Optymalizacja sterowania silnikiem a efektywność energetyczna

Silniki są nieodłącznym elementem codziennego życia. Występują w urządzeniach domowych takich jak pralki, suszarki, zmywarki czy pompy basenowe. Są również kluczowe w motoryzacji – nowoczesne samochody mogą zawierać od 40 do nawet 100 silników, w zależności od modelu i wersji wyposażenia. W dużym stopniu opierają się na nich także środowiska przemysłowe, szczególnie w robotyce i automatyzacji produkcji. Według danych Energy Information Administration, około 50% globalnego zużycia energii przypada na silniki elektryczne. W zastosowaniach przemysłowych wartość ta może przekraczać 80%. Poprawa efektywności silników nawet o 1% mogłaby oznaczać oszczędność milionów kilowatogodzin dzienne. Dobitnie pokazuje to wagę tego zagadnienia.

Dodaj do ulubionych źródeł w Google
Posłuchaj
00:00

Na przestrzeni ostatnich dekad znacząco udoskonalono zarówno konstrukcję, jak i materiały stosowane w silnikach, co bezpośrednio przełożyło się na ich sprawność. Typowy silnik składa się z obudowy, wirnika, łożysk oraz stojana z uzwojeniami. Współczesne rozwiązania różnią się jednak znacząco od starszych konstrukcji. Przykładowo przejście z aluminium na miedź w uzwojeniach poprawiło przewodność i efektywność pracy. Jednocześnie lepsze tolerancje produkcyjne pozwoliły ograniczyć straty mechaniczne i hałas. Coraz częściej stosuje się materiały amorficzne zamiast klasycznych stali krzemowych, które charakteryzowały się dużymi stratami wirowymi i histerezowymi. Materiały takie jak metaliczne szkła znacząco ograniczają te straty, zwiększając sprawność.

W silnikach z magnesami trwałymi istotny postęp zapewniły magnesy z metali ziem rzadkich, np. neodymowo-żelazowo-borowe, oferujące dużą gęstość strumienia magnetycznego i moment obrotowy. Jednocześnie, ze względu na kwestie dostępności i zrównoważonego rozwoju, rozwijane są alternatywy oparte na ferrytach oraz stopach aluminium, niklu i chromu. Istotną zmianą było także przejście z łożysk ślizgowych na łożyska toczne, co ograniczyło tarcie i poprawiło trwałość oraz sprawność. W efekcie współczesne silniki są znacznie mniejsze przy tej samej mocy. Przykładowo nowoczesny trójfazowy silnik indukcyjny o mocy 5 HP jest około 80% lżejszy niż konstrukcja o tej samej mocy z początku XX wieku. Wynika to z użycia lżejszych materiałów oraz lepszych technologii izolacji cieplnej i elektrycznej.

Zastosowanie przemienników częstotliwości

Przemienniki częstotliwości (VFD) lub inaczej falowniki stały się standardem w sterowaniu prędkością silników i poprawie ich efektywności energetycznej. Umożliwiają one dopasowanie prędkości obrotowej silnika do aktualnego obciążenia, co znacząco zmniejsza zużycie energii. Dodatkowym krokiem rozwojowym było przejście z tranzystorów IGBT na technologię SiC, co pozwoliło zwiększyć sprawność oraz uzyskać szybsze przełączanie.

Przemienniki częstotliwości zrewolucjonizowały sterowanie silnikami, umożliwiając precyzyjną kontrolę prędkości i momentu obrotowego. W praktyce oznacza to, że silnik pracuje w optymalnym punkcie dla danego obciążenia. W tradycyjnych systemach regulacja często odbywa się za pomocą dławienia, co prowadzi do dużych strat energii. VFD eliminuje ten problem, dostosowując prędkość silnika do wymaganej wydajności systemu. Badania pokazują, że zastosowanie VFD może zwiększyć sprawność systemu z około 31% do nawet 72%.

Rozwiązania Microchip Technology

Microchip Technology oferuje kompleksowe rozwiązania dla sterowania silnikami, obejmujące mikrokontrolery, sterowniki bramek, układy mocy oraz czujniki, które wspierają optymalizację wydajności systemów. Firma dostarcza pełny zestaw komponentów do projektowania systemów sterowania silnikami. W przypadku VFD są to m.in. konwertery AC- DC oraz falowniki oparte na tranzystorach SiC MOSFET. Falowniki sterowane są przez kontrolery dsPIC, które przekształcają napięcie stałe w regulowane napięcie przemienne. Zintegrowane czujniki umożliwiają bieżący pomiar prądu, napięcia i temperatury, co zwiększa niezawodność systemu. Microchip oferuje także zestawy ewaluacyjne, referencyjne projekty, biblioteki oprogramowania oraz narzędzia programistyczne wspierające implementację algorytmów sterowania.

Zaawansowane algorytmy sterowania

Algorytmy sterowania są kluczowym elementem optymalizacji pracy silników. Tradycyjne metody, takie jak sterowanie V/f dla silników indukcyjnych, są proste i tanie, ale nie zapewniają najwyższej sprawności. Bardziej zaawansowane rozwiązania, jak komutacja sześciostopniowa dla silników BLDC i PMSM, pozwalają na lepszą kontrolę momentu i mogą działać zarówno z czujnikami, jak i bez nich.

Najwyższą sprawność zapewnia sterowanie wektorowe (FOC – Field Oriented Control), które umożliwia bardzo precyzyjną kontrolę momentu i prędkości przy niskim poziomie zakłóceń.

Microchip integruje w swoich rozwiązaniach zaawansowane algorytmy, takie jak FOC, MTPA (Maximum Torque per Ampere) oraz field weakening, które zwiększają efektywność pracy. Wsparciem są narzędzia MPLAB motorBench, umożliwiające konfigurację i strojenie algorytmów. Dodatkowo dostępne są funkcje uczenia maszynowego wspierające predykcyjne utrzymanie ruchu. Algorytm ZS/ MT (Zero-Speed / Maximum Torque) stanowi rozwinięcie bezczujnikowego FOC. Umożliwia określenie położenia wirnika bez użycia czujników Halla, wykorzystując metodę HFI (High-Frequency Injection). Rozwiązanie to sprawdza się m.in. w elektronarzędziach, automatyce domowej, rozrusznikach samochodowych i rowerach elektrycznych.

Integracja z IoT i AI/ML

Integracja technologii IoT oraz sztucznej inteligencji znacząco zmieniła podejście do sterowania silnikami. Czujniki odgrywają tu kluczową rolę, monitorując parametry takie jak prąd, moment obrotowy czy położenie wirnika. Dane te trafiają do mikrokontrolerów, które analizują je w czasie rzeczywistym. Dzięki algorytmom uczenia maszynowego możliwe jest przewidywanie awarii i planowanie konserwacji, co ogranicza przestoje i zwiększa efektywność pracy systemów.

Utrzymanie predykcyjne

Predykcyjne utrzymanie ruchu pozwala wykrywać potencjalne problemy zanim doprowadzą one do awarii. Analiza parametrów takich jak prąd, drgania czy moment obrotowy umożliwia ocenę stanu technicznego silnika.

Microchip prezentuje rozwiązania wykorzystujące MPLAB Machine Learning Development Suite oraz płytę dsPIC LVMC Motor Control Board. System klasyfikuje stan pracy silnika, wykrywając m.in. nierównomierne obciążenie czy uszkodzenia łożysk, na podstawie analizy prądu Iq.

Podsumowanie

Optymalizacja sterowania silnikami ma kluczowe znaczenie dla ograniczenia globalnego zużycia energii i poprawy wydajności systemów. Przejście na silniki wysokiej sprawności, zastosowanie VFD, wdrożenie zaawansowanych algorytmów oraz integracja IoT i AI pozwalają osiągać znaczące oszczędności energii.

Microchip Technology dostarcza kompletne rozwiązania sprzętowe i programowe, które umożliwiają projektowanie nowoczesnych, efektywnych systemów sterowania silnikami. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energooszczędne technologie, ich rola będzie nadal rosła.

Microchip Technology
www.microchip.com

Chcesz częściej widzieć nasze artykuły w Google? Dodaj ElektronikaB2B do ulubionych źródeł
Powiązane treści
Kontraktowa produkcja elektroniki i usługi EMS
Zobacz więcej w kategorii: Prezentacje firmowe
Produkcja elektroniki
Laserowe wycinanie mikrodetali ze stali nierdzewnej i mosiądzu
Komponenty
Cewki powietrzne POLFER – konstrukcje, zastosowania i produkcja na zamówienie
Pomiary
Systemy rejestracji czasu pracy – technologie identyfikacji i kryteria wyboru
PCB
Jak wyeliminować błędy w produkcji PCB? Zasady DFM i DRC w praktyce
Komunikacja
Switche Moxa TWS-3010: Single Pair Ethernet i Ethernet-APL w automatyce przemysłowej
Komponenty
Architektura Intel Twin Lake: wydajne komputery SBC z chłodzeniem pasywnym dla przemysłu
Zobacz więcej z tagiem: Zasilanie
Gospodarka
Unia Europejska zaostrza przepisy w kwestii baterii
Gospodarka
Flex przejął EPC Power. Wzmacnia ofertę zasilania dla centrów danych AI
Nowości
Zasilacze z wbudowanym wyłącznikiem zabezpieczającym – optymalizacja szaf sterowniczych

Zobaczyć obiekt oczami radaru, czyli dlaczego potrzebujemy laboratorium do pomiarów RCS?

Radar postrzega świat inaczej niż człowiek. Zamiast obrazu tworzonego przez światło widzialne rejestruje echo wysłanej fali elektromagnetycznej. Na odpowiedź radarową obiektu wpływają nie tylko jego rozmiary, lecz także kształt, zastosowane materiały, częstotliwość oraz kierunek obserwacji. Dlatego dwa przedmioty o podobnych wymiarach mogą być dla radaru widoczne zupełnie inaczej. Jak zatem sprawdzić, co radar rzeczywiście "widzi"? Służą temu pomiary RCS, prowadzone między innymi w specjalistycznych laboratoriach, które zapewniają kontrolowane i powtarzalne warunki oraz umożliwiają uzyskanie dokładności wymaganej w danym zastosowaniu.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów