Le aziende e l'industria amano i motori a induzione a gabbia di scoiattolo per applicazioni ad alta velocità. I gestori delle reti elettriche li detestano, perché i loro fattori di potenza a bassi carichi possono rendere instabile una rete. Ma è possibile progettare un motore a gabbia di scoiattolo per funzionare bene su una rete elettrica, pur essendo efficiente, potente e affidabile. Un ricercatore di ingegneria elettrica presso l'Università di Johannesburg (UJ) ottimizza un design del rotore con l'Intelligenza Artificiale (AI). Nei test di laboratorio, ha scoperto che il motore da 5,5 kW ottimizzato per l'intelligenza artificiale funziona in modo efficiente con un eccellente fattore di potenza a carichi molto bassi. Il fattore di potenza è così buono che per questi motori non è richiesta alcuna correzione del fattore di potenza esterno, con conseguente notevole risparmio sui costi. Credito:Progetto grafico di Therese van Wyk, Università di Johannesburg.
Alza il coperchio su una casa elettrificata, una fabbrica o una miniera e troverai una truppa di motori a gabbia di scoiattolo attivi a tutte le ore. Le nazioni industrializzate non sarebbero così industriali senza queste.
Robusto e affidabile, questo tipo di motore a induzione trifase è spesso l'opzione ideale nell'industria. Questi non producono scintille e si adattano molto bene in ambienti pericolosi come raffinerie di petrolio, miniere e elevatori per cereali e utilizzati per operazioni di macinazione, pompaggio e soffiaggio.
In casa, il frigorifero, la lavatrice, l'asciugatrice e la pompa della piscina sono alimentati da motori monofase a gabbia di scoiattolo. I motori sono particolarmente adatti per applicazioni ad alta velocità superiori a 3000 giri/min. Ancora meglio, i motori a gabbia di scoiattolo si avviano automaticamente e non richiedono molta manutenzione, anche se valutati a centinaia di cavalli.
Tuttavia, i motori a gabbia di scoiattolo possono causare penalità dirompenti per le bollette elettriche per le grandi aziende. In Sud Africa, l'emittente nazionale pubblica spesso annunci la sera incoraggiando le persone a spegnere gli elettrodomestici e le pompe della piscina.
AI per giocare bene
In breve, c'è un'enorme richiesta di motori da lavoro ad alte prestazioni e con un buon rapporto qualità-prezzo. Ma i gestori delle reti elettriche richiedono anche che questi motori causino interruzioni limitate.
Il Dr. Mbika Muteba dell'Università di Johannesburg ha addestrato un'IA per ottimizzare la progettazione di un motore a gabbia di scoiattolo. Lo studio è pubblicato sulla rivista Energies . L'IA ha assicurato che il design ottimizzato provocasse poche interruzioni alla rete elettrica a cui è collegato, migliorando significativamente il fattore di potenza del motore.
In questa ricerca, Muteba ha modellato e progettato rotori e bobine capacitive ausiliarie per un motore a gabbia di scoiattolo da 5,5 kW (7,37 cavalli metriche). Quindi ha costruito i rotori e li ha testati in laboratorio. Le prestazioni reali dei motori corrispondevano strettamente alle prestazioni previste.
Il primo motore testato non ha una bobina ausiliaria sullo statore e non è ottimizzato da AI. Il secondo ha una bobina ausiliaria per migliorare il fattore di potenza e inoltre non è ottimizzato dall'IA. Il terzo motore ha una bobina ausiliaria sullo statore ed è anch'esso ottimizzato dall'algoritmo AI. L'algoritmo genetico lo ha ottimizzato per le massime prestazioni su vari carichi sulla corrente elettrica assorbita (coppia per ampere). Muteba ha verificato i risultati dell'algoritmo genetico con l'analisi agli elementi finiti.
Il motore da 5,5 kW ottimizzato per l'intelligenza artificiale aveva un eccellente fattore di potenza nella configurazione di laboratorio, che andava da 0,93 misurato allo 0% di carico, a 0,99 al 60% di carico fino al 120% di carico. L'efficienza a pieno carico del motore ottimizzato per l'intelligenza artificiale è dell'85,87%, che è compresa tra l'1 e il 2% del motore non ottimizzato. Anche la sua efficienza per carichi inferiori al 30% è molto migliorata rispetto ai motori non ottimizzati.
Ancora più importante, anche con l'eccellente fattore di potenza, il motore ottimizzato fornisce più coppia mentre assorbe meno corrente. La coppia per ampere del design ottimizzato per l'intelligenza artificiale rappresentava un miglioramento a due cifre rispetto a quella del motore senza l'ottimizzazione dell'intelligenza artificiale.
La coppia del motore ottimizzato per ampere è superiore del 22% al 20% di carico, del 16% al 60% di carico e del 13% migliore al 120% di carico, rispetto alla versione non ottimizzata.
Perché i motori a gabbia di scoiattolo possono rendere instabili le griglie
"I motori a gabbia di scoiattolo hanno generalmente un fattore di potenza scarso. Soprattutto se si avviano o funzionano con carichi leggeri", afferma Muteba. "Ma le compagnie elettriche vogliono che tutti i carichi che colleghi alla loro rete, che si tratti del motore di una pompa per piscina o di una macchina che frantuma il minerale in una miniera, abbiano un buon fattore di potenza."
Le reti elettriche trifase forniscono due tipi di alimentazione. Il primo è la potenza attiva che fa girare i motori e fa il lavoro. Le società di servizi energetici fatturano questo ai propri clienti in kilowatt o megawatt. Le griglie forniscono anche potenza reattiva. I motori a gabbia di scoiattolo consumano la potenza reattiva su una griglia per mantenere i campi magnetici sui loro rotori. Senza quel campo, un motore a gabbia di scoiattolo non funziona. Di tutti i tipi di motori elettrici, i motori a gabbia di scoiattolo sono i più affamati di potenza reattiva.
I trasformatori che riducono l'alimentazione ad alta tensione a tensioni domestiche o industriali consumano anche la potenza reattiva su una rete. "Un carico con un fattore di potenza scarso consuma molta più potenza reattiva. Quando centinaia o migliaia di tali carichi sono collegati a una rete, i proprietari della rete devono spendere per aggiornare la rete per fornire più potenza reattiva", afferma.
Credito:Therese van Wyk, Università di Johannesburg.
Se una rete è sovraccaricata da carichi con fattori di potenza scarsi, tutti i carichi sulla rete, anche quelli con fattori di potenza buoni, non possono ottenere potenza reattiva sufficiente per funzionare e la rete può diventare instabile. Ciò può causare ingenti danni alle miniere, alle fabbriche e ai sistemi di irrigazione delle fattorie.
Le utenze elettriche penalizzano pesantemente gli utenti per carichi con fattori di potenza scarsi. Quindi una rete elettrica nazionale può avere decine o centinaia di migliaia di motori a gabbia di scoiattolo collegati ad essa, come cavalli di battaglia affidabili. Ma il basso fattore di potenza combinato dei motori può rendere una rete imprevedibile e persino instabile.
Risparmio significativo
L'ottimizzazione dell'IA per il rotore e la bobina capacitiva ausiliaria ha consentito di migliorare il fattore di potenza e le prestazioni e continuare a disporre di un motore scoiattolo affidabile ed efficiente per applicazioni impegnative, afferma Muteba.
Il motore ottimizzato per l'IA ha un traferro tra rotore e statore, che è maggiore rispetto a un motore non ottimizzato. Sotto carichi elevati, temperature elevate e velocità elevate, il motore ottimizzato dovrebbe funzionare meglio dal punto di vista meccanico rispetto ai motori non ottimizzati.
Credito:Progettazione grafica e foto di Therese van Wyk, Università di Johannesburg.
"Con questi risultati, vediamo che è possibile azionare motori a induzione a gabbia di scoiattolo senza spendere milioni per compensatori reattivi per evitare sanzioni da parte delle società di servizi pubblici. Inoltre, non è necessario adottare bobine ausiliarie in modo da ridurre l'efficienza o la coppia per ampere", ha affermato aggiunge.
"Il rotore ottimizzato per l'intelligenza artificiale e la bobina capacitiva ausiliaria hanno un eccellente fattore di potenza su tutta la gamma di carichi ed è ancora più efficiente, anche con prestazioni più elevate."
Per una microrete o una rete elettrica di proprietà privata, la creazione di un eccellente fattore di potenza in ogni motore a gabbia di scoiattolo rende anche la rete molto più facile da gestire, afferma.
Intelligenza artificiale nel design
L'uso dell'intelligenza artificiale per ottimizzare il design del rotore e della bobina capacitiva ausiliaria può far risparmiare tempo rispetto alle pratiche di progettazione radicate, afferma Muteba. L'algoritmo genetico ha impiegato 27 minuti per ottimizzare il design del rotore e della bobina capacitiva ausiliaria, entro otto esecuzioni e 60 generazioni di cromosomi elaborati.
"I progettisti devono affrontare la sfida di selezionare il valore ottimale della lunghezza del traferro e della bobina capacitiva ausiliaria. Nella maggior parte dei casi, utilizzano software di progettazione che esegue analisi di sensibilità e parametrica. Questi processi sono generalmente lunghi, con capacità di ricerca limitate", afferma Muto.
"Le IA come gli algoritmi di ricerca ottimali possono trovare il valore ottimale della lunghezza del traferro e della bobina capacitiva ausiliaria cercando un ampio spazio di soluzione in pochi minuti. La tecnica basata sulla popolazione, utilizzata in questa ricerca, un algoritmo genetico, è un buon idoneo a trovare i valori ottimali richiesti."
