Pazite se zamki – Štedite energiju, ali stvarno!
Pravilan način da tačno procenite mogućnosti uštede energije
U vreme poskupljenja svih vidova energije i sve većeg nedostatka energenata, kao i
svakodnevnih upozorenja o posledicama klimatskih promena usled globalnog
zagrevanja, korisnici mašina i postrojenja traže načine da smanje potrošnju energije.
To sa jedne strane povećava njihovu tržišnu konkurentnost, a sa druge obezbeđuje i
pozitivno predstavljanje u javnosti. Ključne uštede se ostvaruju u elektromotornom
pogonu, koji je najčešće najveći potrošač električne energije, i u postrojenjima
zauzima veliki prostor. Iako su novije instalacije već tako koncipirane da troše manje
energije – pri tome na ovom polju još uvek ima dosta zamki na putu ka optimalnoj
konfiguraciji – kod postojećih postrojenja nije uvek moguće dobiti tačne analize i
podatke iz proizvodnje ili postrojenja, da bi se na osnovu toga mogao odrediti najveći
mogući stepen uštede.
Često se dešava da mere za uštedu energije koje korisnici primene, ne budu toliko
uspešne koliko se to od njih očekuje, ili pak na nekom drugom mestu proizvedu
značajne nedostatke, pa čak i probleme u radu postrojenja. Postoji mnogo uzroka za
to, najčešći je nepotpuna ili čak pogrešna analiza početnog stanja i odluke donesene
na bazi takvih analiza, kao i nedovoljna pažnja pri izboru komponenti, bili to motori ili
frekventni pretvarači.
Mnogobrojni različiti uređaji sa svojim raznolikim osobinama i sve složenijim
procedurama u brojnim postrojenjima, otežavaju izbor optimalnih komponenti za
svaku moguću konstelaciju. Tačno sagledavanje stanja i obimno znanje o
sopstvenom postrojenju i ustanovljenim postupcima, trebalo bi da budu dovoljni za
uspešnu analizu. Odeljci koji slede ukazuju na moguće zamke koje vrebaju prilikom
planiranja efektivnih mera:
Zamka br. 1: Frekventni pretvarač sa nominalno opterećenim motorom
Često se čuje predlog da se svi motori u pogonu jednostavno opreme frekventnim
pretvaračima, ali takav pristup, pored visoke cene, možda neće pružiti očekivane
uštede energije. Potrebno je odrediti profil opterećenja i radni ciklus svakog
pojedinačnog motora. Koliko dugo motor radi sa opterećenjem manjim od
nominalnog? Frekventni pretvarač smanjuje energetsku efikasnost pogona ukoliko je
motor stalno u nominalnom radnom režimu, jer je i frekventnom pretvaraču potrebna
energija za rad, a pri tom proizvodi i minimalne gubitke koji u tom slučaju nisu
opravdani. Ukupna potrebna količina energije u postrojenju koje se sastoji od
frekventnog pretvarača i motora je u tom slučaju povećana. U slučaju da je potrebna
konstantna brzina motora, prednost treba dati rešenju sa soft-starterom sa bajpas
kontaktorom, koji kontrolisano povećava brzinu motora, a po dostizanju pune brzine,
motor se direktno priključuje na mrežu. Tako soft-starter prelazi u stanje mirovanja
(stand-by) sa veoma malom potrošnjom energije. U aplikacijama gde je potrebna
promenjiva brzina motora, primena frekventnog pretvarača će u najvećem broju
slučajeva ostvariti uštede energije.
Zamka br. 2: Suviše kratak period za analizu podataka
Da bi doneo ispravne odluke korisnik mora da raspolaže odgovarajućim podacima iz
postrojenja. Sistemi koji beleže aktuelno opterećenje za svaki radni proces i tako daju
tačan profil opterećenja mogu se koristiti za snimanje podataka. Ali koliko dugo treba
snimati podatke da bi se mogla sprovesti korektna analiza?
Potrebno trajanje snimanja podataka mora se odrediti prema konkretnoj aplikaciji.
Kod procesa koji se uvek odvijaju u određenim periodičnim ciklusima, korisnik može
da ograniči period merenja na mali broj ciklusa i dobiće na osnovu toga prilično
pouzdanu informaciju o potrošnji energije.
Drugi slučaj je kod aplikacija koje zavise od određene situacije. Tipičan primer za to
bi bila aplikacija klimatizacije zgrade, ali i potrošnja pumpe za otpadnu vodu.
Potrošnja energije u obe aplikacije veoma zavisi od vremenskih uslova. Potrošnja
energije sistema za klimatizaciju je najveća u toku leta, pri izuzetno toplom vremenu,
dok pumpe otpadnih voda, prilikom jakih padavina rade na maksimalnoj brzini pri
najvećem opterećenju. Ako u periodu snimanja podataka za analizu potrošnje
energije nisu nastupile tako ekstremne situacije, dobijeni podaci mogu biti netačni,
što povlači za sobom pogrešnu procenu ili izbor neadekvatnih komponenti i samim
tim može dovesti do smanjene energetske efikasnosti.
Zamka br. 3: Upravljački algoritam frekventnog pretvarača
Kod primene frekventnih pretvarača, struktura upravljačkog algoritma pretvarača
odlučuje o energetskoj efikasnosti rešenja. Uopšteno važi: što je bolji upravljački
algoritam frekventnog pretvarača, to je bolje i tačnije upravljanje motorom i samim
tim, naravno, i veća mogućnost uštede energije.
Kao loš primer u smislu energetske efikasnosti može se posmatrati princip
upravljačkog algoritma frekventnog pretvarača sa održavanjem odnosa napona i
učestanosti motora na konstantnoj vrednosti, često skraćeno označen kao U/f-princip
upravljanja. U slučaju opterećenja motora koje je manje od nominalnog – pogon sa
U/f principom upravljanja ima znatno lošiju energetsku efikasnost od pogona sa
vektorskim upravljanjem. Ovakvi rezultati se mogu objasniti činjenicom da frekventni
pretvarači sa U/f principom upravljanja ne uzimaju u obzir aktuelno opterećenje
motora, jer oni ne sprovode merenje struje motora. Kod frekventnih pretvarača sa
kvalitetnijim upravljačkim algoritmima, postoji merenje struje motora, ali to povećava
cenu frekventnog pretvarača. Informacija o trenutnoj vrednosti struje motora koristi se
u upravljačkim algoritmima kvalitetnijih frekventnih pretvarača za procenu trenutnog
opterećenja motora, a prema opterećenju se prilagođava upravljanje motorom. Sve u
svemu, kvalitetniji upravljački algoritam frekventnog pretvarača doprinosi većoj
energetskoj efikasnosti postrojenja. Ovaj primer ilustruje da frekventni pretvarač sa
manjom cenom ne predstavlja uvek najpovoljnije rešenje sa ekonomskog stanovišta.
I u ovom slučaju ostvarene uštede zavise od profila opterećenja samog postrojenja.
Ukoliko motor pretežno radi na nominalnoj brzini sa nominalnim opterećenjem,
ostvarene uštede energije na bazi boljeg upravljačkog algoritma frekventnog
pretvarača su manje.
Zamka br. 4: Ograničenje opsega regulacije brzine motora
Karakteristike samog tehnološkog procesa takođe mogu da spreče uspešnu primenu
energetski efikasne regulacije brzine motora. Detaljno poznavanje tehnološkog
procesa i postupaka u proizvodnji je od velikog značaja. Pumpe koje se koriste za
mešavinu čvrstih i tečnih materija, na primer, obavezno moraju imati minimalan
protok, da se čvrste čestice ne bi nagomilavale u cevovodima i u samim pumama.
Minimalna brzina zavisi od vrste materijala, koncentracije čvrste materije i sredstva
za obradu. Ukoliko korisnik u takvoj aplikaciji podesi suviše mali broj obrtaja da bi
uštedeo na energiji, može doći do sedimentacije. Tada su neophodna ispiranja,
servisiranje ili drugi postupci periodičnog redovnog održavanja, što stvara troškove
veće od ušteda ostvarenih na smanjenoj potrošnji električne energije. Najnepovoljniji
slučaj nastupa ukoliko dođe do neplaniranih ispada ili oštećenja sistema usled
nagomilavanja čvrstih materija. Zbog navedenog, izuzetno je važno da i korisnik i
proizvođač postrojenja veoma detaljno analiziraju proces, kod kojeg je moguće
smanjenje broja obrtaja.
Zamka br. 5: Pumpe i ventilatori ne rade u optimalnoj radnoj tački
U aplikacijama transporta fluida (pumpanja ili ventilacije), radna tačka celokupnog
postrojenja značajno utiče na energetsku efikasnost sistema. Upravo kod ovakvih
mašina, sa mogućnostima regulacije protoka, potrebno je naći optimalnu radnu tačku
postrojenja, pošto je mehanička snaga pogona kubna funkcija brzine kod mnogih
ventilatora i pumpi, tako da već i malo smanjenje brzine ima veliki uticaj na potrošnju
energije.
Na žalost, projektovanje takvih sistema je u velikoj suprotnosti sa uštedama energije,
jer se pumpe i ventilatori najčešće projektuju da obezbede maksimalni protok fluida,
tako da najveći deo vremena rade sa opterećenjem manjim od nominalnog. Kao
primer, ponovo mogu da posluže sistemi za klimatizaciju, koji i po najtoplijim danima
u godini treba da obezbede prijatnu temperaturu vazduha.
Proizvođači takvih sistema su u međuvremenu došli do rešenja koji optimalno rade
sa opterećenjem od oko 70 – 80% od nominalnog. Ovo obezbeđuje uštede energije.
Dodatna prepreka uštedi energije je i činjenica da je razlika između maksimalnog i
smanjenog opterećenja veoma velika. Proizvođači mašina i korisnici bi trebalo
razmotre ugradnju kaskadnog sistema pumpi u postrojenje, čime bi se omogućilo da
sve pumpe i ventilatori uvek rade u optimalnim uslovima opterećenja. Rekonstrukcija
postrojenja kojom se ugrađuje kaskadni sistem pumpi predstavlja ulaganje sa brzim
povraćajem sredstava, jer se tako ostvaruju značajne uštede energije.
Zamka br. 6: Pogrešno dimenzionisanje opreme
Prilikom projektovanja postrojenja potrebno je detaljno znanje o tehnološkom
procesu i aplikaciji. Korisnici često dobijaju opremu izabranu sa „dovoljnom
rezervom“, predviđenoj u svakoj fazi projektovanja. Svako nepotrebno
predimenzionisanje opreme u pogonu ostavlja negativne posledice na energetsku
efikasnost, a time i na troškove eksploatacije. Najčešće je oprema pogrešno izabrana
kada mašinski i elektro deo projektantskog tima međusobno ne komuniciraju
dovoljno. Kod rekonstrukcije postojećih postrojenja, treba obratiti pažnju na
celokupan proces, kao i na promene nastale u prethodnom periodu eksploatacije. U
mnogim slučajevima, zbog predimenzionisanja opreme nastaju veći investicioni
troškovi, ali i povećani troškovi eksploatacije.
Veći troškovi eksploatacije nastaju zbog toga što motori imaju najbolji stepen
iskorišćenja (najveću efikasnost) pri radu u nominalnoj radnoj tački. Sa smanjenjem
opterećenja, smanjuje se i stepen iskorišćenja, što zavisi od tipa i konstrukcije
mašine. Stepen iskorišćenja se pri smanjenom opterećenju sporije smanjuje kod
mašina velike snage, u odnosu na mašine manje snage. Ako pri istim uslovima u
procesu, u izabranoj radnoj tački postrojenja motor ima stepen korisnog dejstva
(energetsku efikasnost) samo 77%, umesto mogućih 80%, to će za rezultat imati
značajne troškove eksploatacije za vreme radnog veka motora.
Međutim, treba imati u vidu da je u nekim slučajevima predimenzionisanje opreme
opravdano, jer pruža potrebnu rezervu snage za dinamičke procese u postrojenju,
kao i za eventualno povećanje obima proizvodnje.
Zamka br. 7: Da li rekuperacija energije zaista obećava uspeh?
Frekventni pretvarači sa rekuperacijom energije mogu da vrate energiju iz pogona u
napojnu mrežu. Ovakvi pretvarači imaju aktivne (regulisane) ispravljače koji
podešavaju svoj rad tako da se energija može uzimati ili vraćati u mrežu (pri
konstantnom mrežnom naponu i učestanosti), u zavisnosti od potreba pogona.
Koliko god da u prvom trenutku rekuperacija primamljivo deluje, ipak treba imati u
vidu: u najvećem broju slučajeva je primena kočionih otpornika ekonomski i ekološki
isplativija od rekuperacije energije koja je proizvedena u procesima kočenja pogona.
Korisnici po pravilu često precenjuju udeo generisane energije. Elektromotorni pogon
može da generiše energiju u periodu od najviše 50% vremena rada, i to samo kada
usporava, odnosno koči. U uobičajenim aplikacijama, koje imaju za cilj pokretanje
radne mašine, samo 10% do 20% ukupnog vremena rada ovaj uslov može biti
ispunjen. Proizvedena energija se može izračunati, uvažavajući mnoge faktore kao
što su inercija motora i radne mašine, napon jednosmernog međukola, brzina
motora, gubici na trenje i dinamika promene brzine. Proračunima se takođe može
pokazati da se proizvedena energija smanjuje sa smanjenjem brzine motora. Čak i
kada asinhrona mašina razvija negativan momenat (mašina radi u generatorskom
režimu), to ne znači da će sva mehanička energija biti na raspolaganju za
rekuperaciju u mrežu. Gubici u motoru, kablovima i frekventnom pretvaraču troše
raspoloživu energiju.
Da bi generisana energija mogla da se vrati u mrežu, frekventni pretvarači moraju
imati aktivni, regulisani ispravljač, koji ima istu strukturu kao invertor. Gubici kod
takvih ispravljača mogu biti i do 25% viši od gubitaka u neregulisanim ispravljačima, i
postoje uvek, nezavisno od toga da li aktivni ispravljač uzima energiju ili je u vraća u
mrežu. Da bi se pokrili ovi dodatni gubici od aktivnog ispravljača, u nekim
postrojenjima pogon mora da radi u režimu kočenja sa rekuperacijom bar 20% - 30%
vremena rada.
Takođe, aktivni ispravljači moraju biti u funkciji i ako motor ne radi. U poređenju sa
neregulisanim ispravljačima, struja mirovanja (stand-by) kod ovakvih ispravljača je
veća, što dovodi do veće potrošnje električne energije. Dobra osobina aktivnih
ispravljača je što ne stvaraju harmonijska izobličenja u napojnoj mreži, a uz to mogu
u izvesnoj meri da poprave ukupni faktor snage postrojenja.
Da bi se na pravi način sagledali ekonomski efekti rekuperacije energije, treba imati u
vidu i više investicione troškove frekventnih pretvarača sa aktivnim ispravljačima.
Zamka br. 8: Rezonancija izazvana reakcijom mreže
Povezivanje frekventnog pretvarača, odnosno ispravljača iza kojeg su povezani
kondenzatori iz jednosmernog međukola, na mrežu dovodi do uspostavljanja
impulsnog talasnog oblika struje. Struja koja nije sinusnog talasnog oblika se može
matematički predstaviti kao zbir signala sinusnog oblika na osnovnoj učestanosti i
pratećih sinusnih talasa na učestanostima koje su umnožak osnovne. Ovi prateći
talasi se nazivaju viši harmonici, i u standardima su opisani kao smetnje, na
učestanostima manjim od 2 kHz. Viši harmonici stvaraju distorzionu (neaktivnu)
komponentu struje koja dodatno opterećuje trafo stanice i vodove. Ukoliko se za
frekventne pretvarače kaže da „ne zagađuju napojnu mrežu“, to ipak ne znači da ne
proizvode više harmonike na učestanostima većim od 2 kHz.
Pošto se harmonijska izobličenja struje prenose na nisko-naponsku mrežu kao viši
harmonici napona, postoji opasnost da se time podstakne oscilacija energije između
sopstvenih kapacitivnosti i induktivnosti mreže. Ovo postaje problem kada se
učestanost harmonika poklopi sa rezonantnom učestanosti mreže, jer može dovesti
do uništenja opreme.
Problem često ostane neprimećen ukoliko postoji samo mali broj potrošača koji
mrežu opterećuje harmonijskim izobličenjem. Ako se pak poveća broj priključenih
harmonijskih zagađivača, ili se poveća snaga takvih potrošača, to za korisnika može
biti veoma skupo. Pored troškova usled smetnji u postrojenju, troškove stvaraju i
mere za identifikaciju i otklanjanje problema.
Frekventni pretvarači sa „punim“ jednosmernim međukolom stvaraju najveći deo
harmonijskog izobličenja na standardizovanom opsegu učestanosti, od 0 do 2 kHz,
što pojednostavljuje mere za ublažavanje smetnji. Situacija je komplikovanija kada
harmonijska izobličenja nastanu u širokom opsegu učestanosti, što se na primer
dešava kod frekventnih pretvarača sa tzv. „tankim“ jednosmernim međukolom, ili kod
regulisanih ispravljača koji nemaju sinusni talasni oblik struje. U takvim slučajevima
su potrebne skupe mere za otklanjanje harmonijskih smetnji, najčešće u vidu aktivnih
filtera, koji mere trenutnu vrednost izobličene struje potrošača i injektuju
odgovarajuću (distorzionu) komponentu struje, tako da ukupna struja bude sinusnog
talasnog oblika.
Zamka br. 9: Primena soft-startera za uštedu energije ne daje željeni doprinos
I kod motora koji trajno rade nominalno opterećeni, poželjno je kontrolisano
pokretanje i zaustavljanje. U takvim aplikacijama, korisnici često posežu za softstarterima, jer imaju manju cenu od frekventnih pretvarača. Dodatno, soft-starteri
pružaju i podešavanje brzine motora u veoma malom opsegu. Uštede energije pri
smanjenom opterećenju motora se kod nekih soft-startera postižu smanjenjem
napona motora pri konstantnoj, nominalnoj učestanosti. Isplativost ovakvog rešenja
se postiže samo ukoliko je opterećenje motora u dužem periodu rada manje od 45%,
što se retko može očekivati u tipičnoj industrijskoj primeni.
Zbog relativno visokih kondukcionih gubitaka u tiristorima, mnogo je efikasnije motor
priključiti na mrežu nakon završenog procesa zaletanja, uključenjem bajpas
kontaktora. Gubici soft-startera u takvom režimu su samo nekoliko vati. Pored manjih
gubitaka, regulacija napona pomoću soft-startera izaziva pojavu viših harmonika
struje u dovodnom vodu. Kao što je u prethodnom odeljku opisano, to sa sobom
povlači dodatne gubitke u napojnoj mreži i u motoru. Ukoliko je tehnološki proces
takav da je opterećenje motora često manje od nominalnog, smanjenje napona
motora u cilju uštede energije može biti isplativo. Primena frekventnih pretvarača, koji
reguliše i napon i frekvenciju, u takvom slučaju može biti bolje rešenje, koje pruža
veće uštede energije.
Smanjenje napona motora pomoću soft-startera da bi se ostvario energetski efikasan
rad ima još jedan nedostatak. Smanjenje napona dovodi i do smanjenja brzine
motora, čime se na pr. može postići rad pumpe sa manjom snagom uzetom iz mreže.
Ukoliko je struja motora povećana usled smanjenja napona, zagrevanje motora će
biti veće, što može da prouzrokuje skraćenje životnog veka motora. I u ovom slučaju,
primena frekventnog pretvarača predstavlja bolje rešenje.
Zaključak: Čuvajte životnu sredinu
Realizacija projekata sa ciljem uštede električne energije u proizvodnim postrojenjima
pruža mogućnosti za značajne uštede, ali se mora voditi računa o brojnim
okolnostima koje mogu da umanje uspeh takvih projekata. Pregled nekih prepreka i
zamki u realizaciji energetski efikasnih elektromotornih pogona predstavljen je u
ovom članku. Na opisanim primerima je ilustrovano da je za preduzimanje mera za
povećanje energetske efikasnosti jednog postrojenja neophodno sagledati sve
uslove i izvršiti detaljnu analizu celokupnog procesa proizvodnje.
Stoga se isplati i razmišljanje o tome da se zarad zagarantovanog uspeha u
projektima uštede energije obratite za savet ekspertima iz te oblasti, koji imaju
neophodno iskustvo i mogu da prepoznaju opasnosti koje vrebaju na putu ka
povećanoj energetskoj efikasnosti, i samim tim da korisnicima pomognu da postignu
maksimalne uštede. Danfoss Solutions nudi mogućnost da rešenja kojima
povećavate energetsku efikasnost finansirate i otplatite na osnovu realnih ušteda.
Kada počinje Vaš projekat za povećanje energetske efikasnosti postrojenja?
Michael Burghardt
Produkt menadžer VLT® HVAC Drive i VLT® AQUA Drive
Danfoss GmbH
VLT pogonska tehnika
63073 Offenbach/Main
Download

Pazite se zamki – Štedite energiju, ali stvarno! Pravilan