Print

Zvyšování účinnosti motorů pomocí algoritmů

-- 21.12.09

V případě, že nelze motory s nižší účinností jednoduše vyměnit, můžete pro zvýšení energetické účinnosti použít propracovaná zařízení na bázi polí FPGA.

Ve světle ekonomických nejistot a rostoucích ekologických obav se mnoho firem snaží zeštíhlovat náklady na své provozy, zvyšovat jejich účinnost a být šetrnější k životnímu prostředí. Dobrým začátkem je pohled na váš účet za elektřinu. Největšími „žrouty“ elektrické energie jsou klimatizační systémy, ohřívání vody, osvětlení, kancelářská technika a stroje. Konkrétněji, za zhruba dvě třetiny celkové spotřeby elektrické energie v typickém průmyslovém závodě jsou odpovědné strojové motory. Pro zvýšení účinnosti a snížení provozních nákladů motorů ve vašem podniku se zaměřte na následující faktory.

Motory s vysokou účinností

Motor běžící s účinností 50 % převádí jen polovinu elektrické energie na užitečnou mechanickou práci. Zbytek je vyplýtván. Proto je vyšší investice do motorů s vysokou účinností rozumná, neboť náklady na elektrickou energii představují až 96 % celkových nákladů po dobu životnosti motoru. Mnoho závodů využívá motory, které jsou velmi rozměrné a jejich výměna by byla drahá. Uživatelé tedy hledají cesty, jak účinnost zvýšit pomocí stávajících výrobních prostředků. Klíč k dosažení úspor se může skrývat v algoritmech řízení motorů a implementaci komerčně dostupného hardwaru.

V podstatě jde o to, že když nemůžete vyměnit motor, pro dosažení vyšší účinnosti vyměníte algoritmus a řídicí prvek. S pomocí zařízení s vysokým výpočetním výkonem, jako jsou pole FPGA Virtex nebo Spartan od společnosti Xilinx, společně s komerčně dostupným hardwarem, jako je CompactRIO společnosti National Instruments, lze rychle vyvinout prototyp a realizovat přesné zakázkové řídicí systémy pro výrazné zvýšení účinnosti motorů.

Správné dimenzování motorů

Dalším zásadním aspektem je správné dimenzování motorů. Ministerstvo energetiky odhaduje, že 80 % všech motorů je předimenzováno, a firmy proto musejí platit vyšší cenu za vyplýtvanou energii. Jak je vidět v grafu, účinnost dramaticky klesá, když je zatížení zhruba 40 % pod hodnotou plného jmenovitého zatížení. Na internetu je k dispozici mnoho dimenzovacích nástrojů, které vám s tím mohou pomoci, jako je MotorMaster+ pro střídavé indukční motory a VisualSizer pro stejnosměrné servomotory.

Při dimenzování je dobrým pravidlem vybrat motor se špičkovou a efektivní hodnotou krouticího momentu zhruba o 25 % vyšší, než vyžaduje aplikace. Dostupné jsou také nové nástroje pro virtuální tvorbu prototypů, které podobně jako pokrok v oblasti polí FPGA zjednodušují návrh a pomáhají získávat přesnější údaje o krouticím momentu a rychlosti propojením softwaru pro programování polohování, jako je NI LabView s 3D strojním CAD prostředím pro simulaci a rychlou tvorbu prototypů návrhů.

Vhodná technologie motorů

Typ motoru, který pro aplikaci vyberete, má velký dopad na energetickou účinnost. Indukční motory, známé také jako asynchronní střídavé motory, patří k nejstarším a nejrozšířenějším typům motorů. Díky jejich nízké ceně a schopnosti běžet bez vyspělých řídicích prvků jsou střídavé indukční motory osvědčeným tahounem většiny spotřebičů pro domácnost. Obvykle se využívají v aplikacích s konstantní rychlostí, ale lze je doplnit vyspělejšími řídicími prvky pro použití v aplikacích vyžadujících proměnlivou rychlost a krouticí moment. Pro aplikace s nízkým výkonem jsou oblíbené levné krokové motory a kartáčové stejnosměrné motory, protože jim stačí jednoduché řídicí obvody. Mají však poněkud nižší energetickou účinnost, a proto i vyšší provozní náklady.

Krokové motory jsou zvláště neefektivní, protože spotřebovávají energii, i když stojí, a musejí být výrazně naddimenzovány kvůli slabému krouticímu momentu při vyšších rychlostech. Bezkartáčové stejnosměrné motory a střídavé synchronní motory s permanentními magnety (Permanent Magnet Synchronous AC Motors – PMSM) se společně označují jako stejnosměrné bezkartáčové motory (Brushless DC – BLDC), ale liší se ve způsobu, jakým je vinut jejich stator. Stator motorů BLDC je navinut tak, aby při otáčení vytvářel zpětně indukované („back-EMF“) napětí o lichoběžníkovém průběhu, zatímco motor PMSM vytváří napětí o sinusovém průběhu.

Bezkartáčové stejnosměrné motory jsou dražší, ale oproti výše popsaným střídavým indukčním motorům nabízejí vyšší energetickou účinnost a výkon, jsou-li řízeny pomocí vyspělých algoritmů. Lze je také dimenzovat pro aplikace vyžadující vysoký výkon a rychlost. Motory BLDC jsou typem synchronního motoru. To znamená, že se magnetické pole vytvářené statorem a magnetické pole rotoru otáčejí se stejnou frekvencí. Motory BLDC obvykle disponují třemi fázemi. Většina motorů má tři vinutí statoru propojené do hvězdy. Vnitřní struktura se podobá indukčnímu motoru, který by místo vinutí měl na rotoru páry permanentních magnetů.

Protože zde nejsou kartáče, komutace musí být zajišťována elektronicky. Aby se motor BLDC uvedl do pohybu, vinutí statoru je buzeno postupně. Pro výpočet, které vinutí se má v daný okamžik budit, je nezbytné znát polohu rotoru obvykle měřenou třemi senzory využívající Hallův efekt, zabudovanými do statoru motoru. Podle trojkombinace signálů těchto senzorů dokáže řídicí elektronika určit přesnou sekvenci komutace. Protože bezkartáčové motory využívají ve svém rotoru namísto pasivních vinutí magnety, přirozeně poskytují na svou velikost a hmotnost vyšší výkon ve srovnání s indukčními motory. Klíč k provozu s vysokou účinností však leží v řídicím systému.

Řídicí algoritmy pro motory

Mikroprocesorové technologie se pro řízení motorů v posledních letech využívají stále častěji. Jejich úkolem je řídit provádění algoritmu za účelem dosažení vyšší účinnosti. Například při používání bezkartáčových motorů je dostupná celá řada algoritmů řídicích systémů, včetně lichoběžníkového, sinusového a vektorového.

Lichoběžníkové řízení: Lichoběžníkové řízení, označované také jako šestikrokové řízení, je nejjednodušší, ale nejméně výkonnou metodou. Pro každý z šesti komutačních kroků pohon motoru poskytuje proudovou cestu mezi dvěma vinutími a ponechává třetí fázi motoru odpojenou. Tato metoda má výrazná výkonnostní omezení ve formě zvlnění krouticího momentu, což způsobuje vibrace, hluk, mechanické opotřebení a výrazně zhoršuje funkci servomotoru.

Sinusové řízení: Sinusové řízení, označované také jako napěťově-frekvenční komutace, řeší mnoho z těchto otázek. Takto realizovaný regulátor řídí napájení třech vinutí motoru plynule proměnlivým proudem. Tím se odstraňují problémy se zvlněním krouticího momentu a dosahuje se plynulého otáčení. Hlavní slabinou sinusové komutace je to, že se snaží řídit časově proměnlivé proudy motoru pomocí základního proporcionálně- integračního (PI) řídicího algoritmu a nezohledňuje interakce mezi fázemi. Výsledkem je zhoršení funkce za vyšších rychlostí.

Vektorové řízení (Field-Oriented Control – FOC): FOC, známé také jako vektorové řízení, účinnost za vyšších rychlostí motoru. Ve srovnání s jinými metodami řízení poskytuje nejvyšší krouticí moment na jednotku příkonu a umožňuje přesné a živě reagující řízení při změně zatížení. FOC rovněž zaručuje optimalizovanou účinnost i při dynamickém provozu tím, že bezchybně zachovává magnetický tok statoru a rotoru.

Jak funguje FOC?

Jedním ze způsobů, jak pochopit funkci FOC, je představit si proces transformace souřadné soustavy. Představíte-li si provoz střídavého motoru z perspektivy statoru, uvidíte sinusový vstupní proud aplikovaný na stator. Tento časově proměnlivý signál generuje rotující magnetický tok. Rychlost rotoru je funkcí vektoru rotujícího magnetického toku. Ze stacionární perspektivy vypadají proudy statoru a vektor rotujícího pole jako střídavé hodnoty. Nyní si představte, že jste uvnitř motoru a běžíte podél točícího se rotoru stejnou rychlostí jako vektor rotujícího magnetického toku vytvářeného proudy statoru. Při pohledu na motor z této perspektivy v klidovém stavu vypadají proudy statoru jako konstantní hodnoty a vektor rotujícího magnetického pole je stacionární.

Nakonec chcete řídit proudy statoru, abyste získali požadované proudy rotoru. Pomocí transformace souřadné soustavy lze proudy statoru pomocí jednoduchých řídicích smyček PI řídit jako stejnosměrné hodnoty. Ve skutečnosti algoritmus FOC pracuje tak, že odstraňuje časové a rychlostní závislosti a umožňuje přímé a nezávislé řízení magnetického toku i krouticího momentu. To je dosaženo matematickou transformací elektrického stavu motoru na dvousouřadnicový, časově invariantní rotující rámec, a to pomocí matematických vzorců známých jako Clarke/Park transformace. Účinná metoda řízení výkonové elektroniky se nazývá modulace prostorového vektoru šířkou impulsu (pulsně-šířková modulace).

Zároveň maximalizuje využívání napájecího napětí motoru a minimalizuje harmonické ztráty. Harmonické frekvence mohou výrazně snížit účinnost motoru tím, že přivádějí do železného jádra motoru energii odčerpávající vířivé proudy. Největší výhodou je, že vektorové řízení lze používat pro střídavé indukční motory i pro bezkartáčové stejnosměrné motory pro zvýšení jejich účinnosti a zlepšení funkce a toto vektorové řízení lze do stávajících motorů aplikovat modernizací jejich řídicího systému. Ve skutečnosti je možné metody vektorového řízení, jako je FOC, využít u střídavých indukčních motorů, aby fungovaly jako servomotory.

FOC s poli FPGA

Pro implementaci FOC jsou nezbytná výkonná výpočetní zařízení. Díky tomu jsou vylepšená pole FPGA s nižším poměrem cena/výkon přirozeným řešením pro řízení motorů. Algoritmus řízení motorů se musí neustále přepočítávat s frekvencí 10 až 100 kHz. Paralelně s řídicím algoritmem musí běžet také další bloky IP (Intellectual Property) jader, jako jsou vysokorychlostní PWM výstupy, aniž by ovlivnily časování řídicího algoritmu. Díky schopnosti vykonávat řídicí algoritmy s frekvencí smyček až ve stovkách kHz, průvodnímu paralelnímu provádění a spolehlivosti hardwaru, mohou být pole FPGA dokonalým řešením pro tuto aplikaci. Tento přístup ponechává další prostor k provádění komunikace a poskytování dat pro aplikace uživatelského rozhraní. Překonfigurovatelnost polí FPGA umožňuje uživatelům v případě potřeby řídicí algoritmus kdykoli upravit.

Modul FPGA aplikace NI LabView poskytuje grafické prostředí pro vývoj polí FPGA na komerčním hardwaru s nekonfigurovatelnými I/O (RIO) a umožňuje uživatelům vytvářet vlastní aplikace pomocí zabudovaných funkcí nebo stávajících jader HDL IP. Aplikace LabView se dobře hodí pro programování polí FPGA, protože přehledně znázorňuje paralelní zpracování a datový tok. IPNet (ni.com/ipnet) je partnerská stránka aplikace LabView FPGA pro vyhledávání, stahování a výměnu doplňkových algoritmů IP. Vektorové řídicí algoritmy pro LabView FPGA lze stáhnout bezplatně prostřednictvím sítě IPNet společnosti NI.

 Pro připojení algoritmů zabudovaných v FPGA k signálům reálného prostředí nabízejí zařízení CompactRIO a Single-Board RIO širokou paletu možností konektivity I/O a validované ovladače I/O pro čtení senzorů využívajících Hallův efekt a řízení výkonové elektroniky pohánějící motor. Zařízení NI Single-Board RIO je cenově dostupnou zabudovanou platformou na bázi OEM desek, která dokáže provádět stejný programový kód, jako byl vyvinut pro modulární platform CompactRIO. Toto kombinované řešení umožňuje návrhářským týmům rychle vytvářet prototypy zabudovaných systémů s pomocí modulárních a flexibilních zařízení CompactRIO a poté rychle opětovně programový kód zavést do cenově dostupného jednodeskového zabudovaného hardwaru. Dalšími přínosy tohoto řešení je kratší čas potřebný pro uvedení do provozu a vyšší spolehlivost strojů s validovaným aplikačním programovým vybavením.

Jedním z nejtěžších úkolů při navrhování zabudovaných řešení je úsilí věnované vytvoření, odladění a validaci softwarových sestav na úrovni ovladačů, které mají integrovat všechny hardwarové složky zabudovaného systému. Tradičně je tento integrační proces ponechán na uživateli, což komplikuje a prodlužuje proces návrhu zabudovaného systému. Ovladače aplikačního programového vybavení pro platformu RIO jdou nad rámec toho, co tradiční výrobci jednodeskových počítačů a dalších zabudovaných systémů nabízejí pro vyšší produktivitu a výkon a rychlejší uvádění na trh. Software ovladačů a další software konfiguračních služeb jsou obsaženy v každém zařízení podporovaném RIO.

Zabudované nástroje pro ovladače aplikačního programového vybavení analogovými, digitálními, polohovacími a komunikačními I/O a FPGA, přenosové funkce pro datovou komunikaci mezi FPGA a procesorem, metody pro rozhraní mezi FPGA/procesorem a pamětí, funkce pro rozhraní procesoru a periferií (sériové RS232, Ethernet) a multithreadové ovladače pro vysoký výkon. Zvýšení provozní účinnosti motorů může přinést významné úspory energie a nákladů a zajistit rychlou návratnost investic. Například zvýšení účinnosti o 5 % u jediného 370kW motoru provozovaného 8 000 hodin/rok může ročně ušetřit přes 12 000 dolarů a 170 kWh elektrické energie. Při posuzování modernizací řídicích systémů mějte na paměti, že po dobu životnosti motoru jsou náklady na energii obvykle o několik řádů vyšší než náklady na hardware.

Christian Fritz je produktový manager společnosti National Instruments pro polohování a mechatroniku. Kontaktujte jej na adrese christian.fritz@ni.com.

 

 

Autor: Christian Fritz, National Instruments


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

AMPER 2019
2019-03-19 - 2019-03-22
Místo: Výstaviště Brno
AMPER TOUR - komentované prohlídky
2019-03-19 - 2019-03-21
Místo: Výstaviště Brno
Údržba a diagnostika: Prediktivní údržba 4.0
2019-03-21 - 2019-03-21
Místo: Výstaviště Brno
HANNOVER MESSE 2019
2019-04-01 - 2019-04-05
Místo: Hannover, Německo
Údržba pro TOP manažery 2019
2019-04-10 - 2019-04-11
Místo: Konferenční centrum Akademie věd ČR – zámek Liblice

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI