Page 1 of 5 Techniline v3 27-08-2010 Mechatronics Machines verbruiken minder energie door slimme keuze elektrische aandrijving (27-08-2010) Nr. 0 Ecologische en economische motieven, zoals nieuwe machinenormen en hoge energiekosten, zorgen ervoor dat het energieverbruik van een machine reeds tijdens de ontwerpfase een cruciaal (en competitief) aspect wordt. Een aanzienlijk deel van dit verbruik komt op rekening van de elektrische aandrijving. FMTC toont hoe het gebruik van isorendementscontouren leidt tot de keuze van efficiëntere elektrische aandrijvingen (en bijgevolg tot een lagere energiekost). FMTC werkte voor dit onderzoek samen met de onderzoeksgroep ELECTA van de KULeuven en met HOWEST in Kortrijk. Onder druk van hoge energieprijzen en ingrepen van de overheid hechten klanten van machinebouwers steeds meer belang aan het energieverbruik van machines en installaties. Aangezien in veel machines de elektrische aandrijvingen dikwijls de belangrijkste verbruikers zijn, gaat er steeds meer aandacht uit naar de energie-efficiëntie van de desbetreffende elektrische motor. Bovendien wordt de elektrische motor in hedendaagse aandrijvingen meer en meer gecombineerd met een (snelheids)regelaar zodat de motor in verschillende werkingspunten (koppeltoerental) gebruikt kan worden. Het gamma aan commercieel beschikbare motoren en regelaars waaruit een machinebouwer kan kiezen, is uitgebreid. Voor een specifieke machine bestaat de uitdaging er bijgevolg in om een efficiënte (bij voorkeur de meest efficiënte) motor-regelaar combinatie te selecteren. Medio 2008 heeft FMTC op vraag van haar lidbedrijven een onderzoeksproject opgestart voor de ontwikkeling van technieken die de machinebouwer moeten helpen bij de keuze van de meest efficiënte motor-regelaar combinatie. Voor dit onderzoek werkt FMTC nauw samen met de onderzoeksgroep ELECTA van de KULeuven en HOWEST in Kortrijk. State of the art Ongeveer 60 procent van de elektrische energie in de industrie en dienstverleningssector binnen Europa wordt momenteel verbruikt door elektrische motoren, in hoofdzaak AC-gevoede asynchrone motoren. Om die reden is er hier reeds enige normering met betrekking tot energie-efficiëntie: voor asynchrone motoren geeft de internationale norm IEC 60034-30 aan tot welke efficiëntieklasse (IE1, IE2 of IE3) deze behoren en beschrijft de bijhorende norm IEC 60034-2-1 hoe die efficiëntie gemeten wordt. De efficiëntieklasse waartoe een motor volgens deze normen behoort, wordt bepaald door het gemeten rendement bij vollast terwijl de motor rechtstreeks aan het net gekoppeld is. Dit betekent wel dat de efficiëntie enkel bepaald is voor één bepaalde regimetoestand (nl. nominaal koppel en toerental), terwijl in vele machines koppel en toerental continu variëren of werken bij een andere dan de nominale toestand. De bestaande normen bieden dus geen oplossing om de efficiëntie te bepalen wanneer een regelaar deel uitmaakt van de aandrijving. Deze uitdaging is al langer onderkend in de automobielwereld waar de elektrische aandrijving in hybride wagens een zeer breed werkingsbereik (koppel en toerental) van de motor doorloopt. Daarom is men in deze sector gebruik beginnen maken van zogenaamde efficiëntiekaarten met isorendementscontouren. FMTC en haar partners onderzochten of deze techniek ook gebruikt kan worden in de sector van de machinebouw. Isorendementscontouren Een efficiëntiekaart van een elektrische aandrijving (motor met regelaar) toont de gemeten efficiëntiewaarden van die aandrijving als functie van koppel en toerental (aan de motoras), dus voor een groter werkingsgebied dan enkel maar voor nominaal koppel en toerental. Isorendementscontouren zijn in deze kaarten lijnen van gelijke efficiëntie. Een voorbeeld van een dergelijke kaart is getoond in onderstaande figuur. Meestal worden de contouren uitgezet voor een bepaald werkingkwadrant van de motor, zoals bv. in onderstaande figuur voor positieve snelheid en positief koppel. Op een gelijkaardige manier zouden de contouren uitgezet kunnen worden voor bv. negatief koppel en positieve snelheid (in dat geval is de motor trouwens in generatorwerking).
Page 2 of 5 Voorbeeld van een opgemeten efficiëntiekaart met isorendementscontouren voor een commerciële 7.5 kw asynchrone motor (klasse IE2) met commerciële regelaar (Bron: FMTC, ELECTA, HOWEST) Wanneer dergelijke contouren opgemeten en beschikbaar zijn voor bepaalde combinaties van motor en regelaar, dan kan de machinebouwer ze op een aantal manieren aanwenden om het energieverbruik van zijn/haar aandrijving te optimaliseren: Indien het een toepassing betreft met één of meerdere vaste werkingspunten (constant lastkoppel en snelheid), zoals bv. een transportband die aan 3 verschillende vaste snelheden kan draaien en waarbij de belasting constant is, dan kan de machinebouwer aan de hand van de isorendementscontouren de efficiëntie van elke combinatie in de verschillende werkingspunten evalueren. Op basis van die evaluatie kan de meest efficiënte combinatie voor de toepassing geselecteerd worden. Indien de toepassing het toelaat, kan de machinebouwer bovendien overwegen om koppel en snelheid van de toepassing aan te passen zodat een bepaalde combinatie in een efficiënter werkingspunt gebruikt wordt. Isorendementscontouren kunnen daarnaast ook aangewend worden voor toepassingen met een variabel lastprofiel, d.w.z. met continu variërend werkingspunt. Dit kan bv. een wasmachine zijn, waar het lastkoppel varieert door het verschuiven van het wasgoed in de trommel en waar de snelheid varieert tussen de verschillende fases van het wasproces. Metingen op een testbank tonen aan dat voor een (gekend) lastprofiel met versnellingen tot 30 rad/s2, de verbruikte elektrische energie door een bepaalde aandrijfcombinatie voorspeld kan worden aan de hand van de overeenkomstige isorendementscontouren. Op die manier kan het energieverbruik van verschillende mogelijke combinaties vergeleken worden en kan de meest efficiënte combinatie voor een specifieke toepassing gekozen worden. Meten van isorendementscontouren Er bestaan vooralsnog geen eenduidige rendementsnormen voor motoren met snelheidsregelaars. Efficiëntiekaarten met isorendemententscontouren zijn dus een aanzet in de goede richting. Daarom ontwikkelden FMTC, ELECTA en HOWEST een eenduidige procedure voor het opmeten van dergelijke contouren. De testbanken van ELECTA en HOWEST werden aangepast om deze metingen te kunnen uitvoeren. Onderstaande figuur toont het schema en een foto van de opstelling.
Page 3 of 5 Opstelling voor het opmeten van isorendementscontouren (Bron: ELECTA) Rekentools FMTC ontwikkelde een Matlab-tool dat toelaat om voor continu variërende lastprofielen het resulterende energieverbruik van een bepaalde motor-regelaar configuratie te voorspellen, op basis van de isorendementscontouren. Voor een lastprofiel dat bestaat uit een opeenvolging van statische werkingspunten, ontwikkelde HOWEST een Excel-tool met dezelfde functionaliteit. Toepassingen De opgestelde meetprocedure en de ontwikkelde Matlab- en Excel-tools laten de machinebouwer toe om inzicht te krijgen in de efficiëntie van zijn/haar huidige aandrijfconfiguratie (vergeleken met mogelijke alternatieven), of om in de ontwerpfase de energieprestatie van verschillende configuraties met elkaar te vergelijken en de optimale aandrijfconfiguratie vanuit energetisch standpunt te bepalen. Dit proces wordt geïllustreerd in onderstaande figuur. Aan de hand van de voorspelde waarden voor energieverbruik en de kostprijs van energie per kwh, kan de machinebouwer trouwens ook nagaan of een duurdere maar efficiëntere aandrijfconfiguratie zich op termijn al dan niet terugbetaalt.
Page 4 of 5 (Klik om te vergroten) Proces voor de selectie van de meest efficiënte motor-regelaar combinatie uit een aantal mogelijke opties, gegeven het lastprofiel van de toepassing. (Bron: FMTC, ELECTA, HOWEST) Dit proces werd toegepast voor de optimalisatie van de aandrijving van een industriële wasmachine. Op basis van het opgemeten lastprofiel werd het energieverbruik voor een aantal aandrijfconfiguraties berekend. Daarbij werd onder meer aangetoond dat de meest efficiënte configuratie voor deze toepassing een permanent-magneetmotor was. Er werd echter ook aangetoond dat de besparing aan energiekosten - voor deze toepassing - niet opweegt tegen de (huidige) meerkost van een permanent-magneetmotor (in vergelijking met een IE1 asynchrone motor waarvoor de berekening ook gemaakt werd). Conclusie Het gebruik van isorendementscontouren laat machinebouwers toe energie-efficiëntere machines ontwerpen. FMTC, ELECTA en HOWEST ontwikkelden een procedure om isorendementscontouren op te meten, alsook rekentools om voor een gegeven lastprofiel het energieverbruik te berekenen. Indien u mogelijkheden ziet van deze technologie, procedure en rekentools voor uw toepassing, kunt u gebruik maken van de ervaring die FMTC samen met haar onderzoekspartners in dit domein heeft opgebouwd. Bronnen Onderzoek FMTC, Energy Efficient Electrical Drives (eeedrives) GCO project (juli 2008 maart 2010) IWT-TETRA-project 80144: Energie-efficiënter aandrijven van elektrische motoren binnen de machinebouwwereld Contactpersoon: FMTC, Dirk Vanhooydonck E-mail dirk.vanhooydonck@fmtc.be Tel. +32 (0)16 32 80 36 Contactpersoon: Sirris, Anje Van Vlierberghe E-mail anje.vanvlierberghe@sirris.be Tel. +32 (0)498 91 93 74 Fax +32 (0)16 32 29 84 Contactpersoon: HOWEST, Kurt Stockman E-mail kurt.stockman@howest.be Tel. +32 (0)56 24 12 11
Page 5 of 5 Contactpersoon: ELECTA, Joris Lemmens E-mail joris.lemmens@esat.kuleuven.be Tel. +32 (0)16 32 86 20