Εξοικονόμηση ενέργειας σε βιομηχανικά ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα

Abstract

Industrial motor drive systems is the most important category of electricity consumers, due to the fact that about 50% of the world's electricity being consumed by electric motors and electric drive systems used in the industry, with the three-phase asynchronous shorted cage motor being the main consumer. For this reason, research on energy saving in electric motors is a field of great scientific interest. This PhD dissertation focuses on examining the energy savings potential offered by the regenerative braking of asynchronous three-phase motors. Of the ways in which regenerated energy can be exploited during regenerative braking, particular attention is given to bi-directional energy storage systems. These systems, using a bidirectional DC-DC converter and a suitable energy storage device, which is usually an array of superconductors, can store the energy recovered during motor braking and return it again when the drive system restarts. In recent years, and due to developments in the field of energy storage with the large circulation of superconductors, the use of bidirectional power storage systems has emerged in many industrial applications, while at the same time there is a strong research interest. The main goal of this PhD thesis is the contribution to the field of bidirectional systems for the storage and re-use of the energy which is recovered from the regenerative braking of a motor drive system. Bidirectional DC-DC converters are investigated, as they are the basic element of an electrical energy storage device. An overview of the most common bidirectional DC-DC converter topologies found in the international literature is included. The process of building a bidirectional energy storage system is highlighted, emphasizing the choice of topology, operating area and the dimensioning of the most important circuit parameters, such as induction and switching frequency. Also, the bidirectional converter control method is studied. An overview of the control methods proposed in the international literature is presented, and a new, improved way to control the bidirectional DC-DC converter is proposed, leading to better management of stored energy. In addition, the degree of energy savings that can be achieved by using an energy storage system is investigated. This is done by estimating the percentage of kinetic energy that can be stored when regenerative braking occurs. Then, the idea of having an optimal braking duration is introduced, which maximizes the energy stored and can be reused, and a method of finding this optimum duration is presented. Also, the methodology for calculating the degree of energy savings that can be achieved from using an energy storage system, is presented. Finally, a prototype system intended for application to industrial processes employing more than one inverter-controlled drive systems is presented. This system combines the best features of two existing technologies, that of common DC-link drive systems (also known as Multi Axis Drive Systems) and bidirectional converter energy storage systems. It consists of many bidirectional converters, one for each drive system, which share a common energy storage array. The methods and technologies proposed in this dissertation are confirmed by simulations and experiments.

Τα βιομηχανικά ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα αποτελούν τη σημαντικότερη κατηγορία καταναλωτών ηλεκτρικής ενέργειας, με το 50% περίπου της παραγόμενης παγκοσμίως ηλεκτρικής ενέργειας να καταναλώνεται από ηλεκτρικούς κινητήρες και ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία, με κυριότερο καταναλωτή τον τριφασικό ασύγχρονο κινητήρα βραχυκυκλωμένου κλωβού. Για αυτό το λόγο, η έρευνα για την εξοικονόμηση ενέργειας σε ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα είναι ένα πεδίο με μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον. Η παρούσα διδακτορική διατριβή, εστιάζει ιδιαίτερα στην εξέταση των δυνατοτήτων εξοικονόμησης ενέργειας που προσφέρονται από την αναγεννητική πέδηση ενός ασύγχρονου τριφασικού κινητήρα. Από τους τρόπους με τους οποίους μπορεί να υπάρξει εκμετάλλευση της ανακτώμενης ενέργειας κατά την αναγεννητική πέδηση, ιδιαίτερη σημασία δόθηκε στα αμφίδρομα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Τα συστήματα αυτά, κάνοντας χρήση ενός αμφίδρομου μετατροπέα ΣΤ-ΣΤ και κατάλληλης διάταξης αποθήκευσης ενέργειας, η οποία είναι συνήθως μία συστοιχία υπερπυκνωτών μπορούν να αποθηκεύσουν την ενέργεια που ανακτάται κατά την πέδηση του κινητήρα και να την αποδώσουν ξανά, όταν το κινητήριο σύστημα επανεκκινήσει. Τα τελευταία χρόνια, και λόγω των εξελίξεων στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας, με την ευρεία κυκλοφορία των υπερπυκνωτών η τεχνολογία των αμφίδρομων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας έχει κάνει την εμφάνισή σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, ενώ ταυτόχρονα υπάρχει και έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον. Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των αμφίδρομων συστημάτων αποθήκευσης και επαναχρησιμοποίησης της ενέργειας που ανακτάται από την αναγεννητική πέδηση ενός κινητηρίου συστήματος και προορίζονται για χρήση σε ήδη υπάρχοντα κινητήρια συστήματα. Εξετάζονται οι αμφίδρομοι μετατροπείς ΣΤ-ΣΤ, καθώς αποτελούν το βασικό στοιχείο μιας διάταξης αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Γίνεται επισκόπηση των πιο συνηθισμένων τοπολογιών αμφίδρομων μετατροπέων ΣΤ-ΣΤ που συναντώνται στη διεθνή βιβλιογραφία και μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις υπό διερεύνηση διατάξεις. Παρουσιάζεται η διαδικασία επιλογής ενός αμφίδρομου συστήματος αποθήκευσης ενέργειας, δίνοντας έμφαση στην επιλογή της τοπολογίας, της περιοχής λειτουργίας και τη διαστασιολόγηση των πιο σημαντικών παραμέτρων του κυκλώματος, όπως η επαγωγή και η διακοπτική συχνότητα. Επίσης, μελετάται η μέθοδος ελέγχου του αμφίδρομου μετατροπέα. Γίνεται επισκόπηση των μεθόδων ελέγχου που προτείνονται στη διεθνή βιβλιογραφία, ενώ προτείνεται και ένας νέος, βελτιωμένος τρόπος ελέγχου του αμφίδρομου μετατροπέα, που οδηγεί σε καλύτερη διαχείριση της αποθηκευμένης ενέργειας. Επιπλέον, διερευνάται ο βαθμός εξοικονόμησης ενέργειας που μπορεί να επιτευχθεί από τη χρήση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας. Αυτό γίνεται μέσω της εκτίμησης του ποσοστού της κινητικής ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί όταν έχουμε αναγεννητική πέδηση. Στη συνέχεια, εισάγεται η ιδέα της ύπαρξης μιας βέλτιστης διάρκειας πέδησης, η οποία μεγιστοποιεί την ενέργεια που αποθηκεύεται και μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί, και παρουσιάζεται μια μέθοδος εύρεσης αυτής της βέλτιστης διάρκειας. Επίσης, παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού του βαθμού εξοικονόμησης ενέργειας που μπορεί να επιτευχθεί από τη χρήση ενός συστήματος αποθήκευσης ενέργειας. Τέλος, παρουσιάζεται ένα πρωτότυπο σύστημα που προορίζεται για εφαρμογή σε βιομηχανικές διεργασίες στις οποίες χρησιμοποιούνται περισσότερα του ενός κινητήρια συστήματα ελεγχόμενα από αντιστροφέα. Το σύστημα αυτό συνδυάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά από δύο υπάρχουσες τεχνολογίες, αυτή των συστημάτων οδήγησης με κοινό πυκνωτή διασύνδεσης (γνωστά και ως Multi Axis Drive Systems) και αυτή των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με αμφίδρομους μετατροπείς. Αποτελείται από πολλούς αμφίδρομους μετατροπείς, έναν για κάθε κινητήριο σύστημα, οι οποίοι όμως στην έξοδό τους μοιράζονται μια κοινή συστοιχία αποθήκευσης ενέργειας. Οι μεθολογίες και τεχνολογίες που προτείνονται σε αυτή τη διατριβή επιβεβαιώνονται τόσο μέσω προσομοίωσης, όσο και πειραματικά.