EFFICIENTIEVERHOGING ELEKTRISCHE MOTOREN BLIJFT ZICH VOORTZETTEN

Inductiemotoren en nieuwe motortypes (pmsm en synrm) onder de loep

Gedreven door de Europese verordening 640/2009 inzake ecologisch ontwerp voor elektromotoren en de groeiende bewustwording van het nut van efficiëntieverhoging, zetten fabrikanten van elektrische motoren de jongste jaren sterk in op de ontwikkeling van nieuwe motoren. Aangezien de rendementsgrenzen bij de alom bekende inductiemotoren (IM) praktisch bereikt zijn, zijn er nu ook 'nieuwe' types volop in ontwikkeling. Denk hierbij aan de synchrone permanentmagneetmotor (PMSM) en de synchrone reluctantiemotor (SynRM). We lichten de nieuwste ontwikkelingen rond elektrische motoren toe vanuit een technisch standpunt.

Steve Dereyne, Kurt Stockman en Pieter Defreyne (UGent Campus Kortrijk)

RENDEMENTSVERHOGING BIJ INDUCTIEMOTOREN

Inductiemotoren (IM) staan in voor zo'n 50% van het elektrische energieverbruik in onze industrie. Na een jarenlange stilstand werd het rendementsniveau van de klassieke inductiemotoren recent sterk verhoogd. In juni 2011 werden immers voor het eerst verplichte eisen gesteld aan het minimumrendementsniveau van netgekoppelde inductiemotoren binnen Europa. Nieuwe inductiemotoren dienden vanaf dan minimaal IE2-gelabeld te zijn. Het proces om de efficiëntie van de elektrische aandrijvingen te verhogen, gaat verder: de eerstvolgende stap komt er op 1 januari 2017. Vanaf dan moet het vermogensbereik van 0,75 kW tot 375 kW minstens IE3 zijn; of IE2, indien met een omvormer gevoed. Tegenwoordig zijn deze motoren zelfs al tot en met rendementsniveau IE4 beschikbaar. Dit is gerealiseerd door alle verliescomponenten binnen de machine te reduceren. Jouleverliezen werden aangepakt door meer koper in de machine te integreren en de luchtspleet kleiner te maken, ijzerverliezen door het blikpakket te verbeteren, wrijving door lagers te verbeteren …

Aandachtspunten

Het verhogen van het rendement van de IM heeft echter eveneens een impact op de overige machineparameters. Een rendementsverhoging wordt vooral gehaald door extra materiaal aan de machine toe te voegen. Om het rendement van een vierpolige 11kW-inductiemotor van 88% naar 93,3% te verhogen, is het gewicht met 30% gestegen: van 96 kg voor de IE1-versie naar 125 kg voor de IE4-versie. Ook de inertie van de rotor is gestegen, met 66% naar 0,154 kgm². Dit laatste kan leiden tot hogere aanlooptijden. Dit wordt deels gecounterd door een hoger startkoppel bij de IE4-versies.

Ondanks de gewichtstoename wordt de bouwgrootte (160 M in dit voorbeeld) wel behouden bij de hogere IE-klassen, wat uiteraard zeer praktisch is bij het uitvoeren van retrofits.Een laatste aandachtspunt is de nominale snelheid van de machine. Vooral bij de lagere vermogensbereiken (richtwaarde < 30 kW) gaat de nominale snelheid omhoog bij hogere rendementsklassen, vanwege de dalende rotorweerstand. Dit kan onaangename gevolgen hebben bij centrifugale belastingen, zoals ventilatoren en pompen. Het koppel van een dergelijke toepassing heeft een tweedemachtsverhouding en het opgenomen vermogen een derdemachtsverhouding met de snelheid. Het vervangen van een oude laagrendementsmotor door een equivalent uit een hogere rendementsklasse kan dus leiden tot een hogere energiefactuur, vanwege het stijgende opgenomen vermogen bij het hogere toerental. De energiewinst door het inzetten van de hoogrendementsmotor wordt dus tenietgedaan door een toename van de geleverde arbeid in de toepassing. De stijging kan dermate groot zijn dat de nieuwe motor zelfs overbelast raakt vanwege het hogere toerental.

PERMANENTE MAGNETEN ALS RENDEMENTSVERHOGING

De permanent magneet synchrone motor (PMSM) wordt al jaren vooral toegepast binnen de hoogdynamische servoaandrijvingen, vanwege de lage rotorinertie en de hoge (kortstondige) overbelastbaarheid. De aanwezigheid van magneten zorgt er echter voor dat de opbouw van het magnetische veld van de machine
samen met de bijbehorende verliezen niet meer ten laste is van de motor en dus wegvalt. Dit heeft ertoe geleid dat deze machine ook in de aandacht is gekomen als hoogrendementsmachine. Hierdoor zijn momenteel rendementsklassen IE4 en zelfs IE5 haalbaar.

Aandachtspunten

Magneten hebben echter een aantal nadelen. Zo is er de slechte reputatie wat hun kostprijs betreft. Dit is echter een achterhaald argument, dat nu niet meer terecht is. Door de wereldwijde opening van nieuwe mijnen is de kostprijs immers gedaald tot aanvaardbare waarden. Een aangepast onderhoud of herstel dringt zich wel op om de magneten niet te beschadigen en een langdurige oververhitting kan leiden tot de demagnetisatie van de machine. Ten slotte is de standaarduitvoering enkel omvormergestuurd beschikbaar. Aan dit laatste euvel de noodzaak van een omvormer wordt wel gewerkt. Zo zijn er linestartversies op de markt gebracht, waarbij de machine direct op het net start (DOL 'direct on line') zoals een inductiemotor, door toevoeging van een startkooi in de rotor. Daarna nemen de permanente magneten het werk over en draait de rotor synchroon met het statordraaiveld. Merk hierbij wel op dat deze machines steeds aan de synchrone snelheid lopen, wat de nodige aandacht vereist indien ze als vervanger van een klassieke inductiemotor worden ingezet in een DOL-toepassing.

SYNCHRONE RELUCTANTIEMOTOR

Een laatste, maar veelbelovende nieuwkomer op de markt is de synchrone reluctantiemotor (SynRM). Helemaal nieuw is het werkingsprincipe zeker niet. Al in 1923 werd het originele patent voor een SynRM ingediend door J.K. Kostko. Het basisprincipe is gebaseerd op het feit dat een magnetisch geleidend object zich steeds in een magnetisch veld zal oriënteren volgens de weg van de minste magnetische weerstand (= reluctantie). Op basis van dit principe is er nu een nieuwe geometrie ontwikkeld voor de rotor. Dit bestaat uit een gestanst blikpakket met luchtbarrières (magnetische barrières). Hiermee wordt het verschil met de PMSM meteen duidelijk: de motor heeft geen nood aan permanente magneten. Door de lucht in de rotor valt de machine iets moeilijker te magnetiseren in vergelijking met de klassieke inductiemotor, met dus een toename van de statorstroom tot gevolg. De rotorjouleverliezen vervallen echter, waardoor er met dit principe toch hoge rendementen bereikt worden.

Aandachtspunten

De basisversie van de SynRM heeft nood aan een omvormer, net als de PMSM, maar ook bij dit motortype wordt hieraan gewerkt. De eerste prototypes die op het net kunnen worden gestart, zijn al op de markt, door het toevoegen van een kortsluitkooi in de rotor. Nu is de kostprijs van de SynRM-machine nog steeds merkelijk hoger dan die van de klassieke inductiemotor. De reden is echter niet te zoeken in de materiaalkost. Het blikpakket van deze machine is immers even eenvoudig te fabriceren en de opbouw van de driefasige wikkeling in de stator is identiek als bij de IM. De belangrijkste reden is momenteel de productieoplage, die nog niet kan concurreren met die van de IM. Naarmate de populariteit van dit type motor stijgt, zou ook de kostprijs in de toekomst moeten verbeteren.

Tekortkomingen van IE-klassen
Bij de permanentmagneetmotor dringt zich de terechte vraag op wat deze machine als extra voordelen biedt ten opzichte van een hoogrendementsinductiemotor, aangezien beide de IE4-klasse halen. Een IE-rendementsklasse vertelt echter niet het volledige verhaal. IE-klassen leggen immers enkel eisen op voor de te halen grenzen bij netgekoppelde motoren in hun nominale belastingspunt. Hoe deze machine reageert in deellast en bij lagere snelheden, wordt niet door de huidige IE-klassen vastgelegd. Net bij deellast en lagere snelheden komen de voordelen van de PMSM volledig tot uiting. In het volledige werkings­gebied blijft het rendement van deze machines merkelijk hoger dan bij de klassieke inductiemachines. Een uitgebreide meet­campagne over meerdere jaren aan UGent Campus Kortrijk toont dit aan.

Op deze grafiek is duidelijk te zien dat rond het nominale werkingspunt (100% koppel, 100% snelheid) het rendementsverschil tussen een IE4 11 kW IM en een IE4 11 kW PMSM verwaarloosbaar is. Dit is normaal, aangezien de IE4-klasse hier haar eisen stelt. In de lagere snelheids- en koppelgebieden zijn er echter verschillen tot 25 procentpunten in het rendement merkbaar.

Hierdoor is de inzet van dit type machines bij bepaalde toepassingen zeker te verantwoorden als het op rendement aankomt, ondanks de hogere initiële aankoopprijs. Een doorgedreven analyse van het lastprofiel, geprojecteerd op bovenstaande verschil­contouren, dringt zich hier wel op om de juiste economische beslissing te kunnen nemen bij de afweging tussen beide motortypes.

BESLUIT

Het mag duidelijk zijn dat de ontwikkelingen op elektrisch motorvlak elkaar nog steeds zeer snel opvolgen om tegemoet te komen aan de hogere rendementseisen die de markt en de Europese normering stellen. Een aantal nieuwe types hebben hier een veelbelovende toekomst, waarbij er vooral in deellast beduidend hogere rendementen worden gescoord in vergelijking met de vergelijkbare inductiemachines. Toch worden in veel gevallen de limieten bereikt van wat nog economisch verantwoord is om het rendement van de aandrijvende motor te verbeteren. Ook op Europees vlak wordt verder gekeken dan de motor en wordt een 'Total System Approach' gepromoot om het totaalrendement van de volledige aandrijflijn te verbeteren. Hierbij worden ook de bijbehorende overbrengingen zoals de reductiekast, de riemaandrijving en de belasting bestudeerd. Recente onderzoeksprojecten binnen UGent Campus Kortrijk tonen aan dat er, door de volledige aandrijflijn energetisch te analyseren, heel dikwijls nog veel meer energiewinst te boeken is, vaak voor een lagere investeringskost.

Contact: Steve.Dereyne@UGent.be