ENERGIERECUPERATIE reduceert tco drives

De goedkoopste energie is de energie die niet opgewekt hoeft te worden. Dat kan door minder te verbruiken, maar evengoed door de gebruikte energie maximaal te recupereren. Dat levert een sterk verminderde TCO op.

PROBLEEMSTELLING

Alle machines waarin een snelle repetitieve heen-en-weerbeweging plaatsvindt, hebben een hoog piekverbruik. Grote versnellingen en vertragingen vereisen veel reactief vermogen, met veel piekvermogen aan de pluskant (versnellen) én minkant (vertragen). De motoren die de beweging aandrijven moeten de vereiste krachten en piekkoppels kunnen leveren. De courante praktijk bestaat erin om te overdimensioneren, maar dat is een duurdere oplossing.

Flanders Make ging aan de slag om een snellere ROI te realiseren in toepassingen waarin een snelle, repetitieve heen-en-weerbeweging plaatsvindt - afgebeeld is het blokschema van zo’n toepassing — Flanders Make ging aan de slag om een snellere ROI te realiseren voor toepassingen met snelle repetitieve heen-en-weerbewegingen - afgebeeld is het blokschema van zo'n toepassing

De pieken zijn in bepaalde gevallen zodanig groot dat ze zich doorzetten tot op het elektriciteitsnet. Dat vereist een zwaardere bekabeling, beschermende componenten en een groter aansluitvermogen, wat de kostprijs verder de hoogte injaagt. Bovendien gaan de pieken ook gepaard met extra verliezen.

Drive kleiner dimensioneren

Kortom, een verbetering van deze situatie zou dus het rendement verbeteren, toelaten om de drive kleiner te dimensioneren en om ook de andere componenten uit de elektrische installatie kleiner en dus goedkoper uit te voeren. Dat zou de TCO (total cost of ownership) aanzienlijk verlagen. Flanders Make ging aan de slag met een concrete applicatie – weefmachines – waarvoor het een vierstangenmechanisme als representatief systeem gebruikte. Dat simuleert de snelle, repetitieve bewegingen - die zijn eigen aan weefgetouwmachines.

De toepassing gaat wel een stuk breder. Ook 'pick & place'-robots, 'plate punching'-machines en landbouwmachines kunnen voordeel hebben bij de bevindingen.

MECHANISCH BUFFEREN

Onderzoeker Bert Lenaerts van Flanders Make leidt ons door de gevolgde werkwijze: “De bedoeling was om energie te bufferen, zodat we minder verbruiken. We wogen daarvoor vier methodes af: één mechanische – met een magnetische veer – en drie elektrische oplossingen. De mechanische manier vermindert het energieverbruik sterk. Daarbij dient een door ons ontwikkelde magnetische veer die het benodigde motorkoppel verlaagt en zo de verliezen beperkt. Ze werkt als het ware als een elektromotor, maar dan met permanentmagneten op de rotor én op de stator. De controle van de veer is belangrijk, want het is niet de bedoeling dat de motor de energie uit de veer tegenwerkt. De veer moet de motor bijstaan om de pieken in het koppel te genereren, zodat een kleinere dimensionering mogelijk is en er tegelijk minder verliezen optreden.

Een mechanische veer heeft voor dit soort toepassingen een te lage levensduur of een onhandelbare geometrie. Bij een magnetische veer zijn de afmetingen dezelfde of kleiner dan die van een motor met een vergelijkbaar koppel.”

Er werden vier systemen getest: drie elektrische oplossingen en één mechanische oplossing met een magnetische veer die werkt als een elektromotor, maar met permantentmagneten op rotor én stator — De mechanische oplossing met een magnetische veer die werkt als een elektromotor, maar met permantentmagneten op rotor én stator

De invloed van de magnetische veer is duidelijk: ze zorgt voor een reductie van het benodigde koppel van de motor en beperkt zo de verliezen. Vooral de controle van de veer is hierbij belangrijk — De magnetische vermindert het benodigde motorkoppel en beperkt zo de verliezen. Controle van de veer is daarbij belangrijk

Elektrisch bufferen

“Door de powerfactor te verhogen, is een kleinere voeding en aansluitvermogen mogelijk. Daarvoor selecteerden we drie methodes: enkel gelijkrichting, een gelijkrichter in combinatie met een DC/DC-omvormer, en een uitvoering met een active front end.”

Bij de elektrische methodes was een opbouw met passieve gelijkrichter de eerste onderzochte piste. Een goedkope methode, maar als een zeer hoge powerfactor vereist is, wordt dit een minder economische oplossing — Opbouw met passieve gelijkrichter. Een goedkope methode, maar minder als een zeer hoge powerfactor vereist is

Passieve gelijkrichting

“De eerste methode is een vertrouwde en goedkope oplossing. De afgenomen pieken worden gefilterd door de capaciteit aanwezig op de DC-bus, en in mindere mate door inductanties (spoelen) aan de netkant van de gelijkrichter. Door te spelen met de grootte van de capaciteit, kan de powerfactor beïnvloed worden. Echter, wie een echt grote powerfactor wil, moet in verhouding een zeer dure capaciteitsbank plaatsen. Hierdoor vormt het in die gevallen een minder economische oplossing.“

De tweede methode, een passieve gelijkrichter met actieve DC/DC-omvormer, werd niet verder onderzocht omdat deze oplossing te duur uitvalt voor deze specifieke applicatie

Passieve gelijkrichting + DC/DC-omvormer

“In de tweede methode gaat het ook om een passieve gelijkrichter, maar met een bijkomende actieve DC/DC-omvormer die in parallelle opstelling de pieken opvangt. De regelaar weet wat de last is, en kan deze exact compenseren door het ogenblikkelijke vermogen aan te leveren. De gelijkrichter hoeft dan enkel het gemiddelde vermogen aan te leveren. De pieken zijn veel groter dan het gemiddelde vermogen, waardoor deze methode qua werking wel een mogelijke oplossing vormt, maar sowieso te duur uitvalt voor deze toepassing met snelle bewegingen. Met de vermindering van de TCO als doelstelling, hebben we deze methode dan ook snel geëlimineerd. Als de frequentie van de beweging laag is – denk aan hijstoepassingen – of voor machines die veel vermogen nodig hebben om op te starten, kan de onderzochte methode met een DC/DC-omvormer wel soelaas bieden.”

Active front end

Met een actieve gelijkrichter – de derde methode – kan een zeer hoge powerfactor gerealiseerd worden

“In de derde methode gaat het om een active front end die, in tegenstelling tot de eerste methode, wél geschikt is voor wie een hoge powerfactor (> 0,9) wil. De actieve controle zorgt ervoor dat de hevige pieken meteen volledig losgekoppeld worden van het net. In tegenstelling tot het geval met de DC/DC omvormer hierboven, worden de pieken opgevangen door het passieve gedeelte, terwijl het actieve gedeelte het veel lagere, gemiddelde vermogen levert. Om dit mogelijk te maken, werd de active front end wel voorzien van een specifiek controlealgoritme.

Een andere belangrijke reden voor het gebruik van active front ends is het robuust zijn tegen een slechte netkwaliteit, alhoewel dit losstaat van de problematiek van piekbelastingen die het onderwerp vormen van de studie. Voor de toepassing die hier onderzocht werd – weefmachines – is dit belangrijk, want de spelers die deze machines produceren, exporteren vaak wereldwijd. De netkwaliteit is daarbij vaak een onbekende factor. Zij kiezen er dan ook voor om een active front end ofwel standaard te voorzien, ofwel als optie aan te bieden. Stel dat er zich een plotse spanningsdip van 50 V voordoet. Bij een DC/DC-omvormer zal de DC-spanning ook met 50 V dalen, met alle gevolgen van dien voor de motoren in de installatie. Die hebben een bepaalde minimumspanning nodig, zo niet vallen ze stil. Bij een active front end is dat niet het geval, want het spanningsniveau is hier wel gegarandeerd. Het nadeel van de activefrontendmethode is de prijs, die ook in vergelijking met de eerste methode toch een stuk duurder uitvalt.“

PRECOMPETITIEF ONDERZOEKPROJECT: SYMBIOSE IN FUNCTIE VAN DE MAAKINDUSTRIE

Het onderzoek van Flanders Make is een zogenaamd precompetitief onderzoek. In dit opzet werken meerdere bedrijven en onderzoeksinstellingen samen aan een thema. De onderzoeksinstellingen voeren onderzoek naar de generieke basis, de bedrijven ontwikkelen het concept verder door voor hun concrete applicatie. Daarbij worden ze ook ondersteund door Vlaio. In dit geval waren de betrokken partijen naast Flanders Make onder meer Picanol, Vandewiele en Triphase. Voor de beide maakbedrijven in dit rijtje zijn de bevindingen inzetbaar in hun machines.

Steven Thieleman, R&D projectmanager bij Vandewiele: “Energiefluctuaties zijn inherent aan de werking van weefmachines, waardoor het energievraagstuk geen eenvoudige klus is om op lossen. Er zijn bijvoorbeeld de heen en weergaande bewegingen die leiden tot inertievariaties in de jacquardmachines. Een volgend facet is de netkwaliteit. We leveren onze machines wereldwijd, maar de infrastructuur is helaas niet overal van een aanvaardbaar niveau. Dat leidt tot een mindere netkwaliteit, waarbij er vaak zelfs onbekende verschijnselen opduiken. We willen niet dat onze machines stilvallen door deze tijdelijke fenomenen. Maar als de netspanning volledig wegvalt, willen we ook dat de machine gecontroleerd stilvalt, zodat er geen beschadiging aan machine of weefsel ontstaat. De bevindingen uit het onderzoek hebben ons geholpen om een ander type product te zetten, met een geoptimaliseerde voeding met een passivefrontenduitvoering. Zo kunnen we de energievoorziening van de machine beter stroomlijnen. Bovendien kunnen we dankzij het onderzoek de voeding ook beter dimensioneren. Dat is niet onbelangrijk, want die machines worden in heel veel verschillende configuraties verkocht. Het onderzoek laat toe om snel de ideale voeding te ontwikkelen, aan een optimale kost.“

Dimitri Coemelck, R&D-ingenieur bij Picanol: “Wij zetten de bevindingen uit het onderzoek in voor onze machines uit de OmniPlus-i reeks met Smart Shed functie. Ook in deze machines is er sprake van snelle repetitieve bewegingen, met een snelheid van 1.200 toeren/minuut. Wij zetten de onderzoeksresultaten in om virtual prototyping toe te passen op deze machinereeks. We kunnen nu virtuele wijzigingen aanbrengen en simuleren wat hun impact zal zijn op de vermogenskwaliteit van de machine. We kunnen nu een line reactor, spoel of capaciteit vervangen en op voorhand bekijken wat dat doet met de vermogenskwaliteit. Voor ons is dat niet onbelangrijk, want wij garanderen in onze machinespecificaties een zekere vermogenskwaliteit. Zo zijn onze klanten zeker dat ze hun installatie perfect kunnen dimensioneren én dat ze geen boetes zullen moeten betalen voor de impact van hun machine op de kwaliteit van het net.”

Onderzoeker Bert Lenaerts - Flanders Make

CONCLUSIES

“Voor de weefmachinetoepassing die onderzocht werd, blijkt de oplossing met een passieve gelijkrichting een economisch voordelige keuze bij een stabiel net. Dat geldt ook bij toepassingen waar een zeer hoge powerfactor minder belangrijk is. Als een hoge powerfactor wel belangrijk is of als de machines frequent het slachtoffer kunnen worden van een slechte netkwaliteit, dan biedt de methode met active front end meer zekerheid en betrouwbaarheid.

“Let er wel op dat dit uiteraard niet de enige methode is om spanningsdips te counteren. Een andere manier is bijvoorbeeld om enkel motoren in te zetten die lage spanningen aankunnen.“ De conclusie rond deze beide methodes geldt voor toepassingen waarbij er sprake is van een zeer snelle repetitieve beweging.

Invloed van veer op elektrische optimalisatie

Lenaerts: “Het werken met een magnetische veer kan perfect in combinatie met een elektrische oplossing. Als er ‘stroomopwaarts’ een mechanische veer geïnstalleerd wordt, zal er elektrisch veel minder rimpel te zien zijn. Het verbetert sowieso al de powerfactor.”