가변 속도 드라이브를 통한 에너지 효율성(2부)

이 블로그 시리즈의 두 번째 파트에서는 ​​Control Techniques의 수석 엔지니어가 가변 속도 드라이브를 사용하여 에너지 효율성을 높이는 방법을 자세히 살펴봅니다.

이전 블로그에서는 드라이브 및 해당 애플리케이션의 효율성에 대한 개요와 특정 애플리케이션에서 속도 및 토크 조합 패턴이 드라이브에 미치는 영향에 대한 개요를 제공했습니다. 이제 제안된 EU 규정 및 관련 표준이 성능 및 데이터 제공에 대한 표준을 설정하여 최종 애플리케이션의 에너지 효율성을 개선하려고 시도하는 방법을 살펴봅니다. 여기에는 드라이브용으로 제안된 새 IE 클래스가 포함됩니다.

드라이브 효율성에 대한 표준 및 제안된 EU 규정

EN 50598 파트 1에서 3[1]인 가능한 미래 규정에 대한 출발점으로 작성된 유럽(CENELEC) 표준 세트가 있습니다. 이는 모터에 사용 가능한 국제 표준(IEC)의 기초로 적절한 시기에 사용될 것입니다. EU 규정은 EN 50598-2의 IE 클래스 정의를 사용할 가능성이 높습니다.

이 표준 제품군 중 3부에서는 제품에 사용된 재료와 최종 폐기가 환경에 미치는 영향을 강조하면서 일반적으로 환경을 고려한 설계를 다룹니다. 그것은 이 블로그의 범위를 벗어납니다. 1부에서는 모터와 드라이브를 통합하는 완전한 시스템의 설계를 다룹니다. 실제 목적이 개별 부품을 개별적으로 취하는 것이 아니라 최종 애플리케이션에서 에너지를 가장 잘 사용하도록 하는 것일 때, 단독으로 취한 특정 제품의 에너지 효율에 불가피하게 적용되는 제품 표준에 대한 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다. 이전 블로그에서 다룬 문제를 설명하지만 더 자세히 설명하고 2부에서 더 자세히 정의된 대로 드라이브에 대한 데이터를 사용하여 전체 시스템의 에너지 효율성을 평가하는 방법론을 설정합니다. 1부는 의도한 것입니다. 특정 최종 애플리케이션의 에너지 효율성에 대해 작업하는 기술 위원회에서 사용합니다. 이를 EPA(Extended Product Approach)라고 합니다. 1부에는 시스템 디자이너를 위한 유용한 튜토리얼 자료가 포함되어 있습니다.

파트 2는 EN 50598-2라고 하며 미래 규정의 기초가 될 가능성이 있는 드라이브, IE 등급에 대한 에너지 효율성 지표를 제공합니다. 규정 [2]는 EU 시장에 출시되는 제품으로 드라이브에 적용됩니다. 우리는 이전에 드라이브의 에너지 영향이 자체 에너지 소비(손실)를 훨씬 초과한다는 것을 확인했습니다. 이는 최종 애플리케이션의 다른 구성요소에서 상당한 에너지 절약을 가능하게 하기 때문입니다. 이 규정은 다양한 최종 응용 분야를 예상할 수 없으므로 드라이브 제조업체가 구매자에게 제공해야 하는 데이터를 정의하는 것을 목표로 합니다. 이 데이터는 EPA에 사용되는 "반 분석 모델"을 형성합니다.

규정 및 표준을 만드는 책임이 있는 그룹은 적절한 위치에서 드라이브를 사용할 때의 에너지 이점이 손실보다 훨씬 크다는 것을 잘 알고 있으며 표준을 단순하고 실용적으로 유지하는 것을 목표로 했습니다. 상당히 긴 문서이지만 자료의 대부분은 손실의 원인과 사용할 수학적 모델에 대한 자세한 설명입니다. 이 주제에 대해 더 알고 싶다면 읽어보기를 권장합니다.

요약하면 표준에 따라 드라이브 제조업체는 다음을 제공해야 합니다.

• 정격 토크 생성 전류 및 정격 출력 주파수의 90%를 사용하는 특정 작동 지점의 손실을 기반으로 하는 IE0 ~ IE2 범위의 드라이브 에너지 효율 등급입니다. PWM 스위칭 주파수는 정격 전력이 최대 90kW인 경우 4kHz로, 90kW 이상인 경우에는 2kHz로 고정됩니다. 기준선 IE1 클래스를 정의하는 "기준 손실"은 인버터 정격에 따라 다르지만 5kW ~ 75kW 범위의 정격에 대해서는 피상 출력 전력의 약 5%입니다. IE2 클래스 손실은 IE1의 약 절반입니다.
• 토크 생성 전류와 출력 주파수의 다음 9가지 조합으로 구성된 매트릭스에 대한 전력 손실을 보여주는 데이터:

이 규정은 EU에서 클래스 IE0 드라이브의 판매를 금지하고 클래스 IE1 드라이브의 금지 기간을 설정할 가능성이 있습니다. 이 표준에는 IE2를 넘어 가능한 미래 클래스에 대한 조항이 포함되어 있지만 더 나아가려고 하면 이점이 거의 없습니다.

필요한 데이터 매트릭스의 목적은 이전 블로그에서 논의하고 EN 50598-에서도 설명된 바와 같이 특정 토크/속도 특성 및 부하 패턴을 고려하여 사용자가 애플리케이션의 에너지 손실을 예측할 수 있도록 하는 것입니다. 1.

드라이브 시스템의 에너지 효율성을 개선하기 위한 실용적인 방법

전체 프로세스 이해

에너지 효율성을 최적화하기 위해 속도 제어 애플리케이션의 가장 중요한 측면은 프로세스가 최적화되고 출력이 무엇이든 필요에 따라 초과 없이 사용할 수 있도록 제어 기능을 올바르게 설계하는 것입니다. 드라이브 시스템 설계자의 주요 기술은 모터 속도 및/또는 토크가 프로세스에 적절하게 설정되도록 전체 프로세스를 충분히 이해하는 것입니다. 이전 블로그의 표 1에서 이 예에서 모터와 드라이브의 손실은 출력의 20.7%에 불과한 반면 변속기와 액추에이터는 56%임을 알 수 있습니다. 10% 모터 손실은 정격이 약 7.5kW인 최신 IE3 클래스 모터의 전형이며 이를 많이 개선하기 어렵습니다. 드라이브 손실은 다소 사소합니다. 그러나 드라이브 엔지니어는 전체 시스템을 개선할 기회를 찾을 수 있습니다. 변속 변속기가 필요하지 않도록 모터와 액추에이터가 결합된 새로운 디자인을 살펴보겠습니다. 이것은 모터의 기본 속도를 변경하기 위해 드라이브 기능을 사용하여 가능하게 할 수 있습니다. 이 경우 표 1은 다음과 같습니다.

효율은 이제 56.5%에서 67.9%로 향상되고 손실은 출력의 76.7%에서 47.3%로 감소했습니다.

이 경우 우리는 주 전원 주파수와 모터의 극 수에 의해 결정되는 제한된 수의 기본 속도에서 벗어나기 위해 드라이브의 기능을 사용했습니다. 드라이브는 또한 다양한 프로세스 센서의 입력을 사용하여 시스템의 실제 작동 조건에 맞게 속도를 최적화할 수 있도록 프로그래밍 가능한 제어 기능을 갖추고 있습니다. 마지막으로 드라이브는 실제 부하에 따라 모터의 작동 조건을 최적화하도록 작동할 수도 있습니다.

모터 제어 최적화 – 자속 밀도

IE3 등급 4극 모터의 전 부하 손실은 0.75kW 정격의 경우 14.5%에서 185kW 이상의 정격의 경우 3.8% 범위에서 다양합니다. 널리 사용되는 5.5kW~55kW의 에너지 집약적 범위에서는 약 6%입니다. 여기서 더 개선할 여지가 많지 않은 것 같습니다. 손실의 대부분은 작동 전류와 관련된 구리(도체) 손실이며, 이는 어떠한 구동 기능으로도 개선할 수 없습니다. 고부하에서 개선할 수 있는 가장 좋은 범위는 영구자석 모터를 사용하여 모터 역률(cos f)이 1에 가까우므로 전류가 감소하도록 하는 것입니다.

그러나 작동 토크가 정격 값보다 훨씬 낮은 경우가 많기 때문에 모터의 고정 손실을 다시 살펴볼 가치가 있습니다. 이것은 정상적인 전달이 가능한 최대값보다 작은 팬 또는 펌프 응용 프로그램이나 토크가 일반적으로 가능한 최대값보다 작은 일정한 토크 응용 프로그램에 있을 수 있습니다. 이 경우 작동 전압에서 모터의 자속 밀도는 필요한 토크를 달성하는 데 필요한 것보다 높으며 자성강의 고정 손실은 공급 전압과 자속 밀도를 줄임으로써 줄일 수 있습니다.

가능성에 대한 대략적인 아이디어를 얻으려면 일반적으로 50% 정격 속도와 25% 정격 토크로 실행되는 팬 애플리케이션을 예로 들어 보겠습니다. 따라서 전력은 12.5%에 불과합니다. 모터 자기 고정 손실은 정격의 2%로 사소한 것 같습니다. 그러나 이것은 실제로 정상 소비 전력의 16%입니다. 전류를 크게 증가시키지 않고 전압을 50%까지 줄이는 것이 가능할 것이므로 고정 손실이 소비의 약 4%로 감소됩니다. 손실 감소량은 정격 전력에 비하면 미미하지만 실제 평균 운전 전력과 비교하면 상당해지며, 이는 오너의 전기요금을 결정짓습니다.

가변 토크 애플리케이션에서 모터 자속 밀도를 제어하는 ​​전통적인 방법은 V/F 비율이 모터 자속 밀도를 결정하는 2차 V/F 모드입니다. 부하가 속도의 제곱에 비례하는 토크인 2차적 부하가 있고 부하 토크 과도 현상이 없다면 잘 작동합니다.

일정한 토크 애플리케이션의 경우 제어 기술 Dynamic V/F 기능이 매우 효과적입니다. 이것은 전압을 모터 전류에 능동적으로 적응시킴으로써 작동합니다. 부하의 토크/속도 특성에 대한 가정 없이 부하 토크가 감소할 때 자속이 효과적이고 자동으로 약해지는 장점이 있습니다. 그러나 부하 토크의 급격한 증가는 여전히 빠른 반응을 가져오고 자속이 빠르게 증가하여 모터가 실속될 가능성이 없습니다.

모터 제어 최적화 – 스위칭 주파수

인버터 구동 PWM 스위칭은 부하와 크게 독립적인 모터의 손실을 증가시킵니다. 즉, 추가 고정 손실입니다. 스위칭 주파수가 높을수록 모터의 추가 손실은 낮아지지만 인버터의 전류 종속 스위칭 손실은 높아집니다. 전체 부하에서 EN 50598-2의 개발에서 수행된 연구에 따르면 90kW 미만의 IE3 모터와 정격 부하에서 함께 드라이브의 최상의 전체 효율은 스위칭 주파수가 약 4kHz일 때 제공되며 곡선은 상당히 얕은. 이것이 표준에 대한 손실 측정이 이러한 스위칭 주파수에서 이루어지는 이유입니다.

그림 1은 전체 부하(FL)와 절반 부하(HL) 모두에서 스위칭 주파수가 변할 때 소형 모터와 드라이브에서 발생하는 손실의 예를 보여줍니다.

이 예에서 전체 부하에서 최상의 스위칭 주파수는 약 5kHz이고 반부하에서는 약 7kHz입니다. 그 이유는 주어진 주파수에서 구동 손실이 부분 부하에서 더 낮기 때문입니다. 스위칭 주파수를 모터 전류에 적응시키는 드라이브는 부분 부하 효율을 향상시킬 수 있으며, 이는 부분 부하에서 많은 시간을 소비하는 애플리케이션에서 다시 한 번 가치가 있을 수 있습니다.

제어 기술 Unidrive M 드라이브에는 자동 스위칭 주파수 적응 기능이 있습니다. 드라이브는 사용자가 지정한 가장 높은 스위칭 주파수에서 가능한 한 작동하지만 드라이브 손실이 너무 높아지면 감소합니다. 이는 과도한 드라이브 손실이 발생하지 않는 한 모터의 스위칭 손실이 최소화된다는 것을 의미합니다.