A hatásfok javítása a motorvezérlésben

A hatásfok az a „szent grál”, amely minden villamosmotor-alapú alkalmazás tervezője érdeklődésének középpontjában áll. A legkülönbözőbb jelenkori villamosmotor-alkalmazásokat megvizsgálva felismerhető bennük a hatásfok folytonos növelésére és az ár csökkentésére irányuló trend. Például az autók motorterében a szivattyúk és ventilátorok hajtásának régebben a legáltalánosabban használt módszere a szíjhajtás volt. Azonban – annak ellenére, hogy a motor forgásának ezekre a részegységekre való közvetlen átvitele kézenfekvő módszernek tűnik – ez a megoldás nem túl hatékony. Ha viszont elektromotorral hajtjuk ezeket, attól nemcsak az alkalmazás flexibilitása javul, hanem – jelentős mértékben – a hatásfok is. Egy másik példa a mosógép, amelyben régebben tipikusan váltakozó áramú indukciós motorokat alkalmaztak. A háztartási gépek hatásfokának növelésének fokozódó igénye, a mosási ciklus jobb vezérelhetősége és a víztakarékosabb működés követelménye miatt napjainkban mégis az állandómágneses szinkronmotor használata válik egyre jellemzőbbé.
Természetesen ez a trend erősen összefügg a hajtáshoz szükséges inverter és vezérlés céljára használható félvezető-alkatrészek fejlődésével is. A múltban az elektronikus motorvezérléshez szükséges kapcsolóelemek ára a végtermék alkatrészköltségének jelentős összetevőjét képviselte, amely számos alkalmazásban korlátozta a szinkronmotorok használatát. Ma azonban csökken a félvezetők ára, ezért a szinkronmotorok használata is egyre inkább válik kivételből szabállyá számos alkalmazásban.

Azok a motortípusok, amelyeket számításba vehetünk, ha jó hatásfokot és dinamikus vezérelhetőséget igénylő alkalmazást tervezünk, a következők^[1]:

A különféle motortípusokat hatásfok szerint a következőképpen rangsorolhatjuk (a sort a legnagyobb hatásfokúval kezdve): IPMSM, PMSM, BLDC, SynchEM, SRM és ACIM. Ez a sorrend azonos az egységnyi motortömegre vonatkoztatott teljesítmény és nyomaték rangsorával.
Az ACIM az ipari alkalmazások „igáslova”, ezért ez a legelterjedtebb a nagy (>1 kW) teljesítményű alkalmazásokban. Azonban, a hatásfok növelésére irányuló erőteljes igény miatt sok ACIM-alkalmazást korszerűsítenek elektronikus hajtásvezérléssel. A dinamikus vezérelhetőséget igénylő alkalmazásokban a PMSM használatának van értelme. Néhány további alkalmazásban, ahol az ár kritikus fontosságú, valamint a motor tömegegységére vonatkoztatott nyomatéka és a robusztus konstrukció is lényeges, az SRM alkalmazása látszik kedvezőnek. Egy másik ipari alkalmazástípusban, a nagy (>10 kW) teljesítményű kompresszorok hajtásánál korábban szinte kizárólag ACIM-hajtást alkalmaztak. E területen most kezdik bevezetni a SynchRM használatát. Ez utóbbiak szerkezete nagyon hasonló az ACIM-ekéhez: az állórész felépítése azonos, csak a forgórész különbözik. Ez a különbség azonban azzal a kellemes következménnyel jár, hogy azonos méretek mellett a SynchRM nyomatéka és hatásfoka nagyobb, illetve kisebb méretű SynchRM is elegendő az azonos nyomaték előállításához.
Léteznek olyan alkalmazási területek is, amelyekben régebben a villamos motorhajtás egyáltalán nem volt jellemző: ilyen például az autók motortere. Itt az elektromos motorok szerepe a mechanikus szíjhajtások kiváltása, amely növeli a hatásfokot, mivel a villamos motor a terhelés igényétől függően kapcsolható be és ki, míg a szíjhajtás „ha kell, ha nem”, együtt forog a jármű belső égésű motorjával. Manapság pedig minden számít, aminek a hatásfokhoz, a fajlagos üzemanyag-felhasználáshoz és a károsanyag-emisszióhoz köze van. Ebben az alkalmazási körben az a trend, hogy a szíjhajtás szerepét BLDC- vagy PMSM-motor veszi át.
Az autókban előforduló másik új alkalmazási terület a „drive by wire”, azaz a vezetőülés kezelőszervei nem mechanikus áttételekkel, hanem elektromos energiával működő kapcsolatokkal avatkoznak be a jármű funkcióiba. Ennek egyik példája az SRM-ek használata, a fékhidraulikát működtető szivattyú elektromos meghajtása. Az SRM jó dinamikai tulajdonságai teszik lehetővé, hogy szükség esetén gyorsan növekedhessen a fékfolyadék nyomása, amely kulcsfontosságú feltétel a gyors reagálású fék megvalósításához.
Az elektronikusan vezérelt motorok újabb, az eddigiektől teljesen eltérő alkalmazási területe az akkumulátorról működő elektromos kéziszerszámok és háztartási készülékek köre.
Az akkumulátor-technológia terén végbement fejlődés – például a lítium-ion akkumulátorok megjelenése – lehetővé tette porszívók és elektromos hajtású kéziszerszámok gyártását a BLDC-motorok jó hatásfokának kihasználásával. Régebben ezekben a készülékekben főként kefés DC-motorokat használtak, de ez jelentősen korlátozta a motor fordulatszámát és maximális nyomatékát. A súly- vagy térfogategységre vonatkoztatott nagyobb teljesítmény és nyomaték, a hosszabb élettartam és kisebb tömeg lehetővé tette, hogy a kábel nélkül használható eszközök teljesítőképessége megközelítse a vezetékes energiaellátással működőkét.
A háztartási készülékekben, például mosógépekben, hűtőszekrényekben, mosogatógépekben, légkondicionálókban éppúgy, mint az ipari alkalmazásokban a leggyakrabban használt „igásló” az ACIM. Nagyjából az ezredforduló óta azonban a kefe nélküli konstrukciók – főként a BLDC- és PMSM-motorok – egyre nagyobb jelentőségre tesznek szert. Ennek a fő hajtóerejét a kormányzatoknak a hatásfok növelését előíró rendelkezései jelentik. Az ACIM-ről a jobb hatásfokú motortechnológiákra való áttérés problémáját a fogyasztási cikkek körében mindig az ár jelenti – a motoré és a meghajtó áramköré egyaránt. Szerencsére mindkettőnek az árszintje jelentősen csökken, amely lehetővé teszi, hogy az új konstrukciókban már a nagyobb hatásfokú motortechnológiákat használják a gyártók.

Amint azt korábban is említettük, a meghajtó áramkör az elektronikus kommutációt alkalmazó motorok fontos része, ezért lényegében kihagyhatatlan, nélküle semmi sem történik. Majdnem minden motortípusnál, amelyeket eddig említettünk, a vezérlőáramkör nagyon hasonló felépítésű (2a. ábra). A kivétel az SRM (2b. ábra). A legnagyobb különbség ezek közt a motorok közt a vezérlésben van, azaz abban a módszerben, hogyan állítjuk elő a vezérlőjeleket a 2. ábrán látható teljesítményfokozatokhoz.
Ezt aszerint kell megvalósítani, milyen az adott motor konstrukciója, amely a sajátos elektromágneses viselkedését okozza. Ezt a megfelelő áram- vagy feszültségjelalak létrehozásakor figyelembe kell venni az optimális, jó hatásfokú működés érdekében.

Az elektronikusan kommutált motorokra történő áttérés korai szakaszában a megcélzott alkalmazási területek nagy része nagyon árérzékeny volt. Ennek eredményeképpen gyakran választották a BDLC-motorokat, mivel a vezérlésükhöz szükséges trapézjel alakú kommutáló jelet egy egyszerű, 8 bites mikrovezérlővel is elő lehetett állítani. Az ár bizonyos esetekben még így is túl magasnak bizonyult. A következő 15 év viharos fejlődési üteme következtében a nagyteljesítményű digitális jelfeldolgozók és mikrovezérlők ára eléggé lecsökkent ahhoz, hogy az árérzékeny alkalmazásokban is használhatók legyenek az olyan fejlett vezérlőalgoritmusok futtatására, mint például a Field Oriented Control^[2] (FOC). Ennek előnyeit például a háztartási fűtőberendezések keringetőszivattyúinak vagy az autók hűtőventilátorának hajtásánál lehet kihasználni (3. ábra). De mit is tudnak egyáltalán ezek a különleges vezérlő-algoritmusok? Miért nem elég jó a trapézjellel vezérelt BLDC-motor?

 

Sok szó esik a motorok és a meghajtók hatékonyságáról, de minden gondolatmenet végkövetkeztetése az, hogy leginkább a teljes rendszer hatásfoka számít. Például már említettük a gépkocsimotoroknál használt szíjhajtásokat. Ezek hatásfoka önmagukban kiváló ugyan (meghaladja a 90%-ot), de nem lehet leállítani, ha a meghajtásra pillanatnyilag nincs szükség. Ehelyett a szíjhajtás haszontalanul működik, hajtja a feleslegesen forgó terhelést, és ezzel jelentős veszteséget okoz. Hasonlóképpen, ha elektromechanikus hajtásra térünk át, keletkeznek bizonyos járulékos veszteségek, például a vibráció, amelyet az egyszerű motorvezérlés nyomatékingadozása okoz. Ez a BLDC- és az SRM-motorok működésének mellékhatása. Az alkalmazás igényeit követve a hatásfokot tovább növelhetjük tehát, ha a motor sima futásáról is gondoskodunk. Ez az a többlet, amit a FOC- vagy egyéb, hasonló vektorvezérlő algoritmus alkalmazásától várhatunk.
Egy másik fontos tényező a terhelés, amit a vezérelt motor meghajt. Minden motornak van egy jellegzetes terheléshatékonysági diagramja, amely a 4. ábrához hasonlít (ez az ábra a hajtás hatásfokát is magában foglalja). Amint az látható, ennek a diagramnak van egy maximumpontja a motor névleges nyomatékánál, de a legtöbb hajtásrendszerre nem az állandó nyomatékigényű terhelés a jellemző. Némely esetben a nyomatékigény a motor teljes működési tartományára is kiterjedhet. Ennek egy példája egy légkondicionáló berendezés kompresszora. Itt a terhelés egyrészt attól függően is változik, milyen mértékű fűtő- vagy hűtőteljesítményt kell a rendszernek szolgáltatnia; másrészt a terhelőnyomaték egyetlen kompresszorcikluson belül is ingadozik. Mivel a klímagépek kompresszorai gyakorlatilag állandóan működnek, a legjobb hatásfokuk miatt az IPM-motorok használata vált általánossá. Ám ha egy IPM-motor hatásfokdiagramját egy azonos teljesítményű SynchRM-ével hasonlítjuk össze, azt látjuk, hogy míg az IPM-motor maximális hatásfoka a névleges terhelőnyomatéknál jelentkezik, addig a SychRM-motor diagramja laposabb. Másképpen szólva: kis terhelésnél a SynchRM hatásfoka a nagyobb, ami azt eredményezi, hogy a teljes rendszer teljes üzemi tartományra vonatkoztatott hatásfoka a két motortípusnál igen hasonló.

Az a trend, amely a nagyobb hatásfokú elektromotorok elterjedésének felgyorsulását mutatta, az ezredforduló körül kezdődött. A folyamat elindítója a kefe nélküli, állandó mágnesű motorok és a javuló minőségű vezérlő félvezetők árának csökkenése és teljesítőképességük javulása volt. Ez a trend a fogyasztási cikkek területén is éreztette a hatását, főként a BLDC-motorokat használó termékekben. Azóta ez a trend kiterjedt a váltakozó áramú aszinkronmotorok elektronikus kommutációjára, újraélesztette a kapcsolóüzemű vezérléssel működő reluktanciamotorokat, és még az állandó mágnesek használatát is kiküszöbölte a szinkron reluktanciamotorokkal.
A legfontosabb tanulságok egyike, hogy egy rendszer hatásfokának vizsgálatánál annak minden részét egyszerre kell figyelembe vennünk, mivel a hatásfokot végső soron pénzügyi értelemben kell maximalizálni. Következésképpen az alkalmazás sajátosságai függvényében kell választanunk a rendelkezésre álló motortechnológiák és vezérlési algoritmusok közül. Nincs olyan motortechnológia, amely minden körülmények között, minden tulajdonságában a legjobb. Ezért tehát az elektromotoros hajtások tervezőinek meg kell fontolniuk a rendelkezésre álló technológiák alkalmazása mellett és ellen szóló érveket annak érdekében, hogy az igényeiknek a legjobban megfelelő megoldást megtalálhassák.