Synchronische reactieve motoren: energie-efficiëntie zonder zelden aarde magneten voor industriële aandrijvingen

1. Inleiding

De industrie in Oekraine stoot op een kritieke behoefte aan verlaging van energieverbruik en modernisatie van verouderde elektrische machines. Volgens de statistiek van de machinebouwassociaties verbruiken elektrische motoren tot 70% van de totale elektrische energie in de industrie. Traditionele kortsluitende asynchrone motoren volgens de standaarden IE1 en IE2 hebben hun modernisatiecapaciteit opgebruikt. Tegelijkertijd is de overgang naar motoren met permanente magneten (PM) vaak beperkt door geopolitieke en economische risico's, gekoppeld aan het tekort en de hoge kosten van zeldzame aarde-elementen zoals neodym (Nd) en dysprosium (Dy).

Een alternatief met hoge technische prestaties zijn synchrone reactiesmotoren (SynRM). Ze combineren de eenvoud van de constructie van asynchrone machines met de energie-efficiëntie van synchrone systemen zonder het gebruik van permanente magneten. Voor hoofdingenieurs en de afdelingen hoofdmechaniek van Oekraïense ondernemingen is het begrijpen van de werking, kenmerken van het kiezen en het onderhouden van SynRM een kritieke stap om energie-efficiëntie-niveaus van niveau IE4 en IE5 te bereiken volgens de standaard IEC 60034-30-1.

Bedrijf UNITEC-D GmbH (Augsburg, Duitsland) levert industriële componenten aan ondernemingen in Oekraïne, waaronder moderne aandrijfcomponenten, aangepast aan de technische regelgeving van Oekraïne en gekeurd volgens de eisen van CE en UkrSEPRO. In dit artikel bespreken we gedetailleerd de ingenieursprincipes, berekening en bediening van synchrone reactiviteitmotoren.

2. Fundamentele principes

Synchronisatie reactieve motor werkt op basis van het principe van magnetisch weerstand (reluktantie). In tegenstelling tot de asynchrone motor, waar het koppel wordt gegenereerd door interactie tussen het magnetisch veld van de stator en de stromen in de rotor, heeft de rotor van SynRM geen wikkelingen en geen permanente magneten. Hij wordt gemaakt van elektrotechnische staal met geprofileerde luchtspleten (magnetic barriers), die kanalen vormen voor de magnetische flux.

De basis van het opwekken van een koppel is het verlangen van de rotor om een positie te innemen met het minste magnetische weerstand ten opzichte van het rotatieveld van de stator. De magnetische geleidbaarheid langs de as van de rotor (as $d$ — directe as) is aanzienlijk hoger dan langs de dwarsas ($q$ — quadratuur-as). Het verhouding van de inducties langs deze assen ($L_d / L_q$) wordt de saliency ratio (inductance ratio of saliency ratio, $\xi$) genoemd.

Elektromagnetische moment $T$ in een synchroon reactieve motor wordt beschreven door de vergelijking:

de:

• $p$ — aantal poolparen;
• $L_d, L_q$ — inducties langs de assen $d$ en $q$ respectievelijk;
• $I_d, I_q$ — componenten van de statorstroom langs de assen $d$ en $q$.

Om hoge efficiëntie- en vermogenscoëfficiënten $(\cos\varphi)$ te bereiken, hebben moderne rotorconstructies een meervlakkenstructuur van barrières. Dit stelt het mogelijk om een waarde van $\xi$ te bereiken in het bereik van 6 tot 10 en hoger. Aangezien er in de rotor geen windingen zijn, zijn de rotorverliezen (koperverliezen) bijna nul ($P_{Cu,r} \approx 0$). Dit zorgt voor een vermindering van de totale warmteverliezen van de machine met 20-40 in vergelijking met gelijkwaardige asynchrone motoren en verlaagt de verwarmings temperatuur van de lagersystemen aanzienlijk.

3. Technische specificaties en standaarden

Ontwerp, productie en bedrijfsvoering van synchrone reactieve motoren zijn onderhevig aan een streng systeem van internationale en nationale standaarden. Aangezien het werken van SynRM niet mogelijk is zonder frequentieomvormer (VFD), zijn de eisen aan de elektrische aandrijving in het algemeen complex.

• IEC 60034-1: Elektrische wisselstroommachines met draaibare rotor. Nominaalgegevens en kenmerken.
• IEC 60034-30-1: Klasse energie-efficiëntie van draaiende elektrische machines (code IE). Normalisatie van niveaus IE4 (Super Premium) en IE5 (Ultra Premium).
• IEC 60034-2-1: Standaardmethoden voor bepaling van verliezen en nuttige vermogen op basis van proeven.
• IEC 60034-25: Aanvragen aan variabele frequentieomvormers aangedreven motoren.
• ISO 10816 / ISO 20816: Vibrationstoetsing van de mechanische toestand van machines.
• DSTU EN 60034 (harmoniseerd met Europese normen in Oekraine) en aanwezigheid van certificaten van conformiteit UkrSEPRO en CE.

Een belangrijke kenmerk bij het gebruik is de isolatieklasse van de statorwikkelingen. Meestal wordt de isolatieklasse F gebruikt met een temperatuuruitvoer boven de klasse B (thermische reserve voor werken met impulsspanningen van VFD volgens de standaard IEC 60034-18-41).

4. Handleiding voor selectie en berekening (Selection & Sizing Guide)

Het kiezen van een synchroon reactiv motor verschilt aanzienlijk van het kiezen van een asynchrone motor. Aangezien een start zonder nettoevoer (Direct-On-Line) onmogelijk is vanwege het ontbreken van een startwinding, wordt het complex "motor + frequentieomzetter" beschouwd als een enkel geheel. De selectie-algoritme omvat de analyse van het belastingsprofiel, het bepalen van het traagheidsmoment en de berekening van de overbelastingsvermogen.

Algoritme voor het controleren van het moment bij het kiezen:

De overbelastingscoëfficiënt $k$ voor SynRM ligt meestal tussen 2,0 en 2,8, afhankelijk van de dynamiek van de technologische proces (bijvoorbeeld pompen, compressoren, transportbanden).

5. Beste montage- en inbeddingspraktijken

Montage van industriële aandrijvingen op basis van SynRM vereist hoge kwalificatie van personeel. Fouten bij instelling van de frequentieomvormer leiden tot verlies van synchronisatie of verhoogde trillingen.

1. Mechanisch uitlijnen (Alignment): Gebruik uitlijningslasersystemen. Toegestane radiale en axiale wankeling van de koppeling mag niet meer dan 0,05 mm zijn voor snelheden tot 3000 omw/min. Volg de standaarden ISO 10791.
2. Aansluiten van kabels: Gebruik geschermd symmetrische voedingskabels om elektromagnetische storingen (EMC) te verminderen. De scherm van de kabel wordt aan beide uiteinden aangesloten op de chassis van de motor en het omzetter via EMC-sleutels.
3. Instellingen VFD: Schakel het gespecialiseerde controlemodus SynRM (Closed-loop of Sensorless Vector Control) in voor synchroon reactiviteit machines. Het is noodzakelijk om de motoridentificatieprocedure (autotuning) uit te voeren voor nauwkeurige meting van de inducties $L_d$ en $L_q$.
4. Onderzoek van lagers: Aangezien de rotor geen verwarming vertoont, werken de lagerunits bij een lagere temperatuur (10-15°C lager dan bij gelijkaardige asynchrone modellen). Het wordt aanbevolen om hoge temperatuur olie toe te passen volgens DIN 51825 (klasse KP2N-30 of gelijkaardige).

6. Modus van falen en oorzaakanalyse (RCA)

Ondanks de hoge betrouwbaarheid van de constructie van SynRM, leiden storingen in de exploitatieomstandigheden tot typische storingen. Hieronder volgt een matrix van oorzaak en gevolg (Root Cause Analysis):

• Verlies van synchronisatie (Loss of Synchronism):
  *Visuele/systemische indicatoren:* Fout in frequentieomvormer (Overcurrent / Out of step), scherpe stop of schok op de as, verschijnen van geluid. *Oorzaak:* Overtreding van het maximale start- of werkmoment, onjuist ingestelde parameters van de acceleratiecurve in de VFD, te lage capaciteit van de DC-link van de omvormer.
• Hoog niveau van trillingen bij toerental van de motor:
  *Visuele/systemische indicatoren:* De trillingsfrequenties corresponderen met het toerental van de rotor of zijn veelvouden ervan (ISO 20816). *Oorzaak:* Verstoord balans van de rotor door het terechtkomen van vreemde deeltjes in de luchtkanalen (bij schending van de schoonheidsklasse IP) of mechanische schade aan de koppeling.
• Isolatiefout van de statorwikkeling:
  *Visuele/systematische indicatoren:* Aanloop van aardlekscherm, verlaagde isolatieweerstand onder 10 MOhm (met een megohmmeter van 1000 V). *Oorzaak:* Hoge impulsoverspanningen ($dU/dt$) van slechte of lange kabels zonder gebruik van uitgangsfilters (du/dt filters of sinusfilters).

7. Voorspellend onderhoud en toestandssurveillance (Predictive Maintenance)

Voor het maximaliseren van de MTBF-waarde (die voor SynRM 100.000 uur bereikt) worden in bedrijven in Oekraïne systemen voor continu toestandmonitoren (Condition Monitoring Systems - CMS) ingevoerd. Aangezien de aandrijving werkt onder beheer van een frequentieomzetter, heeft de standaard vibratieanalyse zijn eigen kenmerken.

Hoofdmethoden van diagnose:

• Analyse van de stroomsignatuur van de motor (MCSA — Motor Current Signature Analysis): Stelt het in staat om excentriciteit van de rotor, defecten in de lagers en belastingproblemen te detecteren via spectrale analyse van het statorstroomverbruik zonder extra sensoren op de motor te installeren.
• Vibratie monitoring op lagerschermen: Gebruik van piezoelektrische versnellingsmetingen met een opnamefrequentie tot 10 kHz voor het detecteren van vroegere fasen van slijtage van roterende lagers (impulsmethode SPM).
• Thermografische inspectie: Periodieke controle van de klemkastverbindingen en de motorlichaam volgens ISO 18433.

8. Vergelijkende matrix van versnellingsbakkenvarianten

9. Conclusie

Synchronische reactieve motoren zijn een technologische standaard voor industriële ondernemingen die het energieverbruik willen verlagen tot het niveau IE4/IE5 zonder risico's die gepaard gaan met het gebruik van zeldzame aarde materialen. De afwezigheid van verliezen in de rotor, een hoge vermogensfactor en een verlengde levensduur van de lagersystemen maken SynRM de beste keuze voor pompen, ventilatoren, compressoren en transportbanden in de Oekraïense industrie.

Bedrijf UNITEC-D GmbH levert gekeurde industriële componenten voor het moderniseren van aandrijftechniek volgens Europese normen en de eisen van de Oekraïense markt. Bekijk onze volledige assortiment elektrische apparatuur en onderdelen in ons <את>elektronische catalogus via het link: https://www.unitecd.com/e-catalog/.

10. Referentie

1. IEC 60034-30-1:2014. Roterende elektrische machines - Deel 30-1: Efficiëntieklassen van netgemotoriseerde AC-motoren (IE-code). Internationale Electrotechnische Commissie.
2. IEC 60034-2-1:2014. Roterende elektrische machines - Deel 2-1: Normatieve methoden voor bepaling van verliezen en efficiëntie uit metingen.
3. ISO 20816-1:2016. Mechanische trillingen - Meeten en beoordelen van machine trillingen.
4. IEEE Std 112-2004. IEEE Standaard Testproceduur voor Polyfasen Inductiemotoren en Generatoren.
5. Whitepaper: "Synchronous Reluctance Drive Technology - Energy Efficiency Without Rare Earths", ABB / Siemens Industrial Automation Technical Publications, 2022.