Zvyšování účinnosti motorů pomocí algoritmů

-- 21.12.09 15:40

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.

Autor: Christian Fritz, National Instruments

Sponzorované odkazy

	4METAL.CZ - portál kovozpracujícího odvětví Skupina 4metal je sdružení kovozpracujících a strojírenských firem. Katalog firem, Burza strojů a materiálů, Burza práce, akce, aktuality, média. To vše na jedné adrese.
	All for Power - odborný časopis o energetice Časopis All for Power se zaměřuje na uhelnou a jadernou energetiku, plynárenství, teplárenství a energetické strojírenství. Medium přináší i racionální pohledy na OZE.
	Řízení a údržba průmyslového podniku Redaktoři časopisu průběžně sledují nejnovější trendy ve všech aspektech výroby v průmyslových závodech a přinášejí odběratelům informace, které potřebují pro udržení své konkurenceschopnosti.