MAKING MODERN LIVING POSSIBLE Energie-efficiëntie in gebouwenautomatisering, HVAC- en ventilatiesystemen Asynchrone motoren, EC of PM motoren? Overeenkomsten en verschillen in de toegepaste motortechnologie. Energie-efficiëntie, vermindering van de uitstoot van broeikasgassen en verlaging van het energieverbruik van HVACsystemen staan stevig in de belangstelling. Er is brede consensus over het belang van deze doelstellingen maar er is weinig overeenstemming over de wijze waarop deze doelen gerealiseerd kunnen worden. Geavanceerde toerenregeling met frequentieregelaars vormt in dit gebied één van de belangrijkste technieken voor toepassing in machines en apparatuur. Het is een snelle en effectieve methode om energiebesparing te realiseren. Het volledige besparingspotentieel van een elektrische aandrijving kan worden onderverdeeld in drie gebieden: 10 procent van de besparing wordt gerealiseerd door een meer efficiënte motor en circa 30 procent wordt gerealiseerd door de toepassing van moderne elektronische toerenregelaars. Het grootste potentieel ligt in de optimalisatie van processen en procedures in de installatie, hetgeen vaak uitsluitend mogelijk is in combinatie met toerenregeling. Het is daarom geen verrassing dat fabrikanten en gebruikers van apparatuur continu op zoek zijn naar nieuwe manieren om hun apparatuur zo energie-efficiënt mogelijk te maken met behulp van moderne motor- en frequentieregelaartechnologie. Energiebesparing in het gebruik van moderne airconditioning systemen Gebruikers zijn op zoek naar verbeterde energie-efficiëntie op het gebied van gebouwenautomatisering en klimaatbeheer als onderdeel van de bedrijfsvoering van moderne industriële, commerciële en particuliere gebouwen. Dit betreft vooral het verwarmings- en ventilatiesysteem met de airconditioning (AC) als potentieel speerpunt voor de realisatie van verbeterde energie-efficiëntie. In dit artikel wordt de rol van de elektromotor nader belicht. In de voorbije jaren zijn verschillende motortechnieken toegepast, afhankelijk van de benodigde prestaties. Fabrikanten passen in het vermogensbereik tot 0,75 kw vanwege de aanschafprijs vaak elektromotoren toe met inferieure efficiëntie, zoals spleetpoolmotoren. Deze motoren worden ook wel spaltpoolmotoren of shaded-pole motoren genoemd. Bij hogere vermogens wordt de standaard driefasen asynchrone motor het meest toegepast. Een alternatieve techniek werd ontwikkeld in de vorm van de permanentmagneet motor. Dankzij dalende prijzen en een hoog rendement doet deze techniek zich steeds meer gelden in de lagere vermogens. Motoren met permanente magneten worden vaak aangeduid als PM motoren. Afhankelijk van de toepassing worden verschillende namen en afkortingen gebruikt voor de verschillende PM varianten (zie fig. 1). De aanduiding PMSM' (Permanent Magneet Synchroon Motor) wordt vooral in industriële toepassingen gebruikt. Dit type motoren heeft, afhankelijk van het ontwerp, officieel vaak een andere benaming maar ze worden meestal allemaal aangeduid als "PM motoren". Pag. 1(7)
Fig. 1 <PM terminologie> Er zijn verschillende soorten elektromotoren met permanentmagneten. Een permanentmagneet motor produceert tijdens bedrijf een spanning die het tegen-emk wordt genoemd. De vorm van deze spanning is een onderscheidende factor van de verschillende motoruitvoeringen. De BLDC motor (borstelloze gelijkstroommotor) wordt vaak een EC motor genoemd. Wanneer PM motoren worden toegepast in gebouwenautomatisering of ventilatiesystemen zijn ze tegenwoordig vaak van de BLDC variant (Brushless Direct Current = borstelloze gelijkstroom). Gebruikers komen deze motoren in de praktijk echter meestal tegen onder de benaming "EC motor" (Electronically Commutated = Elektronische Commutatie). Een gemeenschappelijk kenmerk van de verschillende PM motoren is dat voor hun werking besturingselektronica vereist is. Sommige fabrikanten bieden PM motoren aan die in staat zijn om rechtstreeks op het voedend net te draaien. Dit type motoren is voorzien van een hulpwinding, hetgeen leidt tot een hogere prijs en een duidelijk lagere efficiëntie. Het rendement van een PM motor is typisch tussen 1 en 10 procent beter dan die van een driefasen asynchrone motor vanwege de toepassing van permanentmagneten. Dit verschil is voornamelijk afhankelijk van de kwaliteit van de desbetreffende asynchrone motor waar mee wordt vergeleken en het vermogensgebied dat wordt beoordeeld. Als het vermogen toeneemt wordt het rendementsverschil tussen beide motortypen kleiner. Een vergelijking met de minder efficiënte spleetpoolmotoren of andere spanningsgeregelde motoren in het vermogensgebied onder 1 kw wordt regelmatig gebruikt in publicaties van fabrikanten. In een dergelijke vergelijking is het rendementsverschil duidelijk groter dan de hierboven aangegeven waarden. Het is daarom geen verrassing dat er een trend gaande is naar het gebruik van permanentmagneet synchroonmotoren, los van de vraag of ze EC of PM motoren worden genoemd. Deze motortypen hebben elk hun voordelen en nadelen wanneer het gehele aandrijfsysteem wordt beoordeeld. In de volgende secties wordt de aanduiding "EC" gebruikt voor BLDC motoren (borstelloze gelijkstoom) en de aanduiding "PM" voor PMSM motoren (permanentmagneet synchroonmotoren) en daar van afgeleide varianten. Pag. 2(7)
MEPS de nieuwe verplichte richtlijn voor asynchrone motoren In Europa omschrijft EU Directive 640/2009 de verplichte minimale efficiëntie van driefasen asynchrone motoren. De afkorting MEPS staat voor Minimum Efficiency Performance Standards. Tot 2017 is een stapsgewijze toename gepland van de vereiste motorefficiëntie. De invoering van MEPS moet bijdragen aan een reductie van de hoeveelheid verbruikte energie. De regels gelden uitsluitend voor nieuwe driefasen asynchrone motoren die na de aangegeven ingangsdata in de EU op de markt worden gebracht. Voor bestaande installaties geldt dat deze gewoon in bedrijf mogen blijven. De EU-richtlijn noemt IE2-motoren in combinatie met een frequentieregelaar als alternatief voor de hogere IE3-klasse, aangezien door toepassing van toerenregeling vaak meer energie bespaard kan worden dan met het verhogen van het rendement van één enkele component. Dit gegeven is niet nieuw voor de HVAC-sector en om deze reden worden frequentieregelaars in deze sector al lange tijd toegepast. Een verbetering van de efficiëntie van driefasen asynchrone motoren in de klassen boven IE3 is bijzonder kostbaar. De EC en PM motoren vormen hier een goed alternatief. Enerzijds vallen deze motoren niet onder huidige richtlijn en anderzijds reduceren ze voor de gebruiker de operationele kosten dankzij hun hoge efficiëntie. EC en PM motoren: overeenkomsten en verschillen De EC motor is een goed voorbeeld van de verscheidenheid en verschillende aanduidingen van motoren die zijn voorzien van permanente magneten. EC motoren worden in industriële toepassingen vaak toegepast in de vorm van servomotoren en stappenmotoren in een vermogensgebied tot ca. 300 Watt bij een voedingsspanning van 24V. De BLDC (borstelloze gelijkstroom) motoren werden bij hun introductie in de ventilatortechniek eerst ingezet als vervanging van eenvoudige low-efficiency spleetpoolmotoren. De fabrikanten van BLDC motoren hebben het principe verder ontwikkeld en toegepast op andere motorprincipes met een hogere efficiëntie. Inmiddels zijn BLDC motoren met een vermogen tot 6 kw beschikbaar. Elektromotoren met permanentmagneten hebben geen aparte bekrachtigingswikkeling nodig vanwege de geïntegreerde permanente magneten. Daarentegen moet de rotorpositie continu bekend zijn voor correcte motoraansturing. Hiervoor zijn twee oplossingen mogelijk: Met rotorpositie-terugkoppeling De actuele rotorpositie wordt door een sensor gedetecteerd en doorgegeven aan de besturingselektronica. De benaming hiervoor is closed loop", d.w.z. een gesloten regelkring. Zonder rotorpositie-terugkoppeling Indien de motor geen terugkoppeling geeft van de rotorpositie wordt de actuele rotorpositie berekend door de besturingselektronica. Dit wordt uitgevoerd op basis van meting en analyse van de motorstroom. Deze uitvoering wordt aangeduid als "open loop" of "sensorless", d.w.z. een sturing zonder terugkoppeling. Een elementair verschil tussen EC en PM motoren is de vorm van het tegen-emk dat door de motor wordt opgewekt. In het geval van generatorbedrijf zal een permanentmagneet motor een spanning produceren (het zogenaamde tegen-emk). Om optimale sturing en Pag. 3(7)
regeling van een dergelijke motor mogelijk te maken, moet de motorcontroller (zoals een frequentieregelaar) de vorm van de aangeboden spanning zo goed mogelijk overeen laten komen met de vorm van het door de motor opgewekte tegen-emk. Aangezien borstelloze gelijkstroommotoren, de BLDC motoren, een trapeziumvormig tegen-emk laten zien, worden ze gevoed met geschakelde spanningsblokken, de zogenoemde blokcommutatie. Permanentmagneet synchroonmotoren (PMSM) hebben een sinusvormig tegen-emk en worden daarom aangestuurd met een sinusvormige spanning (sinuscommutatie) (zie fig. 2). Fig. 2 <Commutatie> Voor optimale regeling van een PM motor moet de regelaar de vorm van de voedende spanning zo goed mogelijk aanpassen aan de vorm van het tegen-emk. Voor BLDC motoren (vaak EC motoren genoemd) wordt blokcommutatie toegepast vanwege het trapeziumvormig tegen-emk. Vanwege de nadelen van blokcommutatie (zoals koppelrimpel, hogere ijzerverliezen en geluidstoename) maakt een toenemend aantal EC motoren gebruik van aansturing op basis van sinuscommutatie. Een ander klassiek verschil tussen EC en PM motoren is de wijze waarop de rotorpositie wordt bepaald. Terwijl in de PM motoren in industriële toepassingen meestal sensoren zoals resolvers of SinCos opnemers worden toegepast maken fabrikanten van EC motoren normaliter gebruik van Hall sensoren. Tegenwoordig zijn voor beide motortypes regelalgoritmes beschikbaar die de motor laten functioneren zonder opnemers, dus zonder terugkoppeling. De efficiëntie van EC en PM motoren is vergelijkbaar (zie fig. 3). Het vaak aangehaalde voordeel van de EC motor is in veel gevallen een vergelijking met de minder efficiënte spleetpoolmotoren of andere spanningsgeregelde motoren in de lagere vermogens beneden 1 kw. Pag. 4(7)
Fig. 3 <Efficiëntie> Gegevens omtrent rendementsniveaus zijn vaak onvoldoende voor een volledig energie-assessment. De curves laten gemeten rendementsniveaus zien (inclusief verliezen van besturingselektronica) van EC (BLDC), PM (SPMSM) en IE2 (driefasen asynchroon) motoren met een vermogen van 1.1 kw en de bijbehorende verliezen. Volgens de meting biedt de EC motor een efficiëntievoordeel ten opzichte van de PM motor in het lagere toerengebied. Uitgedrukt in Watt is het verschil relatief gering. De PM motor heeft hetzelfde rendementsvoordeel in het hogere toerengebied maar de absolute verschillen, uitgedrukt in Watt, zijn aanzienlijk groter. In principe blijken de rendementsniveaus van PM en EC motor vergelijkbaar te zijn wanneer het gehele toerenbereik wordt beschouwd. Een duidelijk verschil tussen de EC motoren van gebouwenautomatisering en ventilatiesystemen enerzijds en PM motoren, of zelfs EC motoren in andere industrieën anderzijds, is het ontwerp van de elektromotor. De term EC motor wordt in de HVAC-sector gebruikt voor compacte BLDC motoren met een zogenaamde externe rotor en geïntegreerde besturingselektronica. In het geval een interne rotor is de draaiende rotor geplaatst binnen de stilstaande stator. In het geval van een externe rotor zijn deze rollen omgedraaid. De stilstaande stator is in het midden geplaatst en de rotor draait om de stator heen. (zie fig. 4). Fig. 4 <Afbeelding van interne rotor / externe rotor> In het geval van een interne rotor is de rotor in de stator geplaatst. In het geval van een externe rotor of buitenrotor is de stator vast gemonteerd aan de binnenzijde en draait de rotor om de stator. Pag. 5(7)
In tegenstelling tot gebouwenautomatisering wordt bij PM motoren het klassieke ontwerp met de interne rotor het meest toegepast. Naast servomotoren die geoptimaliseerd zijn voor hoogdynamisch bedrijf, biedt een aantal fabrikanten PM motoren aan in standaard IEC maten. Vanwege de hogere energiedichtheid van PM motoren in vergelijking met asynchrone motoren kan een PM motor, qua afmetingen, vaak tot twee maten kleiner zijn bij hetzelfde vermogen. (zie fig. 5). Fig. 5 <Afbeelding van ventilator> Vergelijking van een 4 kw driefasen asynchrone motor met een 4kW PM motor. Aangezien de vermogensdichtheid van een PM motor ongeveer 1,5 tot 2 keer groter is dan van een driefasen asynchroonmotor kunnen PM motoren bij vergelijkbaar vermogen in een kleiner IEC frame worden gebouwd. Regelprocessen en de invloed op het werktuiggedrag Een voordeel van EC motoren is gelegen in de relatief eenvoudige en goedkope elektronica. Dankzij de lage schakelfrequentie van een EC motor kan een fabrikant goedkopere IGBT-varianten toepassen met hogere schakelverliezen. Om deze elektronica te kunnen toepassen moet de motor een trapeziumvormig tegen-emk opwekken. Afwijkingen van deze spanningsvorm leiden tot hogere verliezen en koppelrimpel zoals eerder genoemd. Evenals voor de regelelektronica van de PM motoren geldt dat de motorprestaties afhankelijk zijn van de toegepaste regelalgoritmes en de benodigde processorcapaciteit. De meer complexe regelaars van PM motoren zijn hier vaak in het voordeel. In de praktijk zijn de prestaties van beide systemen afhankelijk van de wijze waarop ze door de fabrikant zijn geconfigureerd. In die zin bestaan er eigenlijk geen vaste karakteristieken voor dit type elektromotoren, in tegenstelling tot een asynchrone motor die bijvoorbeeld een vaste koppeltoerenkromme heeft. Wanneer een driefasen asynchrone motor rechtstreeks op het voedend net wordt gestart, volgt de motor een specifieke curve die door een fabrikant wel enigszins beïnvloed kan worden maar niet fundamenteel kan worden veranderd. Een EC of PM motor kan zonder elektronica niet rechtstreeks op een netvoeding worden toegepast. Het regelgedrag in belaste situatie wordt bepaald door de besturingselektronica en de daarin aanwezige regelalgoritmes. Pag. 6(7)
De optimale motortechnologie is afhankelijk van het toepassingsgebied en het benodigd vermogen Vanwege de hoge efficiëntie zijn permanentmagneet motoren essentieel in de ontwikkeling van energie-efficiënte installaties. Deze technologie wordt al toegepast in gebouwenautomatisering in de vorm van EC motoren (BLDC motoren). Het voordeel in energie-efficiëntie is enorm, voornamelijk in lage vermogens. Als de efficiëntie toeneemt, hebben sommige eigenschappen van BLDC technologie een negatieve invloed in vergelijking met de PMSM tegenhanger. Om deze reden hebben ontwerpers onderdelen van de PMSM technologie (zoals sinuscommutatie) overgeheveld naar de BLDC motor. In de praktijk zijn de verschillen tussen EC en PM motoren echter vaak academisch. De discussie kan in veel gevallen worden teruggebracht tot de voor- en nadelen van een interne danwel externe rotor en de toepassing van externe frequentieregelaars danwel frequentieregelaars die zijn geïntegreerd in de elektromotor. In de toekomst zullen naar verwachting in de HVAC-markt overwegend de drie volgende motorvarianten worden toegepast: de EC motor met geïntegreerde elektronica in de lage vermogens (tot circa 0,55/0,75 kw); de PM motor met ingebouwde of externe elektronica in het middengebied (tot circa 11/22 kw); en de driefasen asynchrone motor met frequentieregeling in de hogere vermogens. Een exacte afbakening van deze vermogensranges is moeilijk aan te geven en de toepassingsgebieden van de verschillende technieken zullen elkaar dan ook waarschijnlijk blijven overlappen. Een belangrijke factor in de toepassing van de verschillende aandrijftechnieken zijn de geboden voordelen van de individuele motortechnieken met bijbehorende besturingselektronica en hun invloed op het functioneren van het volledige systeem. Naast de ontwikkeling van de materiaalkosten van koper en permanentmagneten zal het al dan niet toepassen van driefasen asynchrone motoren in de toekomst een grote invloed hebben op de haalbare efficiëntie van elektromotoren. Michael Burghardt Produktmanager VLT HVAC Drive Danfoss GmbH VLT Antriebstechnik Offenbach/Main www.danfoss.nl Pag. 7(7)