Zwiększenie efektywności silnika z kontrolą współczynnika mocy

"Globalne ocieplenie, emisja dwutlenku węgla i racjonalizacji zużycia energii" stają się głównymi aspektami wytwarzania w sektorze przemysłowym. Wraz ze stale rosnącymi kosztami energii rosną koszty ogólne, co powoduje konieczność bardziej efektywnego wykorzystywania energii elektrycznej. W samych Stanach Zjednoczonych do działalności wytwórzej wykorzystuje się ponad 40 mln. silników elektrycznych. Stanowi to 65-70% przemysłowego zużycia energii i około 57% ogólnoświatowego zużycia energii. Nawet kilkuprocentowe oszczędności na świecie dają ponad 16 tysięcy terawatogodzin (TWh) w ciągu roku.

Rządy na całym świecie są naciskane poprzez uregulowania prawne na zwiększenie efektywności silników elektrycznych. W Stanach Zjednoczonych 19 grudnia 2007 roku przez Prezydenta Busha został podpisany dokument EISA, który 19 grudnia 2010 wszedł w życie. Zgodnie z jego zapisami producenci silników nie mogą wypuszczać na rynek silników o mniejszej wydajności niż na tabliczkach znamionowych. EISA ma zastosowanie zarówno do silników IEC jak i NEMA. Brazylia i Chiny posiadają już lub planują wprowadzenie tego typu standardów. Wiele aplikacji wykorzystuje silniki przewymiarowane w stosunku do wymaganego obciążenia. Niektóre aplikacje wykorzystują pełną prędkość działania a niekiedy sterowanie prędkością wykonywane jest w sposób mechaniczny. Tego typu wdrożenia aplikacji silnikowych powodują duże straty energii. Obecnie średnia sprawność silnika elektrycznego przekracza 88%. Nowe silniki mogą zmniejszyć zużycie energii elektrycznej o nie więcej niż 10%, nawet w optymalnych warunkach, czyli przy pełnym napięciu. Użytkownicy przemysłowi silników przekonują się, że dalsze oszczędności energii mogą być realizowane przy użyciu elektronicznej kontroli prędkości (falowniki), które mogą zmniejszyć straty energii o 30%, a energii mechanicznej o 60%. Według Departamentu Energii 44% silników przemysłowych działa na 40% obciążeniu, a zatem działają nieefektywnie. Zarządzanie prędkością silnika i momentem obrotowym przekłada się bezpośrednio na zarządzanie poborem mocy.

Projektanci silników elektrycznych obecnie chcą zwiększyć efektywność energetyczną poprzez Power Control Factor (PFC). Wykorzystując elektronikę do regulacji prędkość wyjściowych silnika do wymaganego mechanicznego obciążenia z dodatkiem PFC zwiększa wydajność napędu poprzez korekty faz i wykorzystywanego prądu. Współczynnik mocy jest określany jako stosunek między chwilowym napięciem i wykorzystywanym prądem. Kiedy współczynnik ten wynosi 1 (maksymalny), zarówno napięcia jak i prąd są całkowicie w fazie ze sobą. Dzieje się tak wtedy, gdy obciążenie jest czysto rezystancyjne. Jeśli prąd i napięcie nie są we wspólnej fazie współczynnik jest mniejszy. Dzieje się tak w przypadku silnika. To obciążenie indukcyjne powoduje warunek fazy. Tak więc moc nie będzie wykorzystywana w sposób optymalny. Ponieważ napięcie na wejściu jest stałe, prąd wzrasta aby skompensować to przesunięcie fazowe i dostarczyć niezbędne mechaniczne wymagania zasilania. To nie tylko ta sytuacja powoduje wzrost kosztów, także konieczność używania przewodów o większej przepustowości prądu oraz większych wyłączników. Wreszcie więcej generuje się ciepła w krótszym czasie operacyjnym. Dzięki analizie PFC współczynnik mocy przyniesie mniejsze zużycie energii i niższe koszty realizacji i utrzymania projektów, a także dłuższy czas pracy silnika.

Rodzaje kontroli współczynników mocy
Classic Power Factor Control (PFC) były wykorzystywane w pojedynczych napędach. Ostatnio Interleave Power Factor zyskała duże zainteresowanie w środowisku silników. Każdy z tych typów PFC ma wyraźne korzyści. Przyjrzyjmy się bliżej, co każdy z nich ma do zaoferowania.

KOSZTY
Dławiki
Pojedynczy impuls PFC wymaga pojedynczej cewki ładowania oraz włącznik. Jednak w dużych aplikacjach silnikowych wielkość cewki staje się bardzo duża. Dodatkowo większe cewki powodują większe straty energii, są nieporęczne i kosztowne ze względu na duże ilości miedzi.
Interleave PFC posiada dwa równoległe punkty pobudzenia w odstępie 180 stopni od siebie. Powoduje to możliwość stosowania mniejszych dławików doładowania. Do tego są jednak potrzebne dwa małe transformatory. Ta unikalna technika zmniejsza zarówno prąd wejściowy jak i wyjściowy. Mniejsze tętnienie prądu powoduje zmniejszenie ogólnej wielkości pobudzenia cewki EMI. Tym samym niższych kosztów systemów.

Kondensatory
W zależności od dopuszczalnych tętnień prądu silnika, pojedyncze impulsy cewki wymagają dużej ilości kondensatorów elektrolitycznych do płynnej obsługi prądu z PFC. Interleave PFC posiada o połowę mniejsze wymagania co do ilości prądu z kondensatorów w porównaniu do topologii jednostopniowej. To zmniejszenie prądu może doprowadzić do zmniejszenia o 25% pojemności kondensatorów.

Złożoność
Pojedyncze układy PFC są obsługiwane przez wiele różnych kontrolerów. Tak jak w dojrzałych technologiach i zaawansowanych projektach dąży się do maksymalnego zmniejszania obwodów pomocniczych (np. elementów dyskretnych), niezbędnych do zrealizowania potrzeb kontrolerów. Dlatego też ten typ układów jest prosty do wdrożenia.
Wcześniej, projektowanie Interleave PFC był dość skomplikowany i wymagał dużej ilości obwodów analogowych. Jednak firma Texas Instruments zaprojektowała topologię znacznie prostszą w użyciu. Mimo zwiększenie zapotrzebowania na elementy dyskretne niż w pojedynczych układach PFC, oba obwody wzbudzenia są identyczne, co powoduje proste projektowanie.

Efektywność
Zarówno pojedynczy jak i podwójny obwód wzbudzenia powoduje zwiększenie wydajności silnika w zakresie napięcia wejściowego ±10%.

Większa gęstość mocy i rozmiar
Redukcja wielkości i masy dławików, wraz z niższymi wymaganiami pojemności kondensatorów dale Interleave wyraźną przewagę nad pojedynczym układem PFC. Tak więc, integracja kilku silników jako jeden napęd staje się technicznie wykonalna.

Rozwiązania modułów zasilania
Vincotech ® GmbH - wiodący producent modułów opartych na IGBT i Mosfet - posiada szeroka gamę rozwiązań dla modułów PFC. Obojętnie, które rozwiązanie się przyjmie, dla obu jest dostępny odpowiedni moduł. Na podstawie tych dwóch technik, projektant może dobrać moduł, który jest oparty na węglikach krzemu lub inny tańszy. Odpowiedni wybór układu pracy będzie podstawą do spełnienia zaprojektowanych częstotliwości włączania, strat i kosztów.

Wnioski
Rynek przemysłowy dąży do zastąpienia starych, nieefektywnych silników i dostarcza korzystniejsze i lepsze rozwiązania pod kątem regulacji prędkości obrotowej przy zachowaniu wysokiej wydajności. Producenci oferujący silniki z kontrolą współczynnika zasilania współpracują z klientami w celu zaspokajania ich potrzeb odnośnie efektywności energetyczne, niskich kosztów wdrożeń i elastyczności.