Hvordan AI bryder i kraftfaktor på en industriel arbejdshestmotor

Løft låget på et elektrificeret hjem, en fabrik eller en mine, og du vil finde en flok egernburmotorer, der er aktive hele tiden. Industrialiserede nationer ville ikke være nær så industrielle uden disse.

Robust og pålidelig, denne type trefasede induktionsmotor er ofte den foretrukne mulighed i industrien. Disse producerer ikke gnister og passer meget godt i farlige miljøer som olieraffinaderier, miner og kornelevatorer og bruges til slibe-, pumpe- og blæseoperationer.

Derhjemme er køleskabet, vaskemaskinen, tørretumbleren og swimmingpoolpumpen drevet af enfasede egernbur-motorer. Motorerne er især gode til højhastighedsapplikationer over 3000 rpm. Endnu bedre, egernburmotorer er selvstartende og behøver ikke meget vedligeholdelse, selvom de er vurderet til hundredvis af hestekræfter.

Dog kan egernburmotorer forårsage forstyrrende strømregningsbøder for store virksomheder. I Sydafrika kører den nationale tv-station ofte annoncer om aftenen, der opfordrer folk til at slukke for deres husholdningsapparater og poolpumper.

AI for at spille godt

Kort sagt er der en enorm efterspørgsel efter højtydende arbejdshestmotorer, der giver værdi for pengene. Men forvalterne af elnet kræver også, at disse motorer forårsager begrænset forstyrrelse.

Dr. Mbika Muteba fra University of Johannesburg trænede en AI til at optimere designet af en egernburmotor. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Energies . AI'en sikrede, at det optimerede design forårsager ringe forstyrrelse af elnettet, som det er forbundet til, ved at forbedre motorens effektfaktor betydeligt.

I denne forskning modellerede og designede Muteba rotorer og kapacitive hjælpespoler til en 5,5 kW (7,37 metrisk hestekræfter) egernburmotor. Så byggede han rotorerne og testede dem i laboratoriet. Motorernes ydeevne i den virkelige verden matchede den forudsagte ydeevne nøje.

Den første testede motor har ikke en hjælpespole på statoren og er ikke optimeret af AI. Den anden har en hjælpespole for at forbedre effektfaktoren og er heller ikke optimeret af AI. Den tredje motor har en hjælpespole på statoren og er også optimeret af AI-algoritmen. Den genetiske algoritme optimerede den til den højeste ydeevne på tværs af forskellige belastninger på elektrisk strøm (drejningsmoment pr. ampere). Muteba verificerede den genetiske algoritmes resultater med finite element-analyse.

Den AI-optimerede 5,5 kW motor havde en fremragende effektfaktor i laboratorieopsætningen, der spænder fra 0,93 målt ved 0 % belastning til 0,99 ved 60 % belastning til 120 % belastning. Effektiviteten ved fuld belastning af den AI-optimerede motor er 85,87 %, hvilket er inden for 1 til 2 % af den uoptimerede motor. Dens effektivitet for belastninger under 30 % er også meget forbedret sammenlignet med de uoptimerede motorer.

Vigtigst af alt, selv med den fremragende effektfaktor, giver den optimerede motor mere drejningsmoment, mens den trækker mindre strøm. Det AI-optimerede designs drejningsmoment pr. ampere var en tocifret forbedring i forhold til motorens drejningsmoment uden AI-optimering.

Den optimerede motors drejningsmoment pr. ampere er 22 % højere ved 20 % belastning, 16 % højere ved 60 % belastning og 13 % bedre ved 120 % belastning sammenlignet med den uoptimerede version.

Hvorfor egernburmotorer kan gøre gitre ustabile

"Egernburmotorer har generelt en dårlig effektfaktor. Især hvis de starter eller kører under lette belastninger," siger Muteba. "Men elselskaberne ønsker, at alle de belastninger, du forbinder til deres net, uanset om det er motoren til en poolpumpe eller en maskine, der knuser malm i en mine, skal have en god effektfaktor."

Trefasede elnet giver to slags strøm. Den første er aktiv effekt, som drejer motorer og udfører arbejdet. Elværker fakturerer deres kunder for dette i kilowatt eller megawatt. Gitter giver også reaktiv effekt. Egernburmotorer spiser reaktiv effekt på et net for at opretholde magnetfelterne på deres rotorer. Uden det felt fungerer en egernburmotor ikke. Af alle typer elektriske motorer er egernburmotorer de mest sultne efter reaktiv effekt.

Transformatorer, der nedsætter højspændingsstrømmen til husholdnings- eller industrispændinger, spiser også ind i den reaktive effekt på et net. "En belastning med en dårlig effektfaktor bruger meget mere reaktiv effekt. Når hundreder eller tusinder af sådanne belastninger er tilsluttet et net, skal nettets ejere bruge på at opgradere nettet for at give mere reaktiv effekt," siger han.

Hvis et net er overvældet af belastninger med dårlige effektfaktorer, kan alle belastninger på nettet, selv dem med gode effektfaktorer, ikke få nok reaktiv effekt til at fungere, og nettet kan blive ustabilt. Dette kan forårsage omfattende skader i miner, fabrikker og kunstvandingssystemer på gårde.

Strømforsyninger straffer brugerne hårdt for belastninger med dårlige effektfaktorer. Så et nationalt elnet kan have titusindvis eller hundredtusindvis af egernburmotorer forbundet til sig, som pålidelige arbejdsheste. Men motorernes kombinerede lave effektfaktor kan gøre et net uforudsigeligt og endda ustabilt.

Væsentlige besparelser

AI-optimeringen for rotoren og den ekstra kapacitive spole gjorde det muligt at forbedre effektfaktoren og ydeevnen og stadig have en pålidelig, effektiv egernmotor til udfordrende applikationer, siger Muteba.

Den AI-optimerede motor har en luftspalte mellem rotor og stator, som er større end i en uoptimeret motor. Under høje belastninger, høje temperaturer og høje hastigheder bør den optimerede motor fungere bedre mekanisk end de uoptimerede motorer.

"Med disse resultater ser vi, at det er muligt at drive egernbur-induktionsmotorer uden at bruge millioner på reaktive kompensatorer for at undgå bøder fra forsyningsselskaber. Det er også unødvendigt at anvende hjælpespoler på en måde, der reducerer effektiviteten eller drejningsmomentet pr. ampere," han tilføjer.

"Den AI-optimerede rotor og den kapacitive hjælpespole har en fremragende effektfaktor på tværs af hele spektret af belastninger og er stadig mere effektiv, også ved højere ydeevne."

For et mikronet eller privatejet elnet gør indbygning af en fremragende effektfaktor i hver egernburmotor det også meget nemmere at styre nettet, siger han.

AI-kant i design

Brug af kunstig intelligens til at optimere rotoren og det kapacitive hjælpespoledesign kan spare tid sammenlignet med forankret designpraksis, siger Muteba. Den genetiske algoritme tog 27 minutter at optimere rotoren og det kapacitive hjælpespoledesign inden for otte udførelser og 60 generationer af kromosomer behandlet.

"Designingeniører står over for udfordringen med at vælge den optimale værdi af luftspaltslængde og kapacitiv hjælpespole. I de fleste tilfælde bruger de designsoftware, der udfører følsomhed og parametrisk analyse. Disse processer er normalt langvarige med begrænsede søgemuligheder," siger Muteba.

"AI'er såsom optimale søgealgoritmer kan finde den optimale værdi af luftspaltslængde og kapacitiv hjælpespole ved at søge i et stort løsningsrum på få minutter. Den befolkningsbaserede teknik, der bruges i denne forskning, en genetisk algoritme, er en god passer til at finde de nødvendige optimale værdier."