, tetapi biasanya harus dianggap sebagai sisa, dan mungkin bahkan menimbulkan biaya lebih lanjut jika ventilasi atau pendinginan tambahan diperlukan untuk area. Kehilangan aktual bervariasi sangat di berbagai aplikasi, tetapi breakdown yang umum untuk aplikasi gerak udara, beroperasi pada output maksimum, diberikan dalam Tabel 1. Perhatikan bahwa di setiap tahap kehilangan yang ditimbulkan dalam perangkat adalah fungsi dari output sistem yang berguna dan juga kehilangan terakumulasi dari semua perangkat downstream lainnya.

Dalam contoh ini, efisiensi keseluruhan sekitar 56.6 %. Kehilangan terbesar ada di actuator, dan angka kehilangan 30% adalah umum untuk kipas untuk gerak udara. Udara adalah fluida yang sulit untuk dipindahkan dengan efisien, pompa modern mungkin memiliki kehilangan yang lebih dekat ke 10%. Semua kehilangan yang ditunjukkan dapat dikurangi dengan teknologi yang ditingkatkan, dan perhatian yang diberikan pada efisiensi energi berarti semuanya cenderung dikurangi seiring waktu seiring desain yang ditingkatkan menjadi hemat biaya atau diwajibkan oleh regulasi.

Perhatikan bahwa kehilangan drive adalah yang terkecil dalam daftar, dan ini realistis dalam sebagian besar aplikasi. Kehilangan 3% cukup sepele dibandingkan dengan yang lain. Drive modern memiliki kehilangan yang sangat rendah, driver utama untuk ini adalah keinginan untuk unit yang fisik kompak, yang berarti perangkat pendingin (heatsink dan kipas) harus diminimalkan ukurannya, sehingga kehilangan juga harus diminimalkan. Throughput daya drive memuat semua kehilangan lain, jadi kehilangan drive headline 3%, berdasarkan data drive, menjadi 5.1% ketika diekspresikan sebagai proporsi dari output sistem. Penggunaan cerdas dari drive sering kali dapat mengizinkan pengurangan yang berguna dalam kehilangan perangkat lain, menghasilkan penghematan yang jauh melebihi kehilangan dalam drive. Namun kita harus mempertimbangkan kondisi operasi aktual daripada hanya kondisi beban maksimum.

Kontrol dan kehilangan

Nilai kehilangan umum yang dibahas di atas adalah nilai “headline” yang diberikan pada beban rated atau throughput dari setiap perangkat. Oleh karena itu relevan saat sistem beroperasi pada output desain maksimumnya. Banyak sistem menghabiskan sebagian besar waktu mereka beroperasi di bawah beban rated mereka, karena permintaan bervariasi tetapi sistem harus dirancang untuk maksimum. Juga, performa biasanya diadili berdasarkan kemampuan throughput maksimum, jadi pemasok cenderung membesar-kan komponen untuk menghindari risiko bahwa pelanggan menolak sistem jika gagal memberikan output rated selama uji penerimaan. Oleh karena itu sistem kontrol diperlukan, dengan metode untuk menyesuaikan output. Teknik kontrol yang diterapkan dapat mempengaruhi efisiensi beban parsial secara besar. Misalnya, diketahui bahwa damper udara dan klep pengatur menyebabkan kehilangan beban parsial yang cukup tinggi, karena menghasilkan kenaikan tekanan di kipas atau pompa yang berarti harus mengembangkan lebih daya daripada yang diperlukan di titik pengiriman. Variabel speed drive menghindari kehilangan tambahan ini.

Efisiensi semua komponen berubah dengan beban. Detailnya bervariasi sangat, tetapi umumnya kehilangan memiliki elemen berikut:

• Kehilangan tetap yang independen dari output. Ini cenderung mengurangi efisiensi beban parsial.
• Kehilangan proporsional yang tidak mempengaruhi efisiensi beban parsial.
• Kehilangan yang naik (misalnya hukum persegi) yang cenderung mengurangi efisiensi beban penuh.

Hasilnya adalah biasanya ada tingkat output efisiensi optimum, misalnya dalam motor induksi standar ini sekitar 80% dari rating. Pada output yang lebih tinggi efisiensi jatuh sedikit. Pada output yang lebih rendah efisiensi juga jatuh, tetapi kehilangan daya aktual juga jatuh.

Kehilangan dalam sistem drive listrik kecepatan variabel

Setelah meringkas situasi umum, kita sekarang dapat melihat lebih detail pada sistem drive listrik, yaitu motor dan drive. Output sistem adalah daya mekanik pada poros motor, terdiri dari hasil kali torsi dan kecepatan. Kedua motor dan drive memiliki elemen kehilangan yang bervariasi dengan torsi dan kecepatan. Tabel 2 meringkasan ini. Untuk kesederhanaan kita asumsikan arus proporsional terhadap torsi. Ini adalah penyederhanaan karena mengabaikan arus magnetisasi motor.

Perhatikan bahwa kita harus mempertimbangkan efek kecepatan dan torsi baik secara terpisah maupun gabungan. Kehilangan resistif dalam motor hampir sepenuhnya terkait dengan torsi, terlepas dari kecepatan, dan ini juga benar untuk tahap inverter dari drive. Di sisi lain kehilangan pada tahap input rectifier drive sepenuhnya fungsi dari throughput daya, yaitu hasil kali torsi dan kecepatan.

Gambar yang cukup kompleks ini dapat disederhanakan saat jenis beban tertentu dipertimbangkan di mana torsi dan kecepatan terkait. Misalnya pompa atau kipas sederhana yang memberi makan pada proses dengan static head sedikit, sehingga tekanan terutama merupakan fungsi hukum persegi dari debit, memberikan torsi yang merupakan fungsi hukum persegi dari kecepatan. Sebaliknya proses seperti sistem konveyor memiliki torsi yang besar independen dari kecepatan, tetapi tergantung pada permintaan pada konveyor. Dua jenis beban ini secara luas disebut sebagai aplikasi drive “torsi variabel” dan “torsi konstan” masing-masing.

Selain kehilangan inherent dalam drive dan motor yang diambil secara terpisah, ada kehilangan yang merupakan fungsi dari kombinasi keduanya. Faktor kunci dalam ketergantungan adalah:

• Kepadatan fluks magnetik operasi, dikontrol oleh drive dan diberlakukan pada motor, mempengaruhi kehilangan magnetisasi. (Mempengaruhi kehilangan resistif untuk torsi yang diberikan, ada kepadatan fluks optimum untuk setiap torsi dan kecepatan.)
• Pemulaian PWM, dikontrol oleh drive dan menghasilkan kehilangan tambahan dalam motor
• Faktor daya motor, arus reaktif yang diimposed oleh motor resulting in kehilangan arus tambahan dalam drive

Standar sederhana untuk efisiensi drive hanya akan menangani kehilangan dalam drive sendirian, menggunakan beban motor standar. Standar yang berguna harus mengatasi ketergantungan dan mengelola trade-off; misalnya bahwa frekensi switching PWM yang dipilih harus menyeimbangkan keinginan untuk meminimalkan kehilangan dalam drive, yang memerlukan frekensi lebih rendah, dan motor, yang memerlukan frekensi lebih tinggi. Ini juga harus memungkinkan desainer sistem atau mesin lengkap untuk memungkinkan mereka untuk menghitung kehilangan dalam mesin lengkap dalam rentang praktis dari kondisi operasi.

Dalam blog selanjutnya kita akan melihat lebih dekat standar, khususnya EN 50598-2, yang menentukan kelas efisiensi energi untuk drive, dan mempertimbangkan bagaimana mereka mengelola persyaratan ini. Kami juga melihat fungsi yang tersedia dalam drive yang dapat mengoptimalkan efisiensi, dan khususnya mengoptimalkan kehilangan beban parsial yang mungkin lebih penting daripada yang terlihat pertama kali.

Referensi

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

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