UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOlab.fs.uni-lj.si/kes/raba_energije/re-predavanje-05.pdf · 2 UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Katedra za energetsko strojništvo

1

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Katedra za energetsko strojništvo

Raba energije

Prvi korak za zmanjšanje porabe električne energije je pravilna in smotrna uporaba, ter stalno vzdrževanje elektro sistemov. Glavni porabniki v industriji so elektro motorji in razsvetljava.

Eden najenostavnejših ukrepov je izklop naprav v času, ko jih ne rabimo oz. ne obratujejo. Nekatere električne naprave namreč porabljajo energijo (povzročajo izgube) tudi v času pripravljenosti, ko so neobremenjene (tudi domače elektronske naprave npr. TV, monitorji, usmerjevalniki, zabavna elektronika,...)

Stikala za lokalni izklop luči, sistemov bi morala biti označena (in razložen namen), da spodbudi uporabnike, k izklopu sistema, ko ga ne potrebujejo.

Sistem lokalnega osvetljevanja delovnih mest. Če ima delovno mesto na osebo površino manjšo od 4,5-6,5 m2/osebo je smotrna lokalna osvetlitev, drugače pa je ustrezna tudi enakomerna osvetlitev proizvodne hale.

Periodično čiščenje svetil zaradi prahu in umazanije. Tipično zmanjšanje svetlobnega toka je 10-25 % v dveh letih.

Smotrna raba električne energije



Raba energije

Izgube v napravah

0,5-2,0kondenzatorji, v W/kvar

6,0-15,0frekvenčni regulatorji

3,0-9,0usmerniki (veliki)

2,3-4,5nad 1500 kW

4;0-7,0200-1500 kW

6,0-12,010-200 kW

14,0-35,01-10 kW

motorji

1,00-4,00vodniki - kabli

0,40-2,00transformatorji

0,003-0,025avtomatske varovalke

0,09-0,3tokovni omejilniki

0,09-4,0generator

0,13-0,34nizko napetostno stikalo (<5kV)

0,005-0,02stikalo (5-15 kV)

0,002 - 0,015zunanji močnostni odklopniki (15-230 kV)

izgube, %komponenta

2



Raba energije

Elektromotorji – osnovne značilnosti 1

Omejili se bomo na trifazne asinhronske indukcijske elektromotorje. Glavni predstavniki teh motorjev so: s kletkastim rotorjem, z drsnimi obroči in paralelno vezani. Ti motorji se namreč največkrat uporabljajo kot pogonski motorji v industriji. So enostavni, trpežni, obstaja več izvedb vezav in oblik rotorjev/statorjev, ki določa karakteristiko motorja –odvisnost momenta od vrtilne hitrosti in porabe električnega toka.

Za asinhronske motorje je značilen “slip” – to je razlika med vrtilno frekvenco magnetnega polja statorja in rotorja. (relativni “zdrs” rotorja glede na sinhronsko hitrost vrtilnega magnetnega polja statorja)

slip je definiran kot

Imenski vrtilni moment motor oddaja pri relativno majhnem slipu, 2-6 % in zato tudi obratujejo v tem območju. Razbremenjen motor obratuje skoraj brez slipa s sinhronskohitrostjo. Obratovanje z velikim slipom je neučinkovito in škodljivo, ker se motor pregreva.

Za indukcijske motorje v splošnem velja, da so to motorji s stalno/nespremenljivo vrtilno hitrostjo. Če želimo spremeniti vrtilno hitrost je potrebno uporabiti frekvenčne pretvornike.

s

rs

s

rs

n

nns



Raba energije


tipična momentna karakteristika indukcijskega motorja

2-6 % slip pri imenskih parametrih

3



Raba energije


momentne karakteristike asinhronskih indukcijskih motorjev

trakovi, dvigalavelik slip

stiskalnice, transportnivelik zagonski momentD

kompresorji, drobilnikinizek zagonski tok

batne črpalke in batnivelik zagonski momentC

majhen slip

nizek zagonski tok

enako kot tip Anormalni zagonski momentB

centrifugalne črpalkemajhen slip

rotacijski kompresorjinormalni zagonski tok

ventilatorji, puhalanormalni zagonski momentA

uporabakarakteristikaTip



Raba energije


tipični zagonski tok indukcijskega motorja

2-6 % slip pri imenskih parametrih

nazivni tok 100

4



Raba energije


Faktor moči – delavnost toka – cos

Električna energija, ki napaja kakršnokoli induktivno breme (motor, transformator, varčne sijalke,...) je sestavljena iz delovne (aktivne) moči P in jalove (reaktivne) moči Q. Jalova energija nastaja z indukcijo v vodnikih/tuljavah. Jalova energija povzroča zaostajanje toka za napetostjo. Jalova komponenta je potrebna za delovanje elektromagnetnih naprav.

Jalov tok ni v fazi z napetostjo in zato ne proizvaja koristnega dela ampak dodatno obremenjuje omrežje s pretakanjem energije in s tem povzroča dodatne izgube v omrežju. (Analogija iz mehanike: npr. keson tovornjaka pred novim transportom ne izpraznimo popolno, ampak pustimo del njegovih kapacitet stalno zaseden z nekim nekoristnim balastom/tovorom in tega nato stalno prevažamo sem in tja.)

Jalov tok merimo v kilovar amperih (kVAr)

Faktor moči je razmerje med delovnim tokom (tistim, ki opravlja delo) in navideznim (celotnim) tokom, ki se pretaka v breme.

Faktor moči ali delavnost toka lahko dosega vrednosti med 0 in 1. Faktor manjši od ena pomeni, da breme potrebuje jalovo energijo za produkcijo mehanskega dela.

Industrijskim porabnikom elektro distributer meri in obračunava jalovo energijo, zato stremimo k temu, da je obratovanje sistema takšno, da je faktor moči (cos ) čim večji!



Raba energije


Faktor moči – delavnost toka – cos

Faktor moči PF - cos je merilo za delež delovne moči P v skupni (navidezni) moči S.

P

SQ

22

cos

QPS

S

PPF

P - delovna (aktivna) moč, kW = 1,73 U I cos

Q - jalova (reaktivna) moč, kVAr = 1,73 U I sin

S - navidezna (skupna) moč, kVA = 1,73 U I trifazni sistem

Jalova energija je energija, ki se v sistemu z izmenično napetostjo v določenem časovnem obdobju zvezno izmenjuje med električnimi in magnetnimi polji elektroenergetskega sistema in vsemi nanj priključenimi napravami.

5



Raba energije


izkoristek - obremenitev

Odvisnost izkoristka motorja in faktorja moči glede na obremenitev motorja. Vrtljaji motorja so v ozkem območju od skoraj sinhronskih do nazivnega (6 %) slipa. Izkoristek motorja začne strmo padati, ko se obremenitev zmanjša pod 50 %.



Raba energije

Faktor moči (cos ) je možno zvečati (zmanjšati porabo jalove energije in s tem znižati račun za električno energijo) na več načinov. Najbolj razširjena je prigraditev kondenzatorjev na meji sistema, ki “absorbirajo” pretakanje jalove energije znotraj mej obračunskega mesta (tovarne/industrijskega obrata). S tem razbremenimo javno distribucijsko prenosno omrežje med porabnikom in generatorjem.

V splošnem je zaželeno, da ima sistem dovolj visok faktor moči s čemer se izognemo pretiranim plačilom jalove energije.

Neobremenjeni in premalo obremenjeni motorji imajo nizek izkoristek in nizek faktor moči, zato ne instalirajmo pretirano predimenzioniranih motorjev.

Dopustno je nekako 10-20 % predimenzioniranje moči motorja, ker izkoristek ostaja visok v širšem področju. Jalova moč je tudi dokaj konstantna v širšem področju in če jo kompenziramo s kondenzatorjem (centralnim ali prigrajenim na sponkah motorja), dobimo ustrezno visok cos v širšem območju obremenitev, kar je ustrezna opcija. Druga prednost malenkostnega predimenzioniranja so nižje temperature navitij in s tem bistveno daljša življenska doba.

Obstajajo pa tudi visoko učinkoviti elektro motorji, ki imajo za 0,5 % do 2 % višji izkoristek, ampak tudi 15 % do 25 % višjo nabavno ceno.


zvečanje faktorja moči, izkoristek

6



Raba energije

Frekvenčni pretvornik preko vhodne enote (usmernika) usmeri izmenično vhodno napetost. Enosmerna napetost se preko močnostne izhodne enote razsmeri na ustrezno napetost za motor. Z naprednimi vektorskimi algoritmi, je mogoče znatno zmanjšati porabo električne energije. Z ustrezno regulacijo vrtljajev motorja je možno doseči prihranek energije tudi v primeru, ko se vrtljaje motorja ne sme zmanjšati, obremenitev motorja pa ni trajna ali se pojavlja sunkovito.

Vektorski model v vsakem trenutku spremlja vrtljaje motorja, ter v primeru, da slip preseže nazivnega, tok ostaja pod nazivnim. Če pretvornik zazna preobremenitev oz. zmanjšanje obratov, se preobremenitev rešuje s povečavo izhodne napetosti in toka, ter s tem poveča moment motorja. V primerih, ko tok ne pade v določenem času pod dovoljenega, frekvenčni pretvornik javlja preobremenjenost in kasneje izklopi motor. S tem se varuje motor, pretvornik in celoten sistem pred okvaro.


Frekvenčni pretvorniki

primer frekvenčnega pretvornika manjših moči, nekaj kW



Raba energije

Tipični primer uporabe frekvenčnih pretvornikov je v primerih, ko nek snovni tok reguliramo z dušenjem (trenjem). Med obratovanjem ne moremo spremeniti karakteristike delovnega stroja, ki ga poganja elektro motor s “stalnimi” vrtljaji. Primer: pogon turbinskega stroja - centrifugalna črpalka.

Npr. regulacijo pretoka lahko izvedemo z dušenjem ali pa s spremembo vrtljajev črpalke.


Frekvenčni pretvorniki – primer uporabe: centrifugalna črpalka 1

elekro motor s stalnimi vrtljaji

Pel centrifugalna črpalka

dušilni ventil

spremenljiv tok

elekro motor s spremenljivimi

vrtljaji

Pel centrifugalna črpalka

spremenljiv tok

7



Raba energije





Raba energije



100,76

200,88

401,01

201,14

101,26

%m3/s

čas -skupnipretok

karakteristike črpalke in časovna porazdelitev zahtevanih pretokov

8



Raba energije



Frekvenčni pretvornik

490,5skupaj

34,634675702259,5100,76

81,840978752319,2200,88

194,848780804389,3401,01

11557582857471,3201,14

64,364385900546,6101,26

kWhkW%1/minkW%m3/s

el. energijamoč el.m.izk. frek.

reg.vrtljaji črpalke

moččrpalke

čas -skupnipretok

Dušenje

562,7Skupaj

53,353393495,9100,76

111,055593516,0200,88

225,956593,5528,0401,01

114,457294537,6201,14

58,158194546,6101,26

kWhkW%kW%m3/s

el. energijamoč el.m.

izkoristek el.m.

moččrpalke

čas -skupnipretok



Raba energije


Konična moč - definicija

Poraba energije E se določa z integracijo po času trenutne moči P(t), ki jo uporabnik porablja.

Konična moč

Na podlagi maksimalne porabe električne energije v časovnem intervalu, na primer v 1 uri ali v 15 minutah izračunana moč v tekočem dnevu, tednu, mesecu, letu.

Konična obremenitev

Največja moč, ki jo v določenem obdobju (na primer na dan, mesec, leto) prevzame odjemalec ali jo dobavi elektroenergetski sistem.

kWh)(0T

dttPE

9



Raba energije


Konična moč - razlaga

Uporabnik 1 odvzema iz sistema moč 1000 kW in to 24 ur dnevno, uporabnik 2 pa odvzema moč 2000 kW in to samo 12 ur dnevno. Poraba energije je v obeh primerih enaka, 24 MWh (predpostavimo enake izkoristke, cos ,...). Toda oprema distributerja (transformatorji, vodniki,...), da dobavi energijo uporabniku 2 mora imeti v drugem primeru kar dvakratno zmogljivost. To pa seveda stane. Distributer to dejstvo upošteva v računu za električno energijo z dodatkom za konično moč.Distribucijski sistem prenese kratkotrajne preobremenitve zato se za izračun konične moči upošteva nek razumen daljši interval (v SLO je to navadno 15 min).

Primer: konična poraba el. energije na naši fakulteti se določi na osnovi maksimalne moči v časovnem intervalu 15 min enkrat mesečno. To vrednost se nato upošteva pri mesečnem obračunu. Nato se merilnik moči enkrat mesečno resetira na 0.Tudi gospodinjstvom se obračunava priključna (konična) moč, ki pa jo določajo glavne varovalke. Za gospodinjski odjem se smatra priklop največ do 3 x 25 A (stalni mesečni prispevek za moč zanaša 0,75457 €/kW/mesec, okt.2011).



Raba energije


Konična moč – faktor istočasnosti LF

Porabljena energija v (enem obračunskem) časovnem intervalu dolžine Td

iD

DLF

maxpovpr

d

i

Tn

ED povpr

Di – konična moč (Demand)

LF – faktor istočasnosti (Load Factor) 0 < LF ≤ 1

10



Raba energije


Konična moč – zmanjševanje

S stališča uporabnika se je potrebno čim bolj približati “povprečni” moči – torej čim bolj izravnati porabo, če seveda to tehnologija dopušča.

Del porabe energije v času konične porabe, skušamo prestaviti v področje nižjih obremenitev!



Raba energije


Konična moč – ukrepi za zmanjševanje

- Prvi korak je analiza dejanskih možnosti zmanjševanje konic, to je analiza tehnologije proizvodnega procesa, ter analiza obračunavanja (prejetih računov) električne energije- Izračun faktorja istočasnosti LF- Če je faktor istočasnosti LF visok in blizu 1, potem nam katerikoli ukrepi ne prinašajo bistvenih izboljšanj. V primeru nizkega faktorja istočasnosti pa že majhno zvišanje faktorja istočasnosti pomeni bistveno zmanjšanje konične moči in s tem stroškov za električno energijo (npr. če se LF zviša iz 0,1 na 0,2 pomeni, da se je konična moč razpolovila).

11



Raba energije


Konična moč – ukrepi za zmanjševanje

- Nizek LF pomeni velik potencial možnih izboljšav in prihrankov.- Metode za večanje faktorja istočasnosti temeljijo predvsem na treh ukrepih: - a) časovna relokacija (“pretakanje”) moči v področja nižjih odjemov, - b) kogeneracija - c) akumulatorji hladu, toploteza zmanjševanje konic je potrebna prioritetna shema izklopa naprav - vrstni red in njihov vpliv na LF. Proizvodni stroji so navadno izvzeti. Navadno so za izklop ustrezni: luči, klimatske naprave, priprava sanitarne vode, v splošnem procesi, ki jih lahko zamikamo po času. S kogeneracijskimi postrojenji lahko vplivamo na lastno proizvodnjo električne energije in toplote (akumulator toplote) in se prilagajamo glede konično moč. Če imamo npr. akumulator hladu (klimatizacijaprostorov),...lahko hlad proizvedemo v nočnem času nižjih obremenitev.- Nadzor nad izklopom (in ponovnim vklopom) izbranih bremen se lahko izvaja avtomatsko ali ročno. Avtomatika je lahko zelo preprosta, to je od enostavnih termičnih zaznaval, do kompleksnega računalniško vodenega sistema.



Raba energije


Ukrepi pri razsvetljavi

- Vse zgradbe imajo sisteme električne razsvetljave. V nekaterih zgradbah ima lahko razsvetljava 20-50 % delež porabe energije (npr. trgovski centri)- Stalno vzdrževanje pripomore k učinkoviti rabi; čiščenje prahu, zamenjava svetil, ko jim svetilnost upade, zamenjava stare tehnologije z novo, ki je energijsko učinkovitejša- Kontrola ustreznosti osvetljenosti delovnih mest (meritve)- Uporaba senzorjev gibanja za vklop (primer WC-ji na FS)- Uporaba urnih-programskih stikal za vklop/izklop nočnega osvetljevanja- Krmiljenje s fotocelicami in prilagoditev naravni dnevni svetlobi- Uporaba elektronskih zatemnjevalnih stikal za (zvezno) regulacijo svetilnosti in prilagajanje dnevni osvetljenosti

12



Raba energije


Tabela lastnosti svetlobnih virov



Raba energije


Documents

UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVOlab.fs.uni-lj.si/kes/raba_energije/re-predavanje-05.pdf · 2 UNIVERZA V LJUBLJANI, FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Katedra za energetsko strojništvo