Overslaan en naar de inhoud gaan
Home > Over ons > Nieuws > Snelle energieopslag in machine-aandrijvingen leidt tot lagere totale eigendomskost

Snelle energieopslag in machine-aandrijvingen leidt tot lagere totale eigendomskost

Veel aandrijftreinen van machines hebben heen-en-weer gaande bewegingen. Deze bewegingen veroorzaken een oscillerend vermogen op de aandrijfas. Om geen te grote ongewenste snelheidsvariaties te krijgen van de aandrijfas en/of om geen ongewenste energiestromen te krijgen tussen de machine en het net, moet er snelle energieopslag toegevoegd worden aan de machine.

Dit kan in de vorm van

  • mechanische energieopslag (vliegwielen, veren)
  • elektrische opslag (capaciteiten en spoelen in combinatie met een passieve gelijkrichter)
  • magnetische veeropslag

Het is daarbij belangrijk te komen tot een selectie of een combinatie van verschillende soorten energieopslag die leidt tot een minimale totale eigendomskost, zowel wat betreft de energiekost als de kost van de machine-onderdelen.

Deze selectie hangt af van de werkingsvereisten waaraan de machine moet voldoen: 

  • mechanische vereisten: zoals de eisen voor het bewegingsprofiel van de aandrijfas en de levensduur van de opslagtechnologie
  • elektrische vereisten: zoals de toegestane vervuiling die de machine kan veroorzaken op het elektriciteitsnet

Door de verschillen tussen machines en hun vereisten, is het vaak niet voor de hand liggend wat de beste technologie is, en hoe deze moet ontworpen worden. Bovendien heeft een bepaalde keuze ook een invloed op de andere componenten van de aandrijftrein, zoals de motor en de motorelektronica. Daardoor selecteren machine-ontwerpers de vorm van energieopslag vaak op basis van ervaring, wat niet altijd leidt tot de beste oplossingen.

Model-gebaseerde ontwerptool

Flanders Make ontwikkelde samen met zijn partners een model-gebaseerde ontwerptool om zowel de energietechnologie te kiezen en te ontwerpen, alsook de geschikte andere componenten van de aandrijftrein (motor, motorelektronica) te selecteren. Door het opstellen van een mechanisch en elektrisch machinemodel, en de bijhorende machine vereisten, kunnen snel verschillende architecturen worden geëvalueerd. De ontwerptool maakt gebruik van een uitgebreide bibliotheek van component- en kostmodellen van de verschillende te optimaliseren aandrijfcomponenten. Aan de hand van deze modellen, minimaliseert de ontwerptool de totale eigendomskost van de aandrijftrein en optimaliseert het automatisch de verschillende componenten van de aandrijftrein. Klik hier voor meer informatie over dit project. 

Experimentele validatie

Een weefmachine maakt verschillende heen-en-weer gaande bewegingen. Flanders Make valideerde de ontwikkelde model-gebaseerde ontwerptool specifiek voor de ladebeweging van een weefmachine van Picanol. Het oscillerende vermogen van de ladebeweging mag de snelheid van de aandrijfas immers slechts beperkt doen variëren om geen negatieve invloed te hebben op de stofkwaliteit. Daarnaast zijn er vereisten voor de stroomkwaliteit van de weefmachine en moet deze voldoende snel kunnen starten en stoppen. Daardoor kan men bijvoorbeeld niet enkel vliegwielen gebruiken als opslagtechnologie.

Om snel verschillende potentiële architecturen voor energie-opslag te evalueren, ontwikkelde Flanders Make samen met zijn partners modulaire testsystemen voor de verschillende types opslagtechnologie.

  • Met behulp van schakelaars kan een (sub)set van 3 spoelen van een spoelenbox voor de passieve gelijkrichter van de machine worden bijgeschakeld.
  • Gelijkaardig daaraan is er een capaciteitenbox, waarbij een (sub)set van 6 capaciteiten als energiebuffer toegevoegd kunnen worden aan de DC-bus van de passieve gelijkrichter (PFE of Passive Front-End).
  • Daarbovenop kan de passieve gelijkrichter ook vervangen worden door een actieve gelijkrichter (AFE of Active Front-End), die toelaat om de stroomkwaliteit verder te verbeteren.
  • Tot slot zijn er 3 verschillende vliegwielen die op de machine kunnen bevestigd worden.

Met een NI rapid prototyping meetsysteem met stroom en spanningssensoren wordt de invloed van elke architectuur op de stroomkwaliteit geanalyseerd. Dit rapid prototyping systeem wordt verder ook gebruikt om de aandrijfmotor van de machine te controleren. Zie hieronder een overzicht van deze opstelling.

Ter validatie werd de model-gebaseerde ontwerptool toegepast op een bepaalde set werkingscondities van de weefmachine. We ontwierpen daarom een web-based tool, die voor een gegeven mechanisch lastprofiel en elektrische configuratie, de stroomkwaliteit berekent. Zo kwamen we tot een geoptimaliseerde oplossing die dan vergeleken wordt met metingen van de machine. 

De web-based ontwerptool is vrij beschikbaar. De actieve gelijkrichter, de modulaire capaciteitenbox en de modulaire spoelenbox kunnen eenvoudig aan de meeste machines verbonden worden, om zo snel de invloed op de stroomkwaliteit te evalueren met het NI meetsysteem en vervolgens te verbeteren.

Bekijk de video over het gebruik van een actieve gelijkrichter voor het energiemanagement bij een oscillerende belasting.

Onze partners getuigen

 “Onze weefmachines hebben verschillende heen-en-weer gaande bewegingen die zorgen voor een oscillerend vermogen in de machine”, zegt Dimitri Coemelck van Picanol Group. “Dankzij de model-gebaseerde ontwerptool in het onderzoeksproject,  kunnen wij snel de beste opslagtechnologie selecteren en dimensioneren. Daardoor kunnen we zo kosteneffectief mogelijk omgaan met de vrijgekomen energie van de oscillerende beweging in onze nieuwste generatie van weefmachines.”

Ook Steven Thielemans van NV Michel Van de Wiele benadrukt de waarde van de tools die ontwikkeld werden: “Aan de hand van de modellen en de model gebaseerde ontwerptool, komen wij tot een beter design van de opslagtechnologie in onze weefmachines, rekening houdend met de vereisten en condities van het elektriciteitsnet. De ontwikkelde modellen helpen ons bij het beter inschatten van de levensduur en de performantie van de elektrische configuratie van onze machines.”

Piet Vanassche van Triphase NV voegt daar nog aan toe: ”De verbeterde controle van een actieve gelijkrichter voor het energiemanagement bij een oscillerende belasting ontwikkeld in dit project, laat toe om de performantie van de actieve gelijkrichter nog te verbeteren, alsook de gelijkrichter zelf verder te downsizen. Dit biedt extra mogelijkheden voor het toepassen van onze systemen bij oscillerende belastingen.”

Conclusie

De onderzoekssamenwerking tussen academische partners en industrie heeft geleid tot een model-gebaseerde aanpak voor het optimaal selecteren en ontwerpen van de snelle energieopslag in een aandrijftrein van een machine. Alle bouwstenen zijn voorhanden om deze aanpak toe te passen op andere machines met oscillerende bewegingen. Met de modulaire testsystemen kunnen deze verbeterde architecturen bovendien snel geëvalueerd worden.

Voor meer informatie, contacteer Davy Maes