NL2006836C2 - Optimaliseren rendement aandrijfmotoren. - Google Patents

Description

- 1 -

OPTIMALISEREN RENDEMENT AANDRIJFMOTOREN

De uitvinding heeft in het bijzonder doch niet daartoe beperkt betrekking op een generator die een aandrijfmotor 5 belast om deze aandrijfmotor een extra dynamische belasting te geven die het rendement van de aandrijfmotor optimaliseert en deze generator zet deze belasting om in herbruikbare energie.

In de literatuur zijn er veel oplossingen om een 10 aandrijfmotor efficiënter te laten opereren. Middels frequentieregelaars en optimalisatie van ontwerp van de configuratie en aandrijfmotor.

Het doel van de uitvinding is een werkwijze en systeem te ontwerpen dat aan een aandrijflijn wordt toe gevoegd zonder 15 de aandrijflijn te onderbreken en de aandrijfmotor in bedrijfscondities extra te belasten om op optimaal werkpunt qua rendement te opereren.

De belasting wordt in dat geval zelfs efficiënt teruggeleverd aan het elektriciteitsnet of aan batterijen. 20 Het doel wordt bereikt door in een mogelijke praktische toepassing een generator als regelbare mechanische energie verbruikende eenheid in de aandrijflijn te plaatsen die dan gecontroleerd kan worden bekrachtigt. Hierdoor is de actuele mechanische aslast als som van nominale en extra 25 aslast regelbaar geworden. Dit is één van de mogelijkheden om het werkpunt van de aandrijfmotor te verleggen naar een optimaler rendement. Een andere mogelijkheid is om een regelbare extra aslast in de aangedreven as op te nemen, bijvoorbeeld door een extra generator aan te koppelen, 30 waardoor veelal binnen het nominale werkgebeid van de motor optimalisatie van het rendement mogelijk wordt.

De generator kan indien bedreven als motor ook de aandrijfmotor helpen als er extra vermogen nodig is om bij een optimaal rendement te blijven opereren. Dit leidt dan 35 niet tot een teruglevering van elektriciteit aan het elektriciteitsnet. Maar de efficiëntie van de aandrijflijn - 2 - wordt wel verhoogd omdat het totale energie verbruik minder kan zijn dan het systeem zonder generator. Bijkomend voordeel is dat als de generator als inverter bij storing niet meer werkt de aandrijflijn gewoon blijft werken, 5 waardoor de as met daarop mogelijk andere energie verbruikende eenheden blijft draaien, zij het niet bij een optimaal rendement.

De opstelling waarin de testen van de uitvinding zijn gedaan is weergegeven in Figuur 1.

10 Een generator 1 is als primair aan te drijven object in een aandrijflijn geplaatst op een door een motor 2 aangedreven as 3. Omdat alle motoren in een aandrijflijn ook moeten aanlopen hebben de meeste motoren een hoger koppel dan nodig is om te werken onder nominale of bedrijfscondities. 15 Meestal wordt de generator 1 in bedrijfsconditie ingeschakeld, waardoor daarna het systeem met motor en in dit geval de generator 1 nominaal werkt.

Als de generator 1 zodanig wordt geregeld dat de belasting op de as 3 wordt gevarieerd, veelal toeneemt, dan kan 20 daarmee het rendement van de regelbare motor 2 worden gevarieerd en geoptimaliseerd. De generator 1 levert dan meer energie bij een hoger rendement, dan nodig en het overschot kan desgewenst wordt gebruikt, bijvoorbeeld om aan het elektriciteitsnet te worden teruggeleverd of om een 25 accu/batterij op te laden.

Als de betreffende eenheid niet regelbaar is, wat bijvoorbeeld bij een ventilator of airco het geval zou kunnen zijn, dan kan met de as 3 ten minste één extra mechanische energie verbruikende eenheid 4, bijvoorbeeld 30 een extra generator, worden gekoppeld. Dit is in figuur 1 getoond. De eenheid 4, in de vorm van in dit geval de extra generator 4 levert extra beschikbare energie en deze energie, alsmede de nominale energie, komen bovendien beschikbaar bij een maximaal motorrendement. Hierdoor wordt 35 voordeel op voordeel gestapeld. Alhoewel de extra eenheid 4 - 3 - bijvoorbeeld een pomp, een compressor, een ventilator of dergelijke kan zijn heeft een in een in een optimaler werkpunt werkende generator 1, eventueel een extra generator 4 als voordeel dat teruglevering van elektrische 5 energie aan het net mogelijk wordt.

Optimalisatie van het rendement is mogelijk doordat een elektrische motor een last afhankelijk rendement heeft. De last bepaald het opgenomen elektrische vermogen van de motor, wat bij gegeven één- of meerfase spanning de 10 opgenomen actuele motorstroom is. De efficiëntie van bijvoorbeeld een asynchrone draaistroom motor is parabolisch afhankelijk van de gevraagde stroom in Ampère. Als de motor dus zwaarder wordt belast kan het totale verlies afnemen waardoor de efficiëntie van de motor 15 verbetert.

De efficiëntie is uitgezet in figuur 2 aan de hand van een mogelijk praktisch voorbeeld. In figuur 2 staat horizontaal de opgenomen stroom in Ampères van de motor en vertikaal het rendement van de motor. We zien hier dat als de 20 opgenomen stroom van de motor van 3,5 A naar 5,3 A gaat het rendement van 81% naar 96% gaat. Dit betekent dat de motor onder gelijke condities draait, er door een extra last minder verlies is en dus sprake is van efficiency winst.

Bij efficiënt terugleveren van die extra aslast kan het 25 totale verlies nog verder worden geminimaliseerd.

Figuur 3 geeft het verlies in de voornoemde motor weer als functie van de opgenomen stroom in Ampères. Het vermogen dat verloren gaat is bij 3,5 A ongeveer 500 W en bij 5,3 A ongeveer 180 W, dit kan dus geoogst worden door de 30 generator die extra is toe gevoegd aan de aandrijflijn.

Verrassenderwijs werkt het systeem op iedere aandrijflijn. Het vermogen is praktisch veelal minder dan 1 MW en in het bijzonder minder dan 100 kW en meer in het bijzonder kleiner dan 10 kW, zowel bij grid als off-grid applicaties. 35 Het zal duidelijk zijn voor de vakman dat er tal van - 4 - variaties mogelijk zijn die binnen de geldigheid van de bijgevoegde conclusies vallen.

Enige kern- c.q. detailpunten van de onderhavige werkwijze en het betreffende aandrijflijn systeem zijn: 5 - Optimaliseren rendement van een asynchrone aandrijfmotor door extra last in de aandrijflijn aan te brengen door koppeling van een generator aan de aandrijfmotor, en deze generator energie efficiënt terug te leveren aan het elektriciteitsnet in het bijzonder of aan 10 batterijen.

- De generator bekrachtigen en deze bekrachtiging zeer snel laten fluctueren om op deze manier dynamische wisselingen van de aandrijflijn te minimaliseren en de hieruit verstorende werking te minimaliseren. Een voorbeeld 15 hiervan zijn de hinderlijk hoorbare toerentalvariaties in airco of ventilatiesystemen die door de dynamische bekrachtiging- en belastingsvariaties kunnen worden tegengegaan.

- Monitoren van de aandrijflijn door de gegevens van 20 de last te koppelen aan de condities van de aandrijflijn en deze op afstand te monitoren.

- Tussen onderhoudstijden toch op maximaal rendement draaien van de aandrijfmotor door de generator bekrachtiging bij "schoon" bedrijf te compenseren en deze 25 verlagen als de vervuiling toeneemt, zodat de motor altijd op maximaal rendement draait.

- Bij dynamische belastingen kan de motor altijd op optimale rendement draaien en optimaal toerental door snelle reageren van de belasting.

30 - De belasting van de aandrijflijn wordt zeer efficiënt omgezet naar het net dan wel de batterijen.

- Tijdens aanlopen van de aandrijflijn wordt er geen extra belasting en in het bijzonder wordt de aandrijflijn geholpen door de belasting.

- 5 - - Bij storing van de belasting blijft de aandrijflijn zonder interruptie door draaien door de belasting niet aan te brengen en door vrijlopen van de belasting.

- De belasting kan in bestaande aandrijflijnen worden 5 aangebracht danwel tijdens productie in de aandrijflijn worden gemonteerd.

- De belasting kan bij ieder vermogen van 0,5 kW tot 1MW worden aangebracht.

- De belasting kan bij ieder toerental van 1 rpm tot 10 100000 rpm worden aangebracht.

- De belasting kan bij ieder toepassing waarbij er sprake is van aandrijven worden toegepast.

- De belasting kan bij stationaire en dynamische aandrijflijnen worden aangebracht.

Claims (12)

1. Werkwijze waarbij een elektrische motor een 5 aangedreven as heeft waarmee een mechanisch aan te drijven last is gekoppeld die de motor in diens nominale werkgebied met een zeker rendement, zijnde de verhouding tussen de aan de motor toegevoerde elektrische energie en de aan de aangedreven as geleverde arbeid, doet werken, met het 10 kenmerk dat het rendement als functie van de aslast wordt beïnvloed door bovenop de nominale aslast een extra aslast te introduceren waarmee het rendement wordt gemaximaliseerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de extra aslast na het opstarten van de motor met de as wordt gekoppeld.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk 20 dat de aslast c.q. de extra aslast wordt gevormd door een met de as gekoppelde en/of te koppelen mechanische energie verbruikende eenheid, zoals een pomp, een compressor, een ventilator, een elektrische generator of een extra elektrische generator. 25

4. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-3, met het kenmerk dat de motor van een type is waarvan het rendement als functie van de aslast een berg parabolisch verloop heeft. 30

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk dat het berg parabolische verloop binnen het nominale werkgebied van de motor ligt. - 7 -

6. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-5, met het kenmerk dat motor een rotatiemotor is.

7. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-6, met 5 het kenmerk dat motor een synchrone of een asynchrone, één of meerfase motor is.

8. Werkwijze volgens één van de conclusies 1-7, met het kenmerk dat een aantal elektrische motoren op één of 10 meer onderling gekoppelde en met de aangedreven as gekoppelde assen zit.

9. Aandrijfsysteem omvattende ten minste één elektrische motor, ten minste één mechanische energie 15 verbruikende met de motor gekoppelde eenheid, en een op de ten minste ene motor en de ten minste ene eenheid aangesloten besturing voor een nominaal bedrijven van het aandrijfsysteem, met het kenmerk dat de besturing is ingericht om tijdens het nominale bedrijf de eenheid in te 20 stellen op een extra, c.q. verhoogd, het motorrendement verbeterend energieverbruik.

10. Aandrijfsysteem omvattende ten minste één elektrische motor, ten minste één mechanische energie 25 verbruikende met de motor gekoppelde eenheid, en een op de ten minste ene motor en de ten minste ene eenheid aangesloten besturing voor een nominaal bedrijven van het aandrijfsysteem, met het kenmerk dat het aandrijfsysteem een extra mechanische energie verbruikende op de besturing 30 aangesloten eenheid omvat, en dat de besturing is ingericht om tijdens het nominale bedrijf de extra eenheid in te stellen op een extra, c.q. verhoogd, het motorrendement verbeterend energieverbruik. - 8 -

11. Aandrijfsysteem volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk dat het aandrijfsysteem deel uitmaakt van een ventilatiesysteem, een airco systeem, een koelsysteem, een verwarmingsysteem, een tractiesysteem. 5

12. Toepassen van de werkwijze volgens één van de conclusies 1-9 bij het tegengaan van toerentalfluctuaties en daarmee gepaard gaande geluidsfluctuaties in aandrijfsystemen die ten minste één motor omvatten. 10