POHONYv ENERGETIKE -Otáčková regulácia

KPE - Považská Bystrica – November 2007

Energetické úsporypri prevádzke meničov frekvencie

Spotreba elektrickej energie

Spotreba v priemysle

40%

11%

49%

Ostatné Svetlo Motory

Elektromotory Významný podiel celkovej spotreby elektrickej energie

Spotreba energií

Zvyšovanie produkcie Slovenského priemyslu

Zvyšovanie výrobyVýroba náročná na el. energiu

Energeticky najnáročnejšíRozvod vzduchu kompresormiRozvod vody a tepla čerpadlami

Riadenie pohonov- úspora energie

Najpoužívanejší elektromotor v praxi

Asynchrónny motor s kotvou nakrátko

Riadenie otáčok motora frekvenčným meničom

Zmena vlastností pohonu Rozšírenie možností pohonu

Typy pohonov a poháňaných sústav

Kvadratická záťaž Odstredivé čerpadláVentilátory

Konštantná záťaž DopravníkPiestové čerpadláDúchadlá

Záťaž s veľkým momentom zotrvačnosti Zdvih, žeriavy, výťahy PílyMlyny

Konštantná záťaž

Moment a príkon motora v závislosti od frekvencie pri konštantnej záťažiZníženie výkonu pohonu pri konštantnej záťaži a pri znížení otáčok

Kvadratická záťažMoment a príkon motora v závislosti od frekvencie pri kvadratickej záťažiZníženie výkonu pohonu pri kvadratickej záťaži a pri znížení otáčok

Úspory energie pri pohonoch ventilátorov

Príkon motora pri rôznych spôsoboch regulácie

P (%)

Q (%)

100

100

20

40

60

80

20 40 60 80

Natočením lopatiek ventilátora

Škrtením

Zmenou otáčok

Q’ = Q . ( n’ / n )P’ = P. ( n’ / n ) 3

Ventilátor - výpočet návratnosti investícií do otáčkovej regulácie

Analýza pôvodného stavuČasová analýza chodu ventilátora

Časová a energetická analýza pôvodnej metódy regulácie

Výpočet spotreby energie pri používaní pôvodného riešenia

Ventilátor – pôvodný stav bez otáčkovej regulácie

RSAINAOUT

Škrtenie

Ventilátor

M

Žalúzie

YΔ

Technológia

Teplota

Vst

up

Ventilátor – s otáčkovou reguláciou

RSAIN

AOUTOtáčky

Ventilátor

M

Technológia

Teplota

Vst

up

VQFREM

400 045

PIDTeplota

Ventilátor - výpočet návratnosti investícií do otáčkovej regulácie

Návrh nového riešeniaAnalýza požiadaviek a obmedzení regulácieDimenzovanie pohonuČasová analýza chodu ventilátora pri použití navrhovaného riešeniaVýpočet spotreby energie pri používaní nového riešeniaNáklady na nové riešenieVýpočet doby návratnosti nového riešenia vzhľadom na pôvodné riešenie

Ventilátor – návratnosť

Zimná elektrická práca [kWh] 126288 220 246 SkLetná elektrická práca [kWh] 162450 283 312 Sk

503 559 Sk

Zimná elektrická práca [kWh] 44710 77 975 SkLetná elektrická práca [kWh] 132083 230 352 Sk

308 327 Sk

Úspory: 195 232 Sk

Ročná cena energie:

Ročná cena energie:

Pôvodné riešenie

Navrhnuté riešenie

Doba návratnosti je menšia ako 1 rok

Úspory energie pri pohonoch čerpadiel

Otáčková regulácia prietoku Prietok pri otáčkach nižších ako nominálneEnergetické úspory pri otáčkach nižších ako nominálneSpodná hranica regulácie

Minimálne otáčkyAutomatické „parkovanie“ meničaAutomatické „štartovanie“ meniča

Úspory energie pri pohonoch čerpadielQ’ = Q . ( n’ / n )P’ = P. ( n’ / n ) 3

Možnosti regulácie pohonov čerpadiel a ventilátorov

Konštantný tlak

Konštantná tlaková diferencia

Konštantná výška hladiny

Regulácia nad nominálne otáčky

Plynulá regulácia bez tlakových rázov

Energetická optimalizácia

Kaskádne riadenie až 4 motorov

Regulácia AM veľkých výkonov

Regulácia pomocou VN meničov frekvencieRegulácia pomocou NN meniča frekvencie a transformáciou na VN stranuRegulácia pomocou NN meničov frekvencie

výhodné do výkonu 2MW

VNMenič AM

VN Motor

VN

NNMenič AM

VN MotorT1

NN

T2

VNVN

NNMenič AM

T1

NNVN

Riešiteľné nevýhody pri aplikácii FM

Vplyv meniča na napájaciu sústavu Prepäťové špičky na vinutí motoraLožiskové prúdy motoraTeplotné obmedzenia

PTC snímače

Účinník frekvenčného meniča0.95 – 0.97

Zabezpečenie kritických stavov pohonu

Ui = L. di / dt (pripájanie - odpájanie transformátorov)

Nežiadúce vplyvy frekvenčných meničov na napájaciu sústavu a ich eliminácia

Frekvenčný menič – štandardné prevedenie

M

Neriadený vstupný usmerňovač s filtráciou - odber vyšších harmonických prúdov

Riadený výstupný striedač fsw= 1,5–16 kHz

- vf rušenie do napájacej siete

Predpisy pre dodržanie EMC a obmedzenie rušení do siete

VF rušenia do napájacej siete legislatíva

STN EN 61 800 - 3STN EN 55011 Odrušovací filter triedy A1 pre priemysel - Eliminácia rušivých napätí

Vyššie harmonické prúdov a napätí legislatíva STN EN 61000-3-4 vstupné prúdy spotrebičov nad 16 A STN EN 61000-2-4 medze rušivých napätí vo vedeniach STN EN 61800-3 EMC norma pre meniče frekvencie

Vyššie harmonické- čo to je?

• Prítomnosť vyšších harmonických v el. sieti Základný ukazovateľ kvality – nekvality elektrickej energie

• Stupeň deformácie napäťovej a prúdovej vlny

Celkové harmonické skreslenie THD prúdu

Nepriaznivý vplyv vyšších harmonických

Chybná činnosť regulačných zariadení a ochránChybná funkcia HDOPrídavné straty na kondenzátoroch a rotačných strojochPrídavný hluk motorov a iných zariadeníZníženie výkonu motorov, vznik „proti momentov“, vibrácieZvýšené oteplenie napájacích káblovPrídavné činné stratyZhoršenie tepelného režimu spotrebičovZníženie životnosti zariadeníVznik nežiaducich rezonančných javov v sietiNárast chýb meracích a regulačných zariadení

Príslušenstvo pre dodržanie EMC a obmedzenie rušení

VF rušenia do napájacej sieteProdukujú spínacie prvky IGBT,GTO, ....

Eliminácia vf rušeniaOdrušovací filter triedy

Vyššie harmonické prúdov a napätí Generuje každý neriadený usmerňovač princípom

činnostiEliminácia vyšších harmonických prúdov a napätí

Komutačná tlmivkaTrap filter12 a 18 impulzný usmerňovačRiadený usmerňovačAktívny filter

FM bez komutačnej tlmivky

ZÁŤAŽ

6 impulz usm

FM s komutačnou tlmivkou Uk = 2%

ZÁŤAŽ

KT

6 impulz usm

Trap FilterZÁŤAŽ

Trap filter

6 impulz usm

12 impulzný usmerňovač

ZÁŤAŽ

12 impulz usm

12 imp. usmerňovač - harmonická analýza

Riadený usmerňovač rekuperačného meniča frekvencie

M

Riadený usmerňovač - vstupný prúd

Štart - nábeh riadeného usmerňovača

Riadený usmerňovač THD vstupného prúd a požiadavly STN EN 61000-3-4

Aplikácia PWM usmerňovača

Aplikácia PCF usmerňovača

Aktívny paralelný filter vyšších harmonických

Výhody paralelného aktívneho filtra:- Jednoduché paralelné radenie jednej výkonovej jednotky

- Veľmi nízke THD

- Sínusový odber prúdu zo zdroja

- Možnosť použitia na všetky druhy záťaže – kompenzačná jednotka

Zhrnutie vyšších harmonických Pre praktické meranie vyšších harmonických napätí, ktoré

produkujú meniče frekvencie je v súčasnosti dôležité dodržanie úrovne harmonických prúdov uvedených v norme STN EN 6100-3-4. Tieto úrovne sa vzťahujú na meniče frekvencie nad 16 A. Súčet všetkých neharmonických prúdov, ktoré menič produkuje v porovnaní s prvou harmonickou nesmie prekročiť dovolené THD. Vplyv vyšších harmonických vplýva aj na káblové vedenia a pojednáva o nich STN EN 61000-2-4. Veľkosť úrovne je ešte daná triedou oblasti elektrickej sieti (1,2,3). Dôležitý je aj bod záujmu merania harmonických v sieťach rôznych napäťových úrovní (nn, Vn VVN).

Pre určenie celkových príspevkov od zariadení produkujúcich vyššie harmonické slúžia pomerne zložité výpočty. K týmto výpočtom sú potrebné aj znalosti parametrov siete, rôzne koeficienty a nakoniec aj znalosti od úrovne harmonických napätie daného zariadenia. Cieľom všetkých opatrení je eliminácia vyšších harmonických priamo na zdroji – na zariadení, ktoré ich vytvára.

Úrovne harmonických napätí STN EN 61000-2-4

Rád harmonickej h

Kompatibilné úrovne uh (%)

trieda 1 trieda 2 trieda 3

nepárne harmonické okrem násobku 3

5 3 6 8

7 3 5 7

11 3 3,5 5

13 3 3 4,5

17 2 2 4

19 1,5 1,5 4

23 1,5 1,5 3,5

25 1,5 1,5 3,5

27 0,2 0,2  1

nepárne harmonické - násobky 3

3 5 5 6

9 1,5 1,5 2,5

15 0,3 0,3 2

21 0,2 0,2 1,75

23 1,5 1,5 3,5

celkové harmonické skreslenie THDU napätia (%)

THDU 5 8 10

Triedy oblastí elektrickej sieti

Kompatibilné úrovne – medze pre viac zdrojov harmonických. Preto je definovaný:napájací bod (Point of Coupling - PC): bod, v ktorom je uvažované o pripojeníspoločný napájací bod (Point of Common Coupling - PCC): bod verejnej rozvodnej siete, v ktorom je alebo má byť pripojená vyšetrovaná sieť,napájací bod vnútri závodu (In-plant Point of Coupling - IPC): napájací bod vnútri vyšetrovanej siete alebo inštalácie.

Trieda 1: ochrana napájania a má nižšie kompatibilné úrovne než úrovne verejných sietí. Je pre zariadenia citlivé na rušenie, napr. prístroje pre technologické laboratóriá, nemocnice, výpočtové strediská Trieda 2: pre PCC a IPC. Pre štandardné siete a verejné rozvodné siete (napr. aj kompenzačné kondenzátory) Trieda 3: len pre IPC. Aplikuje sa v prípade, ak je prevažná časť zaťaženia napájaná cez meniče frekvencie, ak sú prevádzkované zváračky, často sú rozbiehané veľké motory, zaťaženie sa rýchlo mení...

Vyššie harmonické napätia na distribučnom transformátore Príklad: Časový priebeh vyšších harmonických napätí v % zo základnej harmonickej

21:45

20:15

18:45

17:15

15:452 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

napätie (%)

čas merania

Rád harmonickej