Efficiëntie van driefasen asynchrone motoren

VV10 672-675
15-10-2008
09:47
elektrotechniek
Pagina 672
SinuMEC beperkt energieverlies door overdimensionering
Jorlan Peeters,
Christan van Dorst
Efficiëntie van driefasen
asynchrone motoren
De driefasen asynchrone motor wordt sinds mensenheugenis in uiteenlopende installaties toegepast. Hoewel de motor met een volle mechanische belasting efficiënt is, wordt deze niet altijd efficiënt toegepast. Kan
de efficiency van laag belaste motoren worden verbeterd of is dit een
utopie? SinuMEC verbetert de efficiency, bespaart energie en verlengt de
levensduur.
ENERGIE-EFFICIËNTIE
efficiëntie
motorefficiëntie
100 %
80 %
60 %
40 %
20 %
0%
0%
20 %
40 %
60 %
80 %
100 %
motorbelasting
1. Motorefficiëntiediagram
verliezen(%)
Wisselstroommotoren zijn de meest toegepaste motoren in
de markt. Ze kunnen worden ingezet voor tal van toepassingen, zoals machinebouw, HVAC-installaties, waterzuiveringinstallaties, grondverwerking, chemische industrie, voedingsmiddelenindustrie en olieverwerking. Helaas worden de motoren niet altijd efficiënt ingezet. Het overdimensioneren van
motoren is vaak een noodzakelijk kwaad om bijvoorbeeld
een zware last in beweging te krijgen.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
25
50
belasting(%)
luchtspleetverliezen
rotorverliezen
75
statorverliezen
ijzerverliezen
100
125
wrijvingsverliezen
2. Een indicatie van de motorverliezen, afhankelijk van de belasting (load).
Bij een lagere belasting van de motor worden de verliezen in de stator en
rotor gereduceerd. De ijzerverliezen blijven echter constant. Bij een lagere
belasting wordt het aandeel ijzerverliezen aan de totale verliezen groter.
672
oktober
2008
vv+
De efficiëntie van de asynchrone motor wordt vooral bepaald door de mate waarin een motor mechanisch wordt
belast (afbeelding 1). Voor het dimensioneren van motoren
wordt vaak de meest extreme situatie als uitgangspunt genomen. Hierbij wordt rekening gehouden met het maximaal
benodigd mechanisch vermogen tijdens opstarten en in bedrijf zijn van de motor. Zo is de motor van een roltrap uit
veiligheidsoverwegingen gedimensioneerd op het kunnen
opstarten van de roltrap wanneer deze vol met mensen
staat. Eenmaal in bedrijf zal de belasting van de motor echter maar 40 procent of lager zijn. In deze situatie werkt de
motor niet meer efficiënt.
Niet alleen de belasting van de motor is bepalend voor een
goede efficiëntie. Hogere harmonische stromen hebben ook
een negatief effect op de motorprestaties. Hogere harmonischen zijn een veelvoud van de grondharmonische (bijvoorbeeld 3e harmonische = 3 x 50 Hz) en worden veroorzaakt
door elektronische apparatuur, zoals pc’s, gelijkrichters, frequentieregelaars en spaarlampen. Hogere harmonischen
hebben ieder een specifieke draairichting en frequentie. Elke
harmonische wil de motor op een andere snelheid laten
draaien. Zo zal de 5e en 11e harmonische de motor in tegengestelde richting willen laten draaien. Hogere harmonischen,
aanwezig in de voeding, reduceren de efficiëntie en verhogen
de bedrijfstemperatuur van de motor.
De verliezen in de rotor en stator zijn afhankelijk van de
motorbelasting. De weerstand en stroom door de rotor zijn
afhankelijk van de slip. De verschillende verliezen die in de
motor optreden zijn:
• mechanische verliezen (worden groter naarmate de motor sneller draait);
• statorverliezen (afhankelijk van motor belasting);
• rotorverliezen (afhankelijk van de slip verwaarloosbaar bij
nullast);
• ijzerverliezen (redelijk constant bij verschillende motorbelastingen).
De cos phi van de motor is afhankelijk van de motorbelasting. Bij een lagere belasting van de motor verschuift de ver-
15-10-2008
09:47
Pagina 673
houding actief en inductief vermogen. Het inductief vermogen, opgenomen door de windingen in de motor, is niet
recht evenredig met het actief vermogen. Bij een lagere belasting zal de cos phi van de motor verslechteren (afbeelding 3).
METINGEN
power factor
100 %
80 %
60 %
40 %
De resultaten van een praktijkmeting op een motor in nullast en vollast (tabel 1) laten een duidelijk verschil zien. In
nullast bestaat het schijnbaar vermogen voornamelijk uit reactief vermogen. Dit verklaart tevens de slechte cos phiwaarde. De ijzerverliezen zijn direct gerelateerd aan het reactief vermogen en blijven redelijk constant.
Uit de grafieken (afbeelding 4 en 5) blijkt duidelijk dat als de
motor niet volledig is belast, er onnodig veel energie wordt
gebruikt door de ijzerverliezen.
ASYNCHRONE
cos phi
VV10 672-675
MOTOR
Tijdens het aanlopen van een asynchrone motor wordt er
gedurende korte tijd een piekstroom aan het net ontrokken. Deze piekstroom (aanloopstroom) kan zes tot acht
keer de nominale motorstroom zijn. Het voedende elektrische net moet voor deze grote aanloopstromen zijn gedimensioneerd. Tevens veroorzaakt het opstarten van de motor kortstondig een spanningsdip in het net. Gevoelige apparatuur kan bij een te grote spanningsdip verstoord raken en
zelfs uitvallen. Voor het aanlopen van motoren met een gereduceerde opstartstroom zijn meerdere technieken beschikbaar. Deze technieken reduceren de opstartstroom tot
een maximum van vier keer de nominale motorstroom.
Tijdens de productie van een motor worden de statorwikkelingen volledig ondergedompeld in tropenvaste lak of vernis. De gebruikte isolatiematerialen bepalen de isolatieklasse
van de motor. Elk toegepast isolatiemateriaal is bestendig tegen een maximale temperatuur. Een kenmerk van isolatiemateriaal is dat hoe hoger de temperatuur, des te sneller
het isolatiemateriaal veroudert. Het is van groot belang de
motor voldoende te koelen om oververhitting en versnelde
veroudering te voorkomen.
SINUMEC
Sinusoidal Motor efficiency controller (SinuMEC) reguleert de
voedingsspanning naar de motor, afhankelijk van de mechanische belasting. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een
conventionele techniek waarin de spanning op een sinusvormige manier wordt gereduceerd. Hierdoor wordt geen harmonische vervuiling gecreëerd, heeft de motor een lage op-
20 %
0%
0%
20 %
40 %
60 %
80 % 100 %
motorbelasting
3. Powerfactor ten opzichte van motorload.
gemeten parameters
spanning (V)
stroom (I)
vermogen (P)
reactief vermogen (VAr)
schijnbaar vermogen (VA)
cos phi
rendement
nullast motor
390 V
2,5 A
355 W
1700 VAr
1737 VA
0,19
55%
vollast motor
390 V
7,2 A
4200 W
2300 VAr
4850 VA
0,87
80%
Tabel 1. Metingen nullast – vollast.
startstroom en wordt tot 18 procent energie bespaard.
SinuMEC is ontwikkeld om de efficiëntie te verbeteren en zo
het energieverbruik van de motor te reduceren. Voor iedere
motorbelasting voorziet het in een optimale voedingsspanning naar de motor.
Het reduceren van de voedingsspanning als de motor niet
volledig is belast, biedt voordelen. Door de voedingsspanning te reduceren zullen de mechanische, stator- en rotorverliezen gelijk blijven. De magnetiseringstroom in de motor
wordt gereduceerd waardoor de ijzerverliezen afnemen en
de cos phi van de motor aanzienlijk verbeteren. Het reduceren van de magnetiseringstroom leidt tot een energiebesparing tot 18 procent op motoren die niet in vollast operationeel zijn. Ook worden aanzienlijke verbeteringen behaald
op: stroom (15 - 54 procent), cos phi (16 - 42 procent), reactief vermogen (15 - 75 procent) en schijnbaar vermogen
(30 - 50 procent).
Als de motor in vollast draait, is de magnetiseringstroom
juist nodig om het gewenste koppel te bereiken. In vollast
leidt het aanpassen van de voedingsspanning niet tot verbetering van de efficiëntie. Het reduceren van de voedingsspanning in vollast leidt ertoe dat de stroom door de rotor
– en dus de voedingsstroom naar de motor – enorm toeoktober
vv+
2008
673
VV10 672-675
15-10-2008
09:47
Pagina 675
4. Motorstromen motor in vollast: in blauw de magnetiseringsstroom, in rood de stroom door de rotor en in groen de stroom opgenomen vanuit de voeding.
5. Motorstromen motor in nullast: in blauw de magnetiseringsstroom, in rood de stroom door de rotor en in groen de stroom opgenomen vanuit de
voeding. De magnetiseringsstroom bepaalt hier voor een groot deel de opgenomen stroom vanuit de voeding.
vermogen
nullastvermogen
jouleverlies in stator
ijzerverlies
mechanisch verlies
spanning
6. Motorverliezen ten opzichte van spanning.
neemt. SinuMEC meet de motorbelasting en past de optimale voedingsspanning naar de motor hier op aan.
ANDERE
mensioneren van de installatie. Doordat SinuMEC beschikt
over een geïntegreerde motor starter (reduced voltage starter) is de aanloopstroom van de motor in vollast beperkt
tot maximaal 2,5 keer de nominale motorstroom.
Het aanpassen van de voedingsspanning aan de motorbelasting (en op deze manier reduceren van de magnetiseringsstromen) leidt tot een reductie van operationele motortemperatuur. Dit heeft een positieve uitwerking op de
levensduur van het isolatiemateriaal in de motor. SinuMEC
reduceert de operationele motortemperatuur met 2 tot
10 °C, waardoor de motor minder snel zal slijten en minder
onderhoud nodig heeft.
Het verbeteren van de cos phi en het besparen van energie
resulteert in een reductie van opgenomen stromen door de
motor. De voedende kabel hoeft dus ook minder stroom
naar de motor te transporteren. Met SinuMEC kunnen de kabelverliezen met 2 tot 10 procent worden teruggebracht.
VOORDELEN
Naast het efficiëntievoordeel bij motoren die niet vol belast
zijn, kan SinuMEC ook grote voordelen opleveren bij het di-
Auteurs
Jorlan Peeters en Christan van Dorst, Hyteps, www.hyteps.nl.
oktober
vv+
2008
675