Microchip Technology Inc.
Avtor: Pramit Nandy – Produktni marketing manager
V današnjem svetu so motorji prisotni povsod in poganjajo skoraj vse, od gospodinjskih aparatov do industrijskih strojev. Pomen optimizacije krmiljenja motorjev za energetsko učinkovitost je neizmeren, saj motorji predstavljajo znaten delež svetovne porabe energije.
Ta članek se poglobljeno ukvarja z zgradbo motorjev, uporabo pogonov s spremenljivo frekvenco (VFD) ter rešitvami za aplikacije krmiljenja motorjev, vključno s podporo strojne opreme in naprednimi algoritmi.
Razširjenost motorjev
Motorji so sestavni del našega vsakdanjega življenja; najdemo jih v gospodinjskih aparatih, kot so pralni stroji, sušilni stroji, pomivalni stroji in črpalke za bazene. Nepogrešljivi so tudi v avtomobilski industriji, saj sodobni avtomobili vsebujejo od 40 do 100 motorjev, odvisno od modela in opremljenosti. Industrijska okolja so v veliki meri odvisna od motorjev, zlasti na področju robotike in avtomatizacije proizvodnje.
Poraba energije in učinkovitost
Po podatkih Urada za energetske informacije (EIA) motorji prispevajo približno 50 % svetovne porabe energije. V industrijskih aplikacijah lahko ta delež preseže 80 %. V Združenih državah Amerike je na primer skupna poraba energije v letu 2022 znašala 4,07 bilijona kilovatnih ur, kar ustreza dnevni porabi 11,2 milijarde kilovatnih ur. Z izboljšanjem učinkovitosti motorjev za samo 1 % bi lahko dnevno prihranili 56 milijonov kilovatnih ur energije.
Ključni trendi na področju učinkovitosti motorjev
Energijsko učinkoviti motorji
Eden od glavnih trendov na področju učinkovitosti motorjev je prehod s tradicionalnih motorjev, kot so indukcijski motorji na izmenični tok, na učinkovitejše tipe, kot so brezkrtačni enosmerni motorji (BLDC), sinhroni motorji s trajnimi magneti (PMSM) in motorji z notranjimi trajnimi magneti (IPM). Ti motorji zagotavljajo višjo učinkovitost in boljše delovanje. Poleg tega so napredki na področju materialov, kot sta uporaba amorfnih kovin in magnetov iz redkih zemelj, še dodatno izboljšali učinkovitost motorjev.
Struktura motorja in napredki na področju materialov
Na področju tehnologije motorjev so napredki na področju materialov in konstrukcije v zadnjem stoletju znatno izboljšali učinkovitost in zmogljivost motorjev. Poznavanje glavnih sestavnih delov motorja in izvedenih izboljšav lahko ponudi dragocene vpoglede v ta napredek.
Motor je običajno sestavljen iz končnih pokrovov, rotorja, ležajev in statorja z navitji. V zadnjih letih so se materiali, uporabljeni v teh sestavnih delih, razvili. Na primer, prehod z aluminija na baker v navitjih rotorja in statorja je izboljšal prevodnost in učinkovitost. Poleg tega so napredki na področju proizvodnih toleranc zmanjšali hrup in dodatno povečali učinkovitost.
Eden od pomembnih trendov v tehnologiji motorjev je uporaba amorfnih materialov v rotorjih in statorjih. Tradicionalno so se uporabljala silicijeva jekla, ki pa so imela visoke izgube zaradi vrtinčnih tokov in histereze. Ta se zdaj nadomeščajo z amorfnimi materiali, kot so kovinska stekla, ki imajo manjše izgube in s tem višji izkoristek. Tudi na področju motorjev s trajnimi magneti je prišlo do znatnih izboljšav. Močnejši magneti, kot so tisti iz redkih zemeljskih kovin, na primer iz neodima, železa in bora, zagotavljajo večji navor in večjo učinkovitost. Vendar pa se zaradi skrbi za trajnost raziskujejo alternative, kot so magneti na osnovi aluminija, niklja, kroma in železa, zaradi njihovih dobrih lastnosti v različnih temperaturnih razponih in močnih magnetnih poljih.
Prehod z drsnih ležajev na kroglične ležaje je imel pomembno vlogo pri zmanjšanju trenja in izboljšanju toleranc, s čimer se je povečala učinkovitost motorja. V zadnjem stoletju so se motorji znatno pomanjšali, hkrati pa ohranili enako nazivno moč. Na primer, sodoben trifazni indukcijski elektromotor (SCIM) z 5 konjskimi močmi in kletkastim rotorjem je bistveno manjši in tehta približno 20 % tega, kar je tehtal motor z enako nazivno močjo leta 1910. To zmanjšanje velikosti je mogoče pripisati uporabi lažjih in učinkovitejših materialov ter napredku na področju toplotne in električne izolacije. Lažji motorji so še posebej koristni v avtomobilski industriji, kjer zmanjšanje teže lahko pripelje do večje učinkovitosti in omogoči vgradnjo motorjev v bolj kompaktne prostore. Vpliv teh tehnoloških dosežkov je izjemen, saj omogočajo razvoj učinkovitejših pogonskih sistemov, ki zagotavljajo boljšo zmogljivost in večje prihranke energije.
Nenehno izboljševanje materialov in konstrukcije motorjev je prineslo znatne napredke na področju učinkovitosti in zmogljivosti. Od uporabe amorfnih materialov in močnejših magnetov do razvoja ležajev in zmanjšanja velikosti motorjev – te inovacije so gonilna sila prihodnosti tehnologije motorjev. Ker še naprej raziskujemo nove materiale in zasnove, ostaja potencial za še večjo učinkovitost in zmogljivost sistemov motorjev obetaven.
Uporaba pogonov krmiljenih s spremenljivo frekvenco (angl. Variable Frequency Drives – VFD)
Pogoni s spremenljivo frekvenco (VFD) so vse bolj priljubljeni za krmiljenje hitrosti motorja in izboljšanje učinkovitosti. VFD prilagajajo hitrost motorja glede na zahteve obremenitve, s čimer zmanjšujejo porabo energije. Prehod z bipolarnih tranzistorjev z izoliranimi vrati (IGBT) na tehnologijo silicijevega karbida (SiC) v frekvenčnih pretvornikih je prav tako prispeval k večji učinkovitosti in hitrejšemu preklapljanju.
Pogoni
krmiljeni s
spremenljivo
frekvenco
(VFD) in njihov
vpliv
Pogoni s spremenljivo frekvenco (VFD) so povzročili revolucijo na področju krmiljenja motorjev, saj omogočajo natančno uravnavanje hitrosti in navora motorja. Ta tehnologija optimizira delovanje motorja in znatno izboljša učinkovitost sistema. VFD prilagaja frekvenco in napetost, ki se dovajata motorju, kar mu omogoča delovanje v najbolj učinkovitem območju za dano obremenitev.
Na primer, tradicionalni sistem motorjev pogosto delujejo na polno moč, pri čemer se pretok uravnava z dušilnimi ventili, kar povzroča znatne izgube energije. Nasprotno pa VFD-ji odpravljajo potrebo po dušenju, saj prilagajajo hitrost motorja potrebnemu pretoku, s čimer zmanjšujejo porabo energije in povečujejo splošno učinkovitost sistema. Študije so pokazale, da lahko prehod na VFD več kot podvoji izkoristek motorja, in sicer s približno 31 % na 72 %.
Rešitve podjetja Microchip Technology
Podjetje Microchip Technology ponuja obsežen nabor rešitev za aplikacije na področju krmiljenja motorjev, vključno s strojno opremo in naprednimi algoritmi. Njihova ponudba obsega mikrokontrolerje, krmilnike vrat tranzistorjev, močnostno elektroniko in senzorje, ki so vsi zasnovani za optimizacijo delovanja motorjev.
Strojna podpora
Podjetje Microchip Technology ponuja celovito paleto strojne opreme, ki pospešuje načrtovanje in razvoj sistemov za krmiljenje motorjev ter hkrati optimizira njihovo zmogljivost in učinkovitost. Za pogone s spremenljivo frekvenco (VFD) ponuja pretvornike iz izmenične v enosmerno napetost ter inverterje, ki uporabljajo visoko učinkovite MOSFET-e iz silicijevega karbida (SiC) in napredne gonilnike za natančno preklapljanje. Pretvorniki, ki jih krmilijo digitalni krmilniki signalov (DSC) dsPIC®, pretvarjajo enosmerno napetost v izmenično napetost s spremenljivo frekvenco za učinkovito delovanje motorja. Vgrajeni senzorji zagotavljajo povratne informacije v realnem času o toku, napetosti in temperaturi, kar povečuje zanesljivost sistema. Microchip Technology ponuja tudi evaluacijske in razvojne plošče, referenčne zasnove, programske knjižnice ter razvojna orodja za podporo pri načrtovanju in izvajanju naprednih algoritmov za krmiljenje motorjev.
Napredni krmilni algoritmi
Algoritmi so ključnega pomena za optimizacijo sistemov za krmiljenje motorjev. Tradicionalne metode, kot je V/F-krmiljenje za indukcijske motorje na izmenično napetost, so stroškovno učinkovite in preproste, vendar morda ne zagotavljajo najvišje učinkovitosti. Naprednejši algoritmi, kot je šeststopenjska komutacija za motorje BLDC in PMSM, omogočajo boljše krmiljenje navora in so lahko bodisi s senzorji ali brez. Najbolj učinkovit algoritem je poljsko usmerjeno krmiljenje (angl. field-oriented control – FOC), ki zagotavlja visok izkoristek, nizko raven šuma in odlične zmogljivosti glede navora in hitrosti. FOC se lahko izvaja s senzorji ali brez, odvisno od tipa motorja in zahtev uporabe.
Rešitve podjetja Microchip za krmiljenje motorjev vključujejo napredne algoritme, kot so FOC, MTPA (največji navor na amper) in oslabitev polja, ki omogočajo doseganje največje učinkovitosti in zmogljivosti. Te algoritme podpirajo orodja, kot je razvojni paket MPLAB® motorBench® [1], ki olajšuje implementacijo in nastavitev krmilnih algoritmov. Poleg tega Microchip ponuja zmogljivosti strojnega učenja za preventivno vzdrževanje, kar zagotavlja delovanje motorjev z največjo učinkovitostjo in zmanjšuje tveganje nepričakovanih okvar. Algoritem krmiljenja »Zero-Speed/Maximum-Torque« (ZS/MT) je nova različica algoritma FOC brez senzorjev, ki omogoča uporabo tehnik krmiljenja brez senzorjev v aplikacijah za krmiljenje motorjev z visokim navorom ali nizkimi vrtilnimi hitrostmi. Sistem ZS/MT odpravlja potrebo po Hall senzorjih, saj za določanje natančnega položaja rotorja pri ničelnih in nizkih hitrostih uporablja zanesljivo metodo zaznavanja začetnega položaja (IPD), ki temelji na visokofrekvenčnem vbrizgavanju (HFI), zaradi česar je idealen za uporabo v napravah, kot so vrtalni stroji, pogoni za garažna vrata, avtomobilski zaganjalniki in električna kolesa.
Integracija z IoT in AI/ML
Povezovanje tehnologij interneta stvari (IoT) in umetne inteligence (AI) je povzročilo revolucijo na področju krmiljenja motorjev. Senzorji imajo ključno vlogo v sistemih za krmiljenje motorjev. So nujni za merjenje toka, navora in položaja rotorja ter drugih parametrov. Ti senzorji posredujejo podatke mikrokontrolerjem, ki so sposobni te informacije obdelati. Z vključitvijo algoritmov strojnega učenja lahko ti sistemi izvajajo preventivno vzdrževanje, in sicer z analizo podatkov senzorjev, s čimer napovedujejo morebitne okvare motorjev ali potrebe po vzdrževanju. Ta zmožnost je še posebej koristna v industrijskem okolju, kjer lahko nepričakovane okvare motorjev povzročijo znatne izpade v delovanju in finančne izgube. Prediktivno vzdrževanje zagotavlja, da motorji delujejo pri najvišji učinkovitosti in zmogljivosti, s čemer se zmanjšuje verjetnost nepričakovanih okvar.
Prediktivno vzdrževanje
Prediktivno vzdrževanje z uporabo senzorjev in algoritmov strojnega učenja spremlja stanje motorja ter odkriva morebitne težave, še preden pride do okvar. S stalno analizo parametrov, kot so tok, navor in vibracije, prediktivno vzdrževanje zagotavlja učinkovito delovanje motorja in zmanjšuje čase izpadov. Ta pristop je še posebej koristen v industrijskem okolju, kjer lahko nepričakovane okvare motorjev povzročijo znatne izgube v proizvodnji. V predstavitveni aplikaciji podjetja Microchip je prikazano preventivno vzdrževanje motorjev z uporabo razvojnega paketa MPLAB® Machine Learning Development Suite [2] v povezavi s krmilno ploščo dsPIC LVMC Motor Control Board [3]. Ta sistem uporablja klasifikacijski model za ugotavljanje delovnega stanja motorja, pri čemer na podlagi spremljanja toka Iq motorja ugotavlja, ali motor deluje normalno ali pa pri njem prihaja do nepravilnosti, kot so neuravnotežena obremenitev ali poškodovana ležajna gred.
Zaključek
Optimizacija krmiljenja motorjev z namenom izboljšanja energetske učinkovitosti je ključnega pomena za zmanjšanje svetovne porabe energije in izboljšanje zmogljivosti različnih aplikacij. S prehodom na učinkovite motorje, uporabo frekvenčnih pretvornikov, uvedbo naprednih krmilnih algoritmov ter vključitvijo tehnologij interneta stvari (IoT) in umetne inteligence (AI) je mogoče doseči znatne prihranke energije. Podjetje Microchip Technology ponuja obsežen nabor rešitev za podporo tem prizadevanjem, saj zagotavlja strojno opremo, programsko opremo in strokovno znanje, potrebno za razvoj učinkovitih sistemov za krmiljenje motorjev. Ker povpraševanje po energetsko učinkovitih rešitvah nenehno narašča, bo napredek na področju tehnologije krmiljenja motorjev igral ključno vlogo pri zadovoljevanju teh potreb.
O avtorju:
Pramit Nandy je vodja trženja izdelkov v podjetju Microchip Technology Inc., kjer se osredotoča na aplikacije za krmiljenje motorjev. Nandy je v podjetju Microchip zaposlen od leta 2021, pred tem pa je delal kot vodja trženja izdelkov v podjetju Onsemi. Ima magistrski naziv iz elektrotehnike, ki ga je pridobil na Arizonski državni univerzi, ter diplomo iz merilne in krmilne tehnike, ki jo je pridobil na Tehniški univerzi College of Engineering Pune (COEP) v Indiji. Z več kot 16-letnimi delovnimi izkušnjami, pridobljenimi v različnih državah, si je Nandy pridobil poglobljeno strokovno znanje na področju električnih sistemov in krmilne tehnike. V svoji karieri je Nandy izpopolnjeval svoje znanje in veščine na različnih tehničnih položajih, med drugim kot inženir za načrtovanje analognih sistemov, sistemski arhitekt, inženir za aplikacije in inženir za krmilne sisteme. Ta raznolika izkušnja mu je omogočila celovito razumevanje zasnove sistemov in njihove praktične uporabe v številnih sektorjih, kot so avtomobilska industrija, industrija, telekomunikacije, storitve v oblaku in potrošniški trgi. Kot strateški mislec in predan strokovnjak Nandy še naprej spodbuja rast in uspeh na področju aplikacij za krmiljenje motorjev v podjetju Microchip Technology Inc.
Viri:
1: https://www.microchip.com/en-us/solutions/technologies/motor-control-and-drive/motorbench-development-suite
2: https://www.microchip.com/en-us/tools-resources/develop/mplab-machine-learning-development-suite
3: https://www.microchip.com/en-us/development-tool/dm330031
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
https://www.microchip.com
