De energietransitie naar 100% duurzame energie is een belangrijke uitdaging waar de volledige maatschappij in moet meestappen. Ook in de landbouw zijn er stappen te zetten. Één daarvan is inzetten op elektrificatie van landbouwvoertuigen. In deze brochure bundelen we kennis over de implementatie van elektrificatie in de landbouw. Klik hieronder het topic open waarover u meer wenst te weten te komen.
Diesel:
Traditioneel, bekende en goed doorontwikkelde technologie
- Diesel-hydraulische aandrijvingen: geen batterij gebruikt uitgezonderd voor elektrisch starten.
- Praktijkvoorbeelden: Agrointelli Robotti. Benzine aandrijving kan ook maar geen praktijkvoorbeeld gekend.
- Diesel-elektrische aandrijvingen: geen batterij gebruikt uitgezonderd voor elektrisch starten.
- Praktijkvoorbeelden: AgXeed
Elektrisch: Zonnepanelen
Zwakke stroombron, alleen geschikt voor lichtere platformen die met laag vermogen kunnen werken.
Praktijkvoorbeeld: farmdroid
Elektrisch: batterijgevoed
- Loodzuurbatterijen
- Praktijkvoorbeeld: Naïo Little Oz
- Lithium-ion batterij (ijzerfosfaat)
- Praktijkvoorbeelden: Naïo Dino, CIMAT robot...
Daarnaast zijn nog andere types batterijen beschikbaar en wordt er heel veel onderzoek verricht naar nieuwe types batterijen. Zo werkt men al geruime tijd aan een type "hybride capacitor"
Elektrisch: kabelgevoed
Kan kansen bieden voor een autonoom platform dat automatisch kabelbeheer kan uitvoeren.
Waterstof
- Waterstofverbranding
- Praktijkvoorbeeld: prototype van New Holland
- Waterstof brandstofcellen
- Geen praktijkvoorbeeld beschikbaar
Energiedichtheid
In vergelijking met diesel is de hoeveelheid energie per gewicht van bijvoorbeeld lithium-ion batterijen een stuk lager. Maar het is in deze vergelijking ook belangrijk om de efficiëntie van het volledige systeem te beschouwen. Zo kan een verbrandingsmotor in een modern voertuig slechts 20 % van de chemische energie die in de brandstof zit omzetten in kracht om het voertuig in beweging te brengen en te houden onder normale omstandigheden. Elektrische motors kunnen een efficiëntie halen van 85 tot 90%. Zo wordt de lagere energiedichtheid die van batterijen ten opzichte van conventionele brandstoffen gecompenseerd.
- Elektrische aandrijvingen geven meer sturingsmogelijkheden: het toerental bij brushless dc motoren is continu en traploos regelbaar, zonder dat daarvoor een gearshift nodig is zoals dat wel het geval is bij thermische motoren en traditionele aandrijflijnen
- Het maximum koppel is quasi bij elk toerental beschikbaar
- Laag gewicht, hoge vermogensdichtheid
- Aandrijflijnen kunnen veel compacter worden gebouwd
- Veel minder slijtageonderdelen (aantal draaiende onderdelen is vele factoren lager)
- Hogere bedrijfszekerheid
- Decentrale sturing, 4 wiel aandrijving. Zorgt voor extra redundantie
- Geen directe CO2, fijn stof uitstoot zoals bij dieselmotoren
- Geen geluid bij toepassing (issue bij bewoning dichtbij
Het keuzeproces voor een geschikte motor is niet eenvoudig. Er moet rekening gehouden worden met een hele resem aan parameters zoals motortoerental, motorvermogen, motorkoppel, motorverliezen, motorrendement en de beoogde omgevingsfactoren. Hieronder worden deze factoren in detail besproken.
De keuze van een geschikte motor is verrassend complex en start al bij de verwachtingen van de motor. In vele gevallen is het antwoord op de vraag "welke motor heb je nodig?" in eerste instantie te vaag: "We zoeken een motor om een agro-robot mee aan te drijven." Dit antwoord gaat niet in op eender welke specifieke eis voor de motor inzake toerental, startvoorwaarden, snelheidscontrole... Het lijkt er op dat we al tevreden zijn als het toestel draait.
Als we alledaagse toepassingen van elektromotoren beschouwen, vergen we zelden specifieke zaken. De snelheid van een mixer doet er bijvoorbeeld weinig toe. Het voedsel zal wellicht even goed gemixt worden met een snelheid van 270 omw/min als met een snelheid van 300 omw/min. Een boormachine start meestal zonder last, zodat starten geen probleem vormt. En bij een stofzuiger is het niet nodig om de snelheid van 900 omw/min naar 899 omw/min te kunnen wijzigen.
Daar tegenover zijn de beperkingen bij industriële toepassingen wel belangrijker. Voor een CNC machine in een fabriek is het toerental wel van tel en is het belangrijk om te weten of hij aan 300 omw/min of aan 400 omw/min werkt en voor een motor van een lift moet wel kunnen starten als er 10 mensen in de lift staan.
Er zijn drie moeilijkheden bij het kiezen van een motor, rekening houdende met de eisen die de beoogde toepassing stelt:
- In de meeste gevallen zijn er meerdere motortypes geschikt voor onze noden. De meest geschikte technologie moet dus gekozen worden.
- Vaak is het niet alleen van belang dat de motor in staat is om de last te laten draaien, maar moet de motor ook kunnen starten onder last. Het startkoppel moet de last dus kunnen versnellen en de versnellingstijd moet ook voldoende kort zijn.
- Er wordt een selectie opgelegd die van toepassing is ongeacht het type motor. Bijvoorbeeld: de motor moet onderwater kunnen werken, bij hoge temperaturen of in een stoffige omgeving...
Bij de motorkeuze moeten dus een grote variatie aan factoren in beschouwing genomen worden. de volgende stukjes gaan dieper in op enkele kritische factoren.
Snelheid
De meeste elektrische motoren werken aan relatief hoge snelheden, typisch tussen 500 en 3000 omw/min. Vaak is het eenvoudiger en/of nodig om de snelheid te veranderen door mechanische tandwielen. Met behulp van vermogenselektronica kan het snelheidsbereik drastisch worden aangepast, maar dit is direct gerelateerd aan de mechanische kracht. Zonder vermogenselektronica werken de meeste motoren binnen een klein toerentalbereik, zo werkt een inductiemotor bijvoorbeeld afhankelijk van de belasting tussen 1430 en 1470 omw/min. Dit toerentalbereik is meestal niet gewenst, omdat het door de belasting wordt bepaald en niet wordt geregeld. Een soortgelijke synchrone motor zou draaien op 1500 omw/min, ongeacht de belasting. Toch hebben de meeste synchrone motoren problemen met opstarten, waarvoor ook vermogenselektronica nodig is. Steeds meer toepassingen vereisen een nauwkeurige snelheidsregeling.
Vermogen en arbeidscyclus (duty cycle)
In principe wordt van een motor verwacht dat hij continu werkt met een nominaal mechanisch vermogen. De nominale waarde hangt af van het vermogen van de motor om afvalwarmte af te voeren, d.w.z. de warmte die afkomstig is van het verlies in de wikkelingen, de wervelstroomverliezen in de rotor- en statorkernen en de wervel- en wrijvingsverliezen. Door deze verliezen worden de wikkelingen warmer, en als de isolatie te warm wordt, gaat deze kapot. De nominale waarde hangt dus af van de beperking van de belasting, zodat de isolatie van de wikkelingen niet oververhit raakt, en van de methode om de afvalwarmte af te voeren. Gebruikt u luchtkoeling of waterkoeling? Wat zijn de verwachte en maximale omgevingstemperaturen? Is er een afkoelingsperiode of een uitwijkmogelijkheid? Laten we bedenken wat er zou gebeuren als een motor koud is en tot zijn nominale waarde wordt belast. Hij zou niet onmiddellijk opwarmen tot de maximaal toegestane temperatuur. In plaats daarvan zou er een aanzienlijke periode zijn totdat de stationaire temperatuur wordt bereikt. Waarschijnlijk duurt dit enkele uren, afhankelijk van het nominale vermogen. Als alternatief hadden we de belasting kunnen verhogen op het moment dat de motor koud was. Hierdoor zou de motor sneller opwarmen. Toch is dit over het algemeen aanvaardbaar, zolang de overbelasting niet langer duurt dan de bezinktijd, zodat de maximale bedrijfstemperatuur niet wordt bereikt. Deze benadering leidt tot kortetermijnclassificaties, die uitgaan van een hogere belasting gevolgd door perioden van uitschakeling om afkoeling mogelijk te maken. Liftmotoren werken in vergelijkbare belastingscycli.
Het is mogelijk om met een motor van 10 kW gedurende korte tijd 20 kW te leveren. Of om een uur lang 11 kW te leveren. Motoren voor dergelijke cyclische taken zijn vaak verkrijgbaar in standaardvormen voor bedrijfsperioden zoals 10, 30 of 60 min. Bij kortere bedrijfsperioden worden motoren doorgaans expliciet voor de beoogde toepassingen ontworpen. IEC 60034 en DIN VDE 0530 deel 1 specificeren 10 verschillende types arbeidscycli, gaande van S1 tot S10 [1].
De motor werkt met een continue belasting gedurende een tijd die voldoende is om de machine in staat te stellen een thermisch evenwicht te bereiken.
De motor werkt bij een belasting gedurende een tijd die niet volstaat om een thermisch evenwicht te bereiken, gevolgd door voldoende tijd om de motor te laten afkoelen.
Reeks identieke inschakelcycli bij een constante belasting gedurende een periode, gevolgd door een rustperiode. Het thermisch evenwicht wordt niet bereikt tijdens de cyclus.
Vergelijkbaar met S3, maar er is een aanzienlijke starttijd binnen het periodieke bedrijf.
Opeenvolging van identieke bedrijfscycli - starten, werken, remmen en rust. Ook hier wordt het thermisch evenwicht niet bereikt.
Identieke bedrijfscycli met een periode bij belasting gevolgd door een periode in onbelaste toestand. Het verschil met S1 is dat de motor in onbelaste toestand draait, zonder werkelijk te stoppen.
Als S6, maar met een aanzienlijke start- en elektrische remperiode. Opnieuw draait de motor gedurende een bepaalde periode in onbelaste toestand in plaats van dat hij wordt gestopt.
Reeks identieke herhalende bedrijfscycli, waarbij de motor binnen elke cyclus op verschillende belastingsniveaus en snelheden draait. Er is geen stoptijd en het thermisch evenwicht wordt niet bereikt.
Belasting en toerental variëren periodiek binnen het toegestane bedrijfsbereik. Er kan frequente overbelasting optreden.
Inzet met discreet aantal belasting/snelheidscombinaties, waarbij deze lang genoeg worden aangehouden om een thermisch evenwicht te bereiken. |  |
Er is een hele reeks motoren met geregelde snelheid. De meest voorkomende zijn:
Borstelmotoren waren de eerste commercieel belangrijke toepassing van elektrisch vermogen om mechanische energie aan te drijven. DC-distributiesystemen werden meer dan 100 jaar lang gebruikt om motoren in commerciële en industriële gebouwen aan te drijven. Een geborstelde gelijkstroommotor is een intern gecommuteerde elektromotor die ontworpen is om te werken met een gelijkstroombron en gebruik maakt van een elektrische borstel voor het contact. Geborstelde gelijkstroommotoren kunnen in snelheid variëren door de bedrijfsspanning of de sterkte van het magnetische veld te wijzigen. Afhankelijk van de aansluiting van het veld op de voeding kunnen de snelheids- en koppelkarakteristieken van een borstelmotor worden gewijzigd om een constante snelheid of een snelheid omgekeerd evenredig met de mechanische belasting te verkrijgen. Door de mechanische interne commutatie kunnen vonken ontstaan, waardoor ze ongeschikt zijn voor explosieve omgevingen. |  |
Een borstelloze gelijkstroommotor, ook bekend als elektronisch gecommuteerde motor of synchrone gelijkstroommotor, is een synchrone motor die gebruik maakt van een gelijkstroomvoeding. Voor BLDC is een elektronische besturing nodig die bestaat uit vermogenselektronica voor het schakelen van de gelijkstromen naar de motorwikkelingen die magnetische velden produceren die effectief in ruimte en tijd roteren. De permanente magneten in de rotor worden aangetrokken door dit roterende veld, dat de bron is voor het genereren van het koppel. De regelaar past de fase en amplitude van de gelijkstroompulsen aan om de snelheid en het koppel van de motor te regelen. Dit regelsysteem is een alternatief voor de mechanische commutator (borstels) die in veel conventionele elektromotoren wordt gebruikt. De constructie van een borstelloos motorsysteem is doorgaans vergelijkbaar met die van een permanent-magneet-synchrone motor (PMSM). Het kan echter ook een geschakelde reluctantiemotor of een (asynchrone) inductiemotor zijn [3]. De voordelen van een borstelloze motor ten opzichte van borstelmotoren zijn een hoge vermogen-gewichtsverhouding, een hoge snelheid, een vrijwel onmiddellijke regeling van snelheid (omw/minuut) en koppel, een hoog rendement en weinig onderhoud. Bovendien is de koppel-snelheidskarakteristiek dezelfde als die van de gelijkstroommotor, een lineair verband [4] als functie van de toegepaste spanning. |   |
De AC-inductiemotor is anders opgebouwd en functioneert anders dan de DC-motor. De constructie van de wisselstroommotor heeft een gewikkelde stator en een gegoten rotor [5]. De rotor is zeer eenvoudig van constructie, bestaande uit lamellen, gegoten aluminium en een as. Hoewel de constructie helemaal anders is dan bij de BLDC, is het concept nog steeds hetzelfde: er wordt een magnetisch veld opgewekt dat rond de motor draait. In een inductiemotor maken de wikkelingen gebruik van de wisselstroom van een wisselstroombron om een roterend magnetisch veld te verkrijgen. De stroom in de wikkelingen creëert het magnetische veld dat de as doet draaien door de rotorstromen en een rotormagnetisch veld in de rotor te induceren. De statorwikkeling bepaalt de meeste prestatiekenmerken van de draaistroommotor. De uitgangssnelheid van de motor ligt vrij vast en is alleen afhankelijk van het aantal polen waarmee de stator is gewikkeld en de frequentie van de ingangsspanning. In tegenstelling tot een (BL)DC-motor heeft de waarde van de ingangsspanning geen invloed op de snelheid, alleen de frequentie van de ingangsbron. Het belangrijkste voordeel van een AC-inductiemotor is dat hij geen gebruikelijke slijtdelen heeft zoals borstels en commutators. De afwezigheid van deze onderdelen zorgt voor een lange levensduur en weinig onderhoud. In feite wordt de levensduur van een AC-inductiemotor, indien goed toegepast, alleen beperkt door de lagers. Het aanloopkoppel is het belangrijkste nadeel van een IM [6]. Geavanceerde regeltechnieken, zoals Field Oriented Control (FOC) of Direct Torque Control (DTC) maken een volledige koppelregeling bij lage toerentallen mogelijk. Voor de werking is een digitaal gestuurde omvormer nodig. |   |
De synchrone motor met permanente magneet is een synchrone wisselstroommotor waarvan de veldbekrachtiging wordt geleverd door permanente magneten [7], en die een sinusvormige back EMF-golfvorm heeft. De PMSM is een mix tussen een inductiemotor en een borstelloze gelijkstroommotor. Net als een borstelloze gelijkstroommotor heeft hij een rotor met permanente magneet en wikkelingen in de stator. De statorstructuur met wikkelingen, geconstrueerd om een sinusvormige fluxdichtheid in de luchtspleet van de machine te produceren, lijkt echter op die van een inductiemotor. De vermogensdichtheid is hoger dan bij inductiemotoren met hetzelfde vermogen, omdat geen statorvermogen wordt gebruikt voor de productie van het magnetische veld van de rotor. PMSM worden gewoonlijk gebruikt voor krachtige en zeer efficiënte motoraandrijvingen. Een krachtige motorregeling wordt gekenmerkt door een soepele rotatie over het gehele toerentalbereik van de motor, een volledige koppelregeling bij nulsnelheid en een snelle acceleratie en deceleratie. Met permanente magneten kan de PMSM koppel bij nulsnelheid genereren; voor de werking is een digitaal gestuurde regelaar nodig. Om een dergelijke regeling te bereiken worden voor PMSM vectorregeltechnieken gebruikt. De vectorregelingstechnieken worden gewoonlijk ook aangeduid als veldgerichte regeling (Field oriented control: FOC). |  |
De laatste jaren is de synchrone reluctantiemotor commercieel levensvatbaar geworden als hoogrendementsalternatief voor de inductiemotor. Het kernidee van een SynRM-motor is dat de rotor geen wikkelingen of magneten heeft, maar alleen elektrische stalen platen die op elkaar gestapeld zijn om een rotorpakket te vormen. SynRM is een type elektromotor zoals een reluctantiemotor met een ferromagnetische rotor die geen wikkelingen bevat, maar niet-permanente magnetische polen opwekt. Deze rotor genereert koppel door middel van magnetische reluctantie. Dit soort motor is individueel opwindend, en de rotor die in deze motor wordt gebruikt is asymmetrisch. De reluctantiemotor is verkrijgbaar in verschillende typen, zoals synchrone reluctantiemotor, variabele reluctantiemotor, geschakelde reluctantiemotor en variabele stappenreluctantiemotor. In het begin van de 21e eeuw werd deze motor beperkt gebruikt omdat het ontwerpen en regelen ervan moeilijk was. Geavanceerde regeltechnieken [9], zoals Field Oriented Control (FOC) of Direct Torque Control (DTC) lossen deze problemen op, samen met de verbetering binnen ingebedde systemen. In tegenstelling tot een inductiemotor heeft een SynRM-rotor geen geïnduceerde stroom en dus geen verliezen. Dit maakt de SynRM tot de perfecte combinatie van eenvoud en efficiëntie. |  |
Geschakelde reluctantiemotoren krijgen veel belangstelling in industriële toepassingen [11] zoals windenergiesystemen en vooral elektrische voertuigen vanwege hun eenvoudige en robuuste constructie, hun snelle werking, hun ongevoeligheid voor hoge temperaturen (een zwak punt van permanente-magneetmotoren), en hun fouttolerantie. Een SRM is een elektromagnetische roterende machine die koppel genereert door de neiging van het beweegbare deel om te bewegen naar een positie [12] die de inductie van de opwindende wikkeling maximaliseert. Fabrikanten van SRM beweren dat zij betere prestaties en betrouwbaarheid, een hoger rendement en een lagere prijs bieden dan standaard inductie- of andere motoren met regelbare snelheid. |  |
Motorbelastingskoppels
Belastingskoppels worden gewoonlijk beschreven in twee categorieën: constant koppel en ventilator of pompkoppel.
De personenlift en takelen zijn voorbeelden van constante kracht/koppel belasting. Ventilatoren en pompen worden gewoonlijk genoemd als voorbeelden van een koppel dat snelheidsafhankelijk is. Gewoonlijk is de aandrijving tegen de lucht evenredig met de snelheid. Pompen hebben soortgelijke kenmerken, maar de evenredigheid van de aandrijving vereist een hoger vermogen voor de snelheid.
Beide kenmerken hebben het voordeel dat de motor bij het starten nauwelijks een koppel nodig heeft. In de praktijk is de statische wrijving te overwinnen, zodat de praktische belastingskarakteristieken voor een ventilator en die voor een inductiemotoraandrijving vorm krijgen. Het verschil tussen het koppel van de motor en dat van de belasting toont aan dat er een goed voordeel is dat een snelle acceleratie naar de bedrijfstoestand veroorzaakt.
De motor en zijn omgeving
Bij de keuze van een motor is één factor onafhankelijk van het circuit van de motor. Deze factor is de omgeving waarin hij moet functioneren. Daartoe worden vier soorten omgevingsfactoren in aanmerking genomen:
- Het binnendringen van materialen
- Het binnendringen van water
- Koelingssysteem
- Koelvermogen
Niet alle motoren werken in een schone atmosfeer, hoewel de meeste werken in een atmosfeer met niet meer dan een beetje stof. De normen van de Internationale Elektrotechnische Commissie voorzien in een reeks beschermingsniveaus, te beginnen met de noodzaak om vaste stofdeeltjes ter grootte van een tennisbal buiten te houden. Bij een dergelijke motor maken we ons duidelijk geen zorgen over het stof dat de motor binnenkomt, maar wel over het buitenhouden van onze handen. Geleidelijk aan wordt het gamma steeds kleiner tot we zelfs stof willen buitenhouden. Naast de ophoping van stof op bewegende delen is er het gevaar van ontsteking van het stof. Samenvatting van de IP-beschermingsgraden zoals beschreven in DIN 40050, 7.80, IEC 529 en IEC 947-1 app. C. IP-beschermingsgraden [13] worden beschreven met twee cijfers, waarbij de laagste beschermingsgraad IP00 is en IP68 de hoogste. In de regel kunnen we stellen dat hoe hoger de IP-graad, hoe beter het apparaat beschermd en geïsoleerd is tegen het binnendringen van externe elementen. Het eerste cijfer verwijst naar het binnendringen van vaste lichamen, terwijl het tweede cijfer verwijst naar het binnendringen van water:
| Getal | eerste getal: maat van bescherming tegen indringen van materialen | tweede getal: maat voor bescherming tegen indringen van water |
| 0 | Geen bescherming | Geen bescherming |
| 1 | Bescherming tegen indringen van materialen tot 50mm. | Bescherming tegen indringen van verticaal vallende waterdruppels (200 mm hoogte, 10 minuten aan 3-5mm³ per minuut) |
| 2 | Bescherming tegen indringen van materialen tot 12.5mm. | Bescherming tegen indringen van verticaal vallende waterdruppels (200 mm hoogte, 10 minuten aan 3-5mm³ per minuut), ook als het toestel tot 15° gedraai wordt in zowel verticale als horizontale richting ten opzichte van de normale positie. |
| 3 | Bescherming tegen indringen van materialen tot 2.5mm. | Water mag niet binnendringen onder een hoek van maximaal 60° rechts en links van de verticaal bij een gemiddelde van 11 liter per minuut en een druk van 800-100 kN /m2 gedurende ten minste 5 minuten. |
| 4 | Bescherming tegen indringen van materialen tot 1mm. | Water mag niet binnendringen dat, ongeacht de hoek, met een gemiddelde van 10 liter per minuut en een druk van 800-100 kN / m2 gedurende ten minste 5 minuten tegen het onderwerp wordt geworpen. |
| 5 | Beschermd tegen het binnendringen van stof (de hoeveelheid die binnendringt verstoort de werking van het apparaat niet). | Water mag niet binnendringen dat met een straal (uit welke hoek ook) door een spuitopening met een diameter van 6,3 mm wordt geworpen bij een gemiddelde van 12,5 liter per minuut en een druk van 30 kN /m2 gedurende ten minste 3 minuten en op een afstand van ten minste 3 meter. |
| 6 | Volledig beschermd tegen het binnendringen van stof. | Water mag niet binnendringen dat (vanuit welke hoek dan ook) door een sproeier met een diameter van 12,5 mm wordt gespoten bij een gemiddelde van 100 liter per minuut en een druk van 100 kN / m2 gedurende een tijd van ten minste 3 minuten op een afstand van ten minste 3 meter. |
| 7 | / | Het toestel moet bestand zijn tegen indringen van water bij volledige onderdompeling gedurende 30 min tot op 1m diepte. |
| 8 | / | Het toestel moet bestand zijn tegen indringen van water gedurende continue onderdompeling gedurende de tijd en op de diepte die door de fabrikant van het product in overleg met de klant zijn aangegeven. |
Water kan de isolatie van de motor aantasten. Sommige motoren kunnen te maken krijgen met druppelend water of af en toe een waterstraal en in extreme situaties in het water worden ondergedompeld. Deze situaties geven daarom aanleiding tot verschillende ontwerpen voor de behuizing van de motoren.
Motoren worden over het algemeen gekoeld door een ventilator die op het uiteinde van de rotor is gemonteerd en die lucht tussen de rotor en de stator laat stromen. Stel echter dat we stof hebben buitengesloten. In dat geval kunnen we waarschijnlijk geen lucht (tenzij gefilterd) door de motor laten stromen, en zou de warmte via het oppervlak van de behuizing moeten worden afgegeven. Motoren die in water zijn ondergedompeld kunnen heel goed in koudere situaties verkeren, waardoor oppervlaktekoeling beter mogelijk is. Ten slotte hoeft de ventilator niet op de rotoras te worden gemonteerd, maar kan hij een aparte eenheid zijn met een eigen motor. Dit is vooral belangrijk wanneer het toerental veel lager is dan het nominale toerental, aangezien de ventilator ontworpen is om optimaal te werken bij het onttrekken van de warmte bij het nominale toerental. Daarom moet worden nagegaan hoe het koelcircuit wordt aangedreven.
Field-oriented Control (FOC) en Direct Torque Control (DTC) zijn populaire vectorbesturingsmethoden van elektrische aandrijvingen, voornamelijk motoren.
Elektrische aandrijvingen bestaan uit 4 hoofdonderdelen, namelijk de (i) vermogensmodulator (vermogenselektronica), (ii) de elektromotor, (iii) de sensor zoals stroom-, spanningssensoren en/of encoder, (iv) en ten slotte het regelalgoritme en de regeleenheid. Elektromotoren hebben een essentiële rol gespeeld in de industriële revolutie, aangezien zij in elke hoeksteentoepassing ter wereld aanwezig zijn.
De vermogenselektronica is verantwoordelijk voor het transformeren en schalen van elektrische energie. Afhankelijk van de bron, een driefasig net of een gelijkstroombatterij of brandstofcel, moet de elektrische energie worden omgezet van wisselstroom naar gelijkstroom en vervolgens moet de gelijkstroomspanning worden omgezet in een wisselspanning met de juiste golfvorm, frequentie en amplitude. De golfvorm hangt voornamelijk af van de gekozen motor. Een driefasige sinusgolf voor een PM-synchrone machine of een driefasige blokgolf voor een borstelloze gelijkstroommachine. Elektrische aandrijvingen zijn speciaal samengesteld uit meerdere motoren om de zware belasting aan te kunnen en een efficiënte output te geven.
Elektrische aandrijvingen, hetzij AC of DC, hebben het regelcentrum nodig en de verschillende regelmethoden spelen, samen met de parameters van de motor, een cruciale rol in het leveren van de efficiënte output van de aandrijving. In de motor zijn er verschillende soorten snelheidsregelingsmethoden, zoals spanningsregeling, veldregeling, stroomregeling, frequentieregelingsmethoden, enz. Deze worden allemaal gebruikt afhankelijk van de vereiste output.
Voor de snelheidsregeling en andere variaties in de aandrijvingen worden veel vermogenselektronica en "Flexible Alternating Current Transmission" (FACT) toestellen gebruikt. De AC-aandrijvingen worden voornamelijk geregeld door een effectieve elektromagnetische koppel- en magnetische fluxregeling. De AC-aandrijvingen bestaan vooral uit inductiemotoren en synchrone motoren met permanente magneet, omdat zij uitzonderlijke resultaten opleveren in vergelijking met andere motoren die op AC-voeding werken.
Met de toename van het gebruik en de invoering van moderne technologieën is er veel behoefte aan vooruitgang in de besturing van de aandrijvingen. Er is vooral behoefte aan regeling van het elektromagnetische koppel en het magnetische veld van de motor, aangezien de elektrische aandrijvingen hoofdzakelijk hierdoor worden gestuurd. De "Field-oriented control" en de "Direct torque control" methodes regelen het veld en het elektromagnetische koppel. Deze regelmethodes werden rond de jaren tachtig op het cruciale punt van de industriële revoluties werden geïntroduceerd. Met deze methoden worden de dynamische prestaties en het verwachte vermogen verkregen.
Field-oriented Control (FOC)
Field-oriented control heeft een bijzondere configuratie met de lineaire regelaars en de techniek van de Pulse Width Modulation (PWM) om de belastingsspanning van de elektromotor te regelen. Deze FOC wordt voornamelijk gebruikt voor de regeling van synchrone permanente-magneetmotoren, inductiemotoren en borstelloze gelijkstroommotoren en heeft de beste regelmogelijkheden over het volledige koppel- en snelheidsbereik.
Dit is de rotorveldbesturingsmethode die de rotoren van de elektrische aandrijvingen bestuurt. De FOC bestaat uit twee primaire modi zoals veldregeling en koppelregeling, voor de uitvoering van de veldgerichte regelmethode is de transformatie nodig van de statorstromen van het stationaire referentieframe naar het rotorfluxreferentieframe van de elektromotor. Bij tractietoepassingen wordt meestal gebruik gemaakt van koppelregeling door het rotorkoppel als referentie te nemen. Bij de koppelregeling-modus volgt deze het referentiekoppel, terwijl het bij de toerentalregeling-modus het referentietoerental van de motor volgt.
De FOC heeft real-time feedback nodig, aangezien de uitvoering van het algoritme van de veldgerichte regeling real-time feedback over de stromen en de rotorpositie nodig heeft, zodat het algoritme kan worden aangepast aan de vereiste output. De sensoren worden gebruikt voor de terugkoppeling van de stromen en de rotorpositie, zodat de FOC de nodige wijzigingen in de elektrische parameters en het algoritme kan aanbrengen. De op sensoren gebaseerde terugkoppeling geeft de exacte waarden aan het FOC-algoritme en gebruikt wiskundige methoden om de aandrijvingen te besturen.
Figuur: FOC Terörde, G. (2004) Electrical drives and control techniques, Interface. Leuven: ACCO, Belgium.
Direct Torque Control (DTC)
Bij Direct torque control worden variabele frequenties gebruikt om het koppel van wisselstroommotoren te regelen. Het is het meest gebruikte koppelregelalgoritme in de industrie, omdat het de vereiste output dynamisch geeft. De directe koppelregeling gebruikt alleen lineaire omvormers om de elektrische aandrijvingen te regelen. Er worden geen modulatoren gebruikt zoals bij de FOC, waardoor het de zuinige methode is om de aandrijvingen te besturen.
DTC gebruikt voornamelijk methoden met twee regelkringen om de aandrijvingen te regelen, zoals de snelheidsregeling en de koppelregelkringen die samenwerken met het motormodel. De DTC gaat uit van de koppelwaarden en vergelijkt deze met de waarden van de aandrijvingen. De uitgang van de comparator bepaalt de uitgang van de DTC. De Direct torque control is een van de eenvoudigste en meest economische regelaars.
Figuur: DTC
Wanneer beide methoden met elkaar worden vergeleken, maakt de DTC een strakke regeling van het motortoerental en het koppel mogelijk en is de direct torque control een sensorloze regeling die in vergelijking met de FOC alleen de parameters voor vergelijking vereist. Een andere belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden, is dat voor de DTC geen modulatoren in de regelmethode nodig zijn, waardoor de verwerkingstijd van de DTC wordt verlengd en de koppelrespons ook toeneemt. FOC heeft het beste regelvermogen over het gehele koppel- en toerentalbereik, wat leidt tot een lagere koppelrimpel en lagere schakelverliezen.
[1]: https://myelectrical.com/notes/entryid/106/understanding-motor-duty-rating
[2]: https://www.nxp.com/files-static/motor_control/doc/brochure/BRMOTORCONTROL.pdf
[3]: https://www.tesla.com/blog/induction-versus-dc-brushless-motors
[4]: https://www.motioncontroltips.com/torque-equation/
[5]: https://www.groschopp.com/wp-content/uploads/Basics-of-Motor-Selection-Whitepaper.pdf
[6]: https://electricalacademia.com/induction-motor/torque-speed-characteristics-induction-motor/
[7]: https://be.farnell.com/motor-control-permanent-magnet-sync-motor-pmsm-technology
[8]: https://www.elprocus.com/synchronous-reluctance-motor-working/
[9]: System, I., & Guide, O. (n.d.). User Guide UG08091 IRMCF312 Application Circuit. 1–14.
[10]: https://www.linquip.com/blog/switched-reluctance-motor/
[11]: https://www.punchpowertrain.com/nl/producten/23/ep2
[12]: J. A. Melkebeek, Power Systems Electrical Machines and Drives Fundamentals and Advanced Modelling. Cham: Springer International Publishing, 2018.