Επιλογή ηλεκτρικού κινητήρα για υποβρύχια οχήματα: Θεωρήσεις απόδοσης μερικού φορτίου

Είναι εύκολο να κατανοήσουμε γιατί οι σύγχρονοι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη (PMSM) είναι δημοφιλείς για χρήση σε υποβρύχια οχήματα (UV). Είναι συμπαγείς και αποδοτικοί με υψηλή πυκνότητα ισχύος. Το πιο σημαντικό, ίσως, είναι ότι επιτρέπουν την αποτελεσματική λειτουργία σε ένα ευρύ φάσμα στροφών ανά λεπτό, το οποίο είναι ευεργετικό για οχήματα με πολλαπλές συνθήκες λειτουργίας. Τούτου λεχθέντος, βρίσκουμε ότι οι προγραμματιστές προϊόντων οχημάτων είναι συχνά αβέβαιοι για την «αποτελεσματικότητα» ενός κινητήρα. Αυτό το άρθρο προσφέρει μερικά σχόλια από την οπτική γωνία ενός σχεδιαστή προπέλας, που αναπτύσσει τα εξαρτήματα που επιβαρύνουν τον κινητήρα ενός UV.

Πρώτα πρέπει να ξεκινήσουμε με μια περιγραφή του «συστήματος», το οποίο αποτελείται από το Όχημα (που καθορίζει την απαίτηση ώθησης), έναν προωθητή (συνήθως μια ανοιχτή ή αυλακωτή έλικα που δημιουργεί την απαιτούμενη ώθηση) και την κίνηση (αυτός ο κύριος κινητήρας του οποίου η μόνη δουλειά είναι να περιστρέφει τον Propulsor στις απαραίτητες RPM του). Εάν τυλίξουμε το σύστημα σε μια εννοιολογική μονάδα, το όφελος του συστήματος είναι η ταχύτητα του οχήματος (ή η ώθηση, στην περίπτωση εφαρμογής ρυμούλκησης) ενώ το κόστος συστήματος είναι η «κατανάλωση καυσίμου». Για συστήματα που κινούνται από κινητήρες εσωτερικής καύσης, το κόστος είναι η κατανάλωση μαζούτ, ας πούμε, σε μονάδες λίτρων ανά ώρα. Οι κατασκευαστές κινητήρων παρέχουν συνήθως αρκετές πληροφορίες σχετικά με την κατανάλωση καυσίμου σε όλες τις στροφές και το εύρος ισχύος του κινητήρα, ώστε να μπορούμε να προβλέψουμε αξιόπιστα τη χρήση καυσίμου για οποιαδήποτε εφαρμογή. Ένα διάγραμμα αυτής της κατανομής ονομάζεται συχνά «χάρτης καυσίμου», αλλά επιτρέψτε μου να το σκεφτείτε ως «χάρτης απόδοσης ενέργειας» από την παραγωγή σε εισροή.

Δυστυχώς, έχουμε μια εντελώς διαφορετική κατάσταση όταν χρησιμοποιούμε μονάδες PMSM. Μπορεί να προκύψει σύγχυση επειδή το παραγόμενο όφελος του κινητήρα και του καυσίμου που χρησιμοποιείται από τον κινητήρα μοιράζεται τον όρο «ισχύς» – ο ένας είναι η ισχύς του μηχανικού άξονα εξόδου (που οδηγεί τον προωθητή) και ο άλλος η ηλεκτρική ισχύς εισόδου του (συνάρτηση της τάσης και ρεύμα που παρέχεται από τον ελεγκτή). Η αναλογία των δύο είναι "απόδοση κινητήρα". Η γνώση της σωστής απόδοσης κινητήρα σε όλες τις στροφές ανά λεπτό και φορτίσεις είναι κρίσιμης σημασίας για την επιτυχή σχεδίαση και ανάλυση του συστήματος. Ενώ οι περισσότερες δοκιμές προγραμματιστών καταγράφουν ηλεκτρική ισχύ, πρέπει να γνωρίζουμε την ισχύ του άξονα για να κατανοήσουμε τη συνολική απόδοση του συστήματος.

Ενώ η δημοσιευμένη καμπύλη κινητήρα ενός κατασκευαστή υποδεικνύει το όριο της ροπής (και συνεπώς της ισχύος) σε όλο το εύρος των στροφών, συχνά υποδεικνύει μόνο τη μηχανική προς την ηλεκτρική απόδοση σε ένα μόνο σημείο σχεδιασμού ή στο όριο ροπής. Σε αντίθεση με ό,τι είναι διαθέσιμο από προμηθευτές κινητήρων, σπάνια έχουμε έναν πλήρη «χάρτη απόδοσης» μηχανικής προς ηλεκτρική ισχύ σε όλο το χρήσιμο εύρος φόρτισης ισχύος τόσο των σ.α.λ. όσο και του άξονα για τα PMSM. Για να λάβουμε αυτά τα δεδομένα, ορισμένοι από τους πελάτες μας δοκιμάζουν τους κινητήρες τους σε μικρές δυναμόμετρες για να δημιουργήσουν έναν χάρτη απόδοσης. Ωστόσο, αυτό μπορεί να είναι δαπανηρό και χρονοβόρο – και μια πιθανώς χαμένη άσκηση κατά τη διάρκεια του αρχικού σταδίου σχεδιασμού, όπου υπάρχει ερώτημα εάν θα επιλεγεί καν ο κινητήρας.
Ποιες είναι οι πηγές της χαμένης αποτελεσματικότητας για τα PMSM; Η εξήγηση είναι ένας περίπλοκος συνδυασμός όρων όπως αντίσταση περιέλιξης, μηχανική τριβή, ακόμη και φαινόμενα μαγνητικής ροής. Ας το απλοποιήσουμε λοιπόν λίγο με μερικές γενικεύσεις χρησιμοποιώντας γενικούς όρους: ισχύς άξονα μηχανικού φορτίου (PS), απόδοση (EFF), RPM και απώλειες ισχύος (LOSS).

• Η απόδοση κινητήρα ορίζεται ως EFF = PS / (PS+LOSS).

• Για να απλοποιήσουμε τα πράγματα, μπορούμε να πούμε ότι οι απώλειες είναι δύο ειδών: εξαρτώμενες από το φορτίο ισχύος ή εξαρτώμενες από σ.α.λ.

• Οι απώλειες (όχι η απόδοση, αλλά οι απώλειες) τείνουν να είναι ανάλογες α) του RPM και β) του τετραγώνου της ισχύος.

Ένας γενικός αντιπροσωπευτικός χάρτης απόδοσης εμφανίζεται στα παρακάτω γραφήματα για ένα PMSM «σταθερής ροπής, σταθερής ισχύος». Αποτελεί πρακτική μας να μετατρέπουμε πάντα μια γραφική παράσταση «βασισμένη στη ροπή» σε μια «βασισμένη στην ισχύ», καθώς πιστεύουμε ότι η ισχύς είναι ένας καλύτερος τρόπος επικοινωνίας της παραγωγής και της μετάδοσης ενέργειας για οχήματα και προωθητές. Η συμπαγής μαύρη γραμμή αντιπροσωπεύει την οριακή καμπύλη του κινητήρα, η διακεκομμένη γραμμή είναι μια γενική καμπύλη ζήτησης προωθητή και οι έγχρωμες γραμμές είναι δείγματα του χάρτη απόδοσης.

Από αυτό το διάγραμμα, μπορούμε να δούμε πώς η λειτουργία με μερικό φορτίο επηρεάζει την απόδοση του κινητήρα. Υπάρχει ένα ευρύ φάσμα σ.α.λ. που διατηρεί υψηλή απόδοση, καθώς σχεδόν το ήμισυ του ανώτερου εύρους στροφών ανά λεπτό βρίσκεται εντός δύο τοις εκατό της μέγιστης απόδοσης του κινητήρα – εφόσον ο κινητήρας παράγει περίπου το 80% της ονομαστικής του ισχύος. Όσον αφορά τη λειτουργία του οχήματος, στην τελική ταχύτητα η απόδοση είναι μέγιστη, ωθώντας το 95%. Σε ταχύτητα 75%, η ζήτηση ισχύος είναι 40%-45% και η απόδοση πέφτει στο 85%-90%. Σε ταχύτητα 50%, απαιτείται μικρή ισχύς και η απόδοση του κινητήρα μπορεί να πέσει σε λιγότερο από 75%.

(Θυμηθείτε, αυτά είναι γενικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται εδώ για να αναπαραστήσουν μια έννοια. Η πραγματική απόδοση θα διαφέρει από μοντέλο σε μοντέλο.)
Επιτρέψτε μου, λοιπόν, να σας αφήσω με μερικές βασικές παρατηρήσεις:

• Η μέγιστη δυναμική απόδοση ενός PMSM ποικίλλει ανάλογα με το μέγεθος του κινητήρα – με τους κινητήρες μεγαλύτερης ισχύος να προσφέρουν δυνατότητες για υψηλότερες αποδόσεις. Για παράδειγμα, ένα PMSM 20 kW μπορεί να έχει μέγιστες αποδόσεις κινητήρα που υπερβαίνουν το 95% σε πλήρες φορτίο, όπου ένας κινητήρας μικρότερος από 1 kW συνήθως φτάνει μόνο το 90%.

• Όπως σημειώθηκε παραπάνω, ενώ η απόδοση ποικίλλει ανάλογα με τις στροφές ανά λεπτό, θα πρέπει να υπάρχει ένα αρκετά μεγάλο εύρος στροφών ανά λεπτό που να διατηρεί υψηλή απόδοση για τις περισσότερες εφαρμογές που απαιτούν πλήρες ή σχεδόν πλήρες φορτίο.

• Η μερική φόρτιση ισχύος είναι το μεγάλο πρόβλημα για τις περισσότερες εφαρμογές, καθώς η λειτουργία ενός κινητήρα σε χαμηλή ισχύ μπορεί να προκαλέσει σημαντική πτώση στην απόδοση του κινητήρα. Για παράδειγμα, η απόδοση του κινητήρα μπορεί να πέσει σε λιγότερο από 70% για κλασματική ισχύ άξονα.

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες – ιδιαίτερα οι PMSM – αποτελούν σημαντικό επίκεντρο των εργασιών ανάπτυξης για το NavCad το 2020. Εργαζόμαστε για την απλοποίηση του ορισμού αυτών των ηλεκτροκινητήρων στο NavCad με ηλεκτρική ισχύ ως «καύσιμο» και γενικά σχήματα καμπύλης κινητήρα (όπως «σταθερή ροπή, σταθερή ισχύς») για σχεδιασμό σε αρχικό στάδιο. Και, φυσικά, βρισκόμαστε βαθιά σε ένα μοντέλο πρόβλεψης για χάρτες απόδοσης μερικού φορτίου εκτός σχεδίου!

Διαβάστε αυτήν την ιστορία στην έκδοση Μαρτίου 2020 του Marine Technology Reporter: https://magazines.marinelink.com/nwm/MarineTechnology/202003/#page/20