Improving the efficiency of a frequency converter

Abstract

Energy efficiency plays a crucial role in mitigating the effects of global warming. Improving energy efficiency reduces the amount of energy used, directly translating to lower greenhouse gas emissions and carbon dioxide emissions, particularly when the energy is generated from fossil fuels. In the industry, implementing technical improvements to individual components can result in an overall improvement in system performance.

Frequency converters offer significant energy savings in motor applications, as well as in other applications that benefit from variable speed control. They regulate system speed to match demand, minimizing unnecessary energy consumption. Although frequency converters consume energy themselves, their energy consumption is minor compared to the substantial energy savings they can achieve.

This thesis introduces various improvement proposals that can be implemented in frequency converters to improve energy efficiency. The main objective of this thesis is to provide an overview on how different technological improvements affect the efficiency, costs, and environmental impact of frequency converters. This aids designers to make optimized design choices by selecting components, materials, and design configurations that maximize energy efficiency. Moreover, this thesis provides practical examples on how efficiency improvements affect emissions.

Insulated gate bipolar transistor (IGBT) module’s share of energy losses was the most significant among the losses of the entire frequency converter and it was chosen as an example for simulations. Two IGBT modules were compared, and the energy losses and efficiency were simulated with Danfoss’ own Excel based simulation software. Furthermore, the effect on greenhouse gas emissions caused by the use of a frequency converter was calculated and analyzed. Simulated results show that the frequency converter utilizing the latest IGBT generation can have a 0.45 % better energy efficiency, which is a significant improvement over the lifetime of the device. This results in considerable financial savings for the frequency converter’s end user. Furthermore, the latest generation IGBT has 1.08 tCO2e lower emissions annually in this application, representing a significant saving in terms of the environment.

Energiatehokkuudella on keskeinen rooli ilmaston lämpenemisen vaikutusten lieventämisessä. Energiatehokkuuden parantaminen vähentää energiankulutusta ja siten suoraan kasvihuonekaasupäästöjä ja hiilidioksidipäästöjä, varsinkin jos energia on tuotettu fossiilisilla polttoaineilla. Teollisuudessa teknisten parannusten toteuttaminen yksittäisissä komponenteissa voi parantaa järjestelmän kokonaissuorituskykyä.

Taajuusmuuttajat tarjoavat merkittävää energiansäästöä moottorisovelluksissa sekä muissa sovelluksissa, jotka hyötyvät nopeuden säädöstä. Ne säätelevät moottorin nopeutta tehokkaasti tarpeen mukaan, välttäen turhaa energiankulutusta. Taajuusmuuttajat kuluttavat energiaa, mutta niiden energiankulutus on suhteellisen vähäistä verrattuna niiden saavuttamiin merkittäviin energiansäästöihin.

Tässä diplomityössä esitellään erilaisia parannusehdotuksia, joita voidaan toteuttaa taajuusmuuttajissa energiatehokkuuden parantamiseksi. Tämän diplomityön päätavoitteena on antaa yleiskatsaus siitä, miten erilaiset teknologiset parannukset vaikuttavat taajuusmuuttajien hyötysuhteeseen, kustannuksiin ja ympäristövaikutuksiin. Tämä auttaa suunnittelijoita tekemään optimoituja suunnitteluvalintoja valitsemalla komponentteja, materiaaleja ja suunnitelukokoonpanoja, jotka maksimoivat energiatehokkuuden. Lisäksi tässä työssä esitetään käytännön esimerkkejä siitä, miten tehokkuuden parantaminen vaikuttaa päästöihin.

Eristyshilainen bipolaaritransistori (IGBT)-moduuli, jonka energiahäviöiden osuus oli merkittävin koko taajuusmuuttajan häviöistä valittiin malliesimerkiksi simulointiin. Kahta IGBT-moduulia verrattiin, ja häviöt sekä energiatehokkuus simuloitiin Danfossin omalla Excel-pohjaisella simulointiohjelmistolla. Lisäksi laskettiin ja analysoitiin taajuusmuuttajan käytöstä aiheutuvia kasvihuonekaasupäästöjä. Simuloidut tulokset osoittavat, että uusinta IGBT-sukupolvea hyödyntävän taajuusmuuttajan energiatehokkuus voi olla jopa 0,45 % parempi, mikä on merkittävä parannus laitteen käyttöiän aikana. Tämä voi tuottaa huomattavia taloudellisia säästöjä taajuusmuuttajan loppukäyttäjälle. Lisäksi uusimman sukupolven IGBT-moduulin päästöt ovat tässä laitteessa vuodessa 1,08 tCO2e matalammat, mikä edustaa merkittävää säästöä ympäristön kannalta.