IZBOLJŠANJE ENERGETSKE UČINKOVITOSTI ELEKTRIČNIH POGONOV V PODJETJU TALUM

Transcript

1 Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Smetanova ulica Maribor, Slovenija Aleš Bele IZBOLJŠANJE ENERGETSKE UČINKOVITOSTI ELEKTRIČNIH POGONOV V PODJETJU TALUM Magistrsko delo Maribor, november 2016

2 IZBOLJŠANJE ENERGETSKE UČINKOVITOSTI ELEKTRIČNIH POGONOV V PODJETJU TALUM Magistrsko delo Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Somentor: Lektorica: Aleš Bele Študijski program 2. stopnje Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika izr. prof. dr. Jožef Ritonja red. prof. dr. Ivan Zagradišnik mag. Boštjan Korošec, Talum d. d. Jožica Žolgar, prof. slovenščine i

3 ii

4 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Jožefu Ritonji, in somentorju, red. prof. dr. Ivanu Zagradišniku, za vso pomoč in strokovne nasvete. Za izvajanje meritev v laboratoriju za električne stroje se zahvaljujem Mitji Hriberniku. Zahvaljujem se podjetju Talum d. d., predvsem Janku Gajštu in mag. Boštjanu Korošcu, za izvajanje popisov elektromotorjev vso pomoč in nasvete. Zahvala družini, punci in vsem prijateljem, ki so me spodbujali pri nastajanju naloge in mi pomagali na celotni poti študija. iii

5 Izboljšanje energetske učinkovitosti električnih pogonov v podjetju Talum Ključne besede: energetska učinkovitost, asinhronski motor, frekvenčni pretvornik UDK: (043.2) Povzetek: V magistrskem delu so zajeti izračuni stroškov in prihrankov ob morebitni menjavi obstoječih elektromotorjev v podjetju Talum d.d. z energetsko varčnimi elektromotorji razreda IE3. Opisani so razredi energetske učinkovitosti, izkoristek različnih prenosov, rezultati popisa elektromotorjev ter predlog elektromotorjev za zamenjavo in prihranki pri zamenjavi. Predstavljeni so rezultati laboratorijskih meritev izkoristka med neposredno priključenim asinhronskim motorjem in asinhronskim motorjem s frekvenčnim pretvornikom. Meritve so bile izvedene v laboratoriju za električne stroje Fakultete za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru. Rezultati meritev neposredno priključenega elektromotorja so primerjani z izračuni programskega orodja emlook. S programom emlook smo analizirali vpliv različnih vrst statorskih navitij in različne poševnosti palic kratkostične kletke na višje harmonske komponente polja zračne reže. iv

6 Improvement of electrical drives energy efficiency in Talum group Key words: energy efficiency, induction motor, frequency converter UDK: (043.2) Abstract: This master thesis summarizes calculations of costs and savings of an eventual replacement of existent induction motors in Talum company with energy efficient induction motors of class IE3. Thesis contains a description of energy efficiency classes, utilization rate of different transfers, inventory results, templates for replacement induction motors and savings. Laboratory measurement results of utilization rate between directly attached induction motor and induction motor with a frequency converter are included. The measurements were made in the laboratory at the Faculty of Electrical Engineering, Computer and Information Science of University in Maribor. Measurement results of directly attached induction motor were compared to emlook software tool calculations. With emlook we analyzed the impact of different types of stator windings and different skewing short-circuit cage bars on the higher harmonic components of air gape field. v

7 KAZALO VSEBINE 1 UVOD ENERGETSKA UČINKOVITOST ELEKTROMOTORNIH POGONOV Splošno o elektromotornih pogonih Razredi energetske učinkovitosti elektromotornih pogonov Primerjava med razredi učinkovitosti IE Uporaba frekvenčnega pretvornika za spreminjanje hitrosti elektromotorjev Pričetek veljavnosti razredov učinkovitosti Izkoristki neposredno priključenih in različnih jermenskih prenosov elektromotornih pogonov Metoda določanja izkoristka Neposredni prenos Jermenski prenos PREGLED STANJA ELEKTROMOTORNIH POGONOV V PODJETJU TALUM Izračun izkoristka Izračun porabe, stroškov in prihranka električne energije IZBOR ELEKTROMOTORNIH POGONOV ZA IZBOLJŠANJE ENERGETSKE UČINKOVITOSTI Predstavitev izbranih elektromotorjev Izračuni prihrankov energije za ocenjen čas obratovanja Izračuni prihrankov energije za dejanski čas obratovanja Vračilna doba MERITVE ELEKTROMOTORJEV NA OBJEKTU Oprema in merilne metode Rezultati meritev vi

8 6 PRIMERJAVA IZKORISTKOV NEPOSREDNO PRIKLJUČENEGA ELEKTROMOTORJA IN ELEKTROMOTORJA S FREKVENČNIM PRETVORNIKOM Nazivni podatki elektromotorja: Navijalni podatki Stator Rotor Meritev neposredno priključenega elektromotorja Opis merilnega postopka Merilna oprema Meritev s frekvenčnim pretvornikom Opis merilnega postopka Merilna oprema Rezultati meritev THD faktor in višje harmonske komponente linijskih tokov in faznih napetosti Časovni poteki linijskih tokov in faznih napetosti Izračuni s programskim okoljem emlook Teoretično ozadje programa emlook Rezultati izračunov in primerjava z meritvami SKLEP LITERATURA PRILOGE Kratek življenjepis vii

9 KAZALO SLIK Slika 2.1: Primerjava novih IE razredov učinkovitosti s prejšnjimi razredi učinkovitosti EFF [3]... 5 Slika 2.2: Primerjava izkoristkov med razredi učinkovitosti za različne nazivne moči električnih 4-polnih elektromotorjev, nazivne frekvence f = 50 Hz [4]... 6 Slika 2.3: Primerjava izkoristkov med elektromotorjema z aluminijasto in bakreno kratkostično kletko [4]... 9 Slika 2.4: Prikaz uporabe frekvenčnega pretvornika Altivar 38 v podjetju Talum v proizvodnji Livarna Slika 2.5: Neposredni prenos 250 kw asinhronskega motorja v podjetju Talum v enoti proizvodnje Livarna Slika 2.6: Klinasti jermen [7] Slika 2.7: Zobati klinasti jermen [8] Slika 2.8: Ploščato zobati jermen [9] Slika 3.1: Tablica elektromotorja z nazivnimi podatki Slika 3.2: Primer uničene tablice elektromotorja z nazivnimi podatki Slika 3.3: Prikaz tabelarično zbranih podatkov Slika 3.4: Prikaz različnih nazivnih moči izmeničnih asinhronskih motorjev in njihovo število Slika 3.5: Prikaz različnih nazivnih moči enosmernih motorjev in njihovo število Slika 3.6: Sončni paneli na FE VESOL in FE TASOLAR Slika 4.1: Stara čistilna naprava Slika 4.2: Nova čistilna naprava Slika 4.3: Primer elektromotorja proizvajalca BBC Slika 4.4: Direkten prenos s sklopko Slika 4.5: Primer grafičnega izpisa podatkov porabe električne energije za leto Slika 4.6: Karakteristika izkoristka v različnih obremenitvah [12] Slika 4.7: Izračunana vračilna doba v odvisnosti od višine obresti in korigirane vračilne dobe [1] Slika 5.1: Inštrument za analizo višjih harmonskih komponent v energetskem sistemu Metrel MI viii

10 Slika 5.2: Tokovne klešče Metrel Slika 5.3: Trifazni sistem s tremi tokovodniki Slika 5.4: Uporaba tokovnih klešč Slika 5.5: Prikaz priključitve nizke napetosti na dušilko in frekvenčni pretvornik Slika 5.6: Priključitev tokovnih klešč in napetostnih vej na inštrument Slika 5.7: Spekter višjih harmonskih komponent napetosti za primer elektromotorja št Slika 5.8: Spekter višjih harmonskih komponent toka za primer elektromotorja Slika 6.1: Primer statorskega utora Slika 6.2: Primer rotorskega navitja kratkostične kletke Slika 6.3: Primer utora v rotorju globoki utori Slika 6.4: Magnetilna krivulja Acroni F Hz, PFE15 = 4.00 W/kg Slika 6.5: Vezalna shema za izvajanje meritev neposredno priključenega elektromotorja na vir sinusne napetosti Slika 6.6: Vezalna shema za izvajanje meritev elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom Slika 6.7: Prikaz meritve različnih izkoristkov Slika 6.8: Primerjava izkoristkov elektromotorja pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.9: Primerjava izkoristkov celotnega pogona pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.10: Primerjava izkoristka frekvenčnega pretvornika pri f = 50 Hz in UN = 400 V. 78 Slika 6.11: Prikaz primerjave povprečne vrednosti THD faktorja linijskih tokov in faznih napetosti nazivno obremenjenega elektromotorja pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.12: Spekter linijskega toka za primer meritve elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom in sinusnim filtrom pri f = 50 Hz in U = 400 V Slika 6.13: Spekter fazne napetosti za primer meritve elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom in sinusnim filtrom pri f = 50 Hz in U = 400 V Slika 6.14: Spekter linijskega toka za primer meritve pred frekvenčnim pretvornikom brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.15: Spekter fazne napetosti za primer meritve pred frekvenčnim pretvornikom brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.16: Časovni potek vhodne napetosti frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V ix

11 Slika 6.17: Časovni potek vhodnega toka frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.18: Časovni potek napetosti na elektromotorju napajanega s frekvenčnim pretvornikom in sinusnim filtrom pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.19: Časovni potek toka na elektromotorju napajanega s frekvenčnim pretvornikom in sinusnim filtrom pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.20: Časovni potek izhodne napetosti frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.21: Časovni potek izhodnega toka frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V Slika 6.22: Trifazno dvoplastno zankasto navitje, korak 1-9 in vzbujalna krivulja Slika 6.23: Trifazno kombinirano koncentrično navitje, korak 1-7,9 in vzbujalna krivulja Slika 6.24: Trifazno kombinirano koncentrično navitje, korak 1-8,10 in vzbujalna krivulja x

12 KAZALO TABEL Tabela 2.1: Razlika med standardom IEC in standardom IEC [4] Tabela 2.2: Prikaz izkoristkov za razrede učinkovitosti IE1, IE2, IE3 in IE4, kot jih narekuje standard IEC [5] Tabela 2.3: Elektromotorji različnih moči, izkoristkov in razredov učinkovitosti [4] Tabela 2.4: Primerjava med različnimi jermeni Tabela 3.1: Število elektromotorjev po enotah in njihova skupna nazivna moč Tabela 3.2: Tabela izkoristkov elektromotorjev iz priloge 1, Uradni list RS 67/15 [10] Tabela 3.3: Tabela emisijskega faktorja za različne sektorje [10] Tabela 3.4: Tabela povprečnih faktorjev prihranka zaradi uporabe frekvenčnega pretvornika, Uradni list RS 67/15 [10] Tabela 3.5: Statistika vseh izračunov Tabela 4.1: Prikaz rezultatov pri različnih obremenitvah elektromotorjev za BBC in SEVER elektromotor Tabela 4.2: Prikaz skupnih rezultatov pri različnih obremenitvah za pet BBC elektromotorjev in enega elektromotorja SEVER Tabela 4.3: Poraba električne energije elektromotorjev v stari čistilni napravi, odčitana s pomočjo digitalnih števcev in informacijskega sistema GEMA za leto Tabela 4.4: Obratovalne ure elektromotorjev v stari čistilni napravi za leto Tabela 4.5: Prikaz rezultatov za vse elektromotorje v stari čistilni napravi Tabela 4.6: Nazivni podatki elektromotorja MARATHON Tabela 4.7: Prihranek energije za elektromotorje (PN = 250 kw) v stari čistilni napravi Tabela 4.8: Prihranek energije za elektromotorje (PN = 200 kw) v stari čistilni napravi Tabela 5.1: Rezultati meritev višjih harmonskih komponent toka in napetosti (krajši čas merjenja) Tabela 5.2: Rezultati meritev višjih harmonskih komponent toka in napetosti (meritve so se opravljale en dan) Tabela 6.1: Primerjava izkoristkov elektromotorja neposredno priključenega (napajanega z virom sinusne napetosti) in elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra xi

13 Tabela 6.2: Primerjava izkoristkov celotnega pogona elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra Tabela 6.3: Primerjava izkoristka frekvenčnega pretvornika (s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra) Tabela 6.4: Primerjava rezultatov višjih harmonskih komponent polja zračne reže s faktorjem poševnosti (Fpos ) in brez, za različna navitja in različne poševnosti palic kratkostične kletke pri f = 50 Hz Tabela 6.5: Primerjava rezultatov dobljenih z meritvami (vir sinusne napetosti) in rezultatov dobljenih z analitičnimi izračuni (emlook) xii

14 SEZNAM UPORABLJENIH SIMBOLOV Ar (mm 2 ) As (mm 2 ) Bns (mm) Bss (mm) Bo (mm) Bsr2 (mm) Bsr (mm) c el (EUR/kWh) cos DS (EUR) Dz (mm) D (mm) Dol (mm) Do2 (mm) Dr (mm) Dn (mm) presek utora rotorja presek utora statorja širina statorskega utora širina mostiča statorskega utora širina kratkostičnega obroča širina srednjega mostiča širina mostiča rotorskega utora cena električne energije faktor delavnosti dodatki stroški zunanji premer statorja notranji premer statorja zunanji premer kratkostičnega obroča notranji premer kratkostičnega obroča zunanji premer paketa rotorja premer izvrtine za gred ef EL( kgco2/kwh) emisijski faktor pri proizvodnji električne energije v elektrarnah f f (Hz) faktor prihranka energije frekvenca h nu x (%) posamezna višja harmonska komponenta napetosti h 1U x (%) osnovna harmonska komponenta napetosti xiii

15 h ni x (%) posamezna višja harmonska komponenta toka h 1I x (%) osnovna harmonska komponenta toka Hus (mm) Hss (mm) Hur (mm) Hsr (mm) Hsr2 (mm) Hsr3 (mm) I N (A) LF lfe (mm) n (min -1 ) n P N (W) višina statorskega utora višina mostiča statorskega utora višina rotorskega utora višina mostiča rotorskega utora višina srednjega mostiča višina zgornje kletke nazivni tok faktor obremenitve dolžina paketa nazivni vrtljaji elektromotorja časovni red harmonikov nazivna moč elektromotorja P oddana (W) oddana moč elektromotorja P sprejeta (W) sprejeta moč elektromotorja PKE FP (kwh/leto) prihranek končne energije z uporabo frekvenčnih pretvornikov PKE EM (kwh/leto) prihranek energije z menjavo elektromotorja P x (W) R1s (mm) R2s (mm) R1r (mm) fazna delovna moč večji polmer statorskega utora manjši polmer statorskega utora večji polmer rotorskega utora xiv

16 R2r (mm) R t (Ω) R hl (Ω) t ( C) hl ( C) manjši polmer rotorskega utora upornost statorskega navitja upornost statorskega navitja pri hladnem elektromotorju temperatura navitja po meritvi temperatura navitja (okolice) pred meritvijo S el, EM (EUR/leto) strošek električne energije elektromotorja S (EUR/leto) strošek električne energije z uporabo frekvenčnih pretvornikov el, FP SO (EUR) S x (VA) t M (h/leto) stroški opreme in montaže fazna navidezna moč število obratovalnih ur na leto THD U x (%) skupno popačenje fazne napetosti THD I x (%) U N (V) skupno popačenje faznega toka nazivna napetost ZEC EM (kgco2/leto) zmanjšanje emisij W el, EM ( kwh/leto) poraba električne energije elektromotorja OB izkoristek obstoječega elektromotorja EF izkoristek (novega) energetsko učinkovitega elektromotorja IE3 Qs Qr Q x (VAr) število utorov statorja število utorov rotorja fazna jalova moč xv

17 SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC Al Cu EFF1 EFF2 EFF3 Fe FERI aluminij baker elektromotorji z visokim izkoristkom elektromotorji z izboljšanim izkoristkom elektromotorji s standardnim izkoristkom železo Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru IP IEC mednarodna zaščita mednarodni standard za ugotavljanje skladnosti električnih naprav in z njimi povezanimi tehnologijami LABES laboratorij za električne stroje SIST EN THD VZE Slovenski inštitut za standardizacijo faktor višjih harmonskih komponent visoko zmogljivostjo dinamo pločevine xvi

18 1 UVOD Elektromotorji so največji porabniki električne energije [3]. V 21. stoletju moramo zmanjšati porabo električne energije. Zato se elektromotorji in različni pogoni razvijajo v smeri boljše učinkovitosti. V tovarnah se velikokrat uporabljajo starejši elektromotorji z nizkimi izkoristki. V nalogi smo za tovarno Talum d.d. opravili pregled uporabljenih elektromotorjev in pripravili predlog za zamenjavo. Na osnovi ocene njihovega obratovanja in izboljšanja izkoristka smo izračunali prihranek energije in stroškovno upravičenost menjave. Asinhronski motor lahko priključimo neposredno na omrežje. Na ta način smo omejeni pri regulaciji vrtljajev. Če želimo imeti možnost enostavnega spreminjanja vrtljajev, uporabimo frekvenčni pretvornik. V tem primeru asinhronski motor priključimo na omrežje s frekvenčnim pretvornikom, ki predstavlja element v pogonu, ki povzroča dodatne izgube. V nalogi smo želeli oceniti te izgube. Zato smo v laboratoriju za električne stroje na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru izvedli meritve in analizirali dobljene rezultate. Uporabili smo asinhronski motor proizvajalca Bartec Varnost, tipa 4KTC 160 M4 (Exe). Izračune s programskim okoljem emlook smo primerjali z nekaterimi meritvami. Vpliv statorskih navitij in različne poševnosti palic kratkostične kletke na višje harmonske komponente polja zračne reže smo analizirali s programom emlook. V drugem poglavju smo opisali razrede energetske učinkovitosti in izkoristek različnih prenosov. Rezultate popisa elektromotorjev, njihovo porabo in prihranek električne energije smo opisali v tretjem poglavju. V četrtem poglavju smo se osredotočili na elektromotorje večjih moči ter izračunali njihov prihranek pri ocenjenem času obratovanja in dejanskem času obratovanja. Rezultate meritev višjih harmonskih komponent na objektu smo zapisali v poglavju pet. Znotraj šestega poglavja smo poskušali ugotoviti in primerjati izkoristek neposredno priključenega elektromotorja (napajanega z virom sinusne napetosti) in elektromotorja s frekvenčnim pretvornikom (s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra). 1

19 2 ENERGETSKA UČINKOVITOST ELEKTROMOTORNIH POGONOV 2.1 Splošno o elektromotornih pogonih Elektromotorji so dandanes nepogrešljivi stroji, ki se v veliki meri uporabljajo v industriji. V industriji se uporabljajo enosmerni motorji ter za večje moči izmenični motorji. Pri izmeničnih motorjih je najpogostejši predstavnik asinhronski motor (s kratkostično kletko ali drsnimi obroči). Sinhronske motorje načeloma uporabljamo za večje moči in v manjšem številu kot asinhronske motorje [1]. V industriji imamo velikokrat v uporabi starejše elektromotorje, ki imajo slab izkoristek. Pojavi se vprašanje, ali je te elektromotorje smiselno zamenjati z elektromotorji z višjim izkoristkom. V tem primeru je potrebno oceniti način delovanja elektromotorjev in ob upoštevanju izkoristkov izračunati prednosti, ki bi jih prinesla zamenjava obstoječega elektromotorja z energijsko varčnejšim. Upoštevati je treba tudi prednost zaradi ogljikovih dioksidov, ki nastanejo pri proizvodnji električne energije. 2.2 Razredi energetske učinkovitosti elektromotornih pogonov Elektromotorji so veliki porabniki električne energije. Uporabljajo se v različne namene in za vrsto različnih aplikacij. Želimo si imeti elektromotorje, ki imajo visoko oz. izboljšano energetsko učinkovitost. Pri elektromotorjih lahko to dosežemo tako, da jih glede na breme čimbolj prilagodimo hkrati pa poizkušamo elektromotor dimenzionirati tako, da zmanjšamo izgube. V grobem poznamo več vrste izgub. To so izgube v navitju (bakru), izgube zaradi trenja in ventilacije in dodatne izgube. Izgube v navitju so odvisne od upornosti navitja in velikosti toka, ki teče skozi navitja. Te izgube lahko zmanjšamo z uporabo materiala, ki ima boljšo specifično prevodnost ali pa uporabimo vodnike, ki imajo več manjših premerov. Izgube v železu so pogojene z histereznimi izgubami in izgubami, ki nastanejo zaradi vrtinčnih tokov. Te tokove lahko zmanjšamo tako, da izberemo ustrezno dinamo pločevino [1]. 2

20 Prav tako izgube v železu zmanjšamo z uporabo kvalitetnejše dinamo pločevine, ki ima veliko relativno permeabilnost. Na ostale izgube vplivamo težje, razen z izbiro kvalitetnejših materialov ipd. [1]. Visoke energetske učinkovitosti elektromotorjev dosegamo z uporabo ustrezne regulacije hitrosti vrtljajev, ustreznim mehanskim prenosom in uporabo materialov, ki so kvalitetnejši in imajo boljše magnetne lastnosti [1]. Začetki proizvodnje energetsko učinkovitih elektromotorjev segajo v leto Razlog je bil ravno dvig cene električne energije. Zato so proizvajalci začeli razmišljati, da bi izboljšali izkoristek elektromotorjev. Zaradi nastajanja teh elektromotorjev pa so se izoblikovali določeni standardi. Prvi standardi so nastali v Združenih državah Amerike. Ti so definirali elektromotorje s standardnim in visokim izkoristkom elektromotorjev. Nekaj let kasneje pa so se standardi uveljavili tudi pri nas v Evropi. Tako so nastali trije razredi izkoristkov elektromotorjev [1]: EFF1 elektromotorji z visokim izkoristkom, EFF2 elektromotorji z izboljšanim izkoristkom, EFF3 elektromotorji s standardnim izkoristkom [2]. Pogonski elektromotorji predstavljajo v industriji 70 % delež porabe električne energije. Letna emisija, ki nastane pri proizvodnji električne energije, je okrog ton CO2 [3]. Ravno zaradi tako velikih letnih emisij je evropska komisija sprejela določene direktive. Leta 2005 je bila sprejeta EU Direktiva 2005/32/EC (Eco-design Requirements for Energy-using Products), ki zahteva točno določene pogoje za prihranek električne energije glede na okolju primerne zasnove. Direktiva je poznana tudi kot»direktiva EuP«, kar pomeni»energy using Products«(energijsko potrošni izdelki). V direktivo so zajeti vsi tisti proizvodi, ki trošijo energijo, razen vozil na motorni pogon in javna transportna sredstva [3]. 3

21 Leta 2009 je direktivo EuP nadomestila nova direktiva, imenovana EU Direktiva 2009/125/EC. Ta direktiva se nanaša na vse izdelke, ki so povezani s porabo električne energije. Kratica za to direktivo je»direktiva ErP«, kar pomeni»direktiva Energy related Products«(energijsko sorodni izdelki). Prav tako je evropska unija sprejela nov mednarodni standard za energetsko učinkovitost elektromotorjev, kot tudi za energetsko učinkovitost elektromotornih gonil: IEC [3]. Kot smo že prej omenili, so se leta 1997 pri nas uveljavili prvi trije razredi glede energetske učinkovitosti: EFF3, EFF2 in EFF1. Leta 2008 pa se uvedejo novi razredi energetske učinkovitosti (standard IEC ): IE1, IE2 in IE3 [3]. 6. marca 2014 pa se uveljavi novi standard IEC Najpomembnejša razlika med prej omenjenim standardom IEC in standardom IEC je ta, da je v novejši standard IEC dodan še en razred izkoristkov: IE4 [4]. V novem standardu so bile sprejete tudi določene spremembe glede moči elektromotorjev. Bistvene razlike med standardoma pa so podane v tabeli 2.1. Tabela 2.1: Razlika med standardom IEC in standardom IEC [4]. Podatki IEC IEC Začetek veljavnosti Razredi izkoristkov IE1, IE2, IE3 IE1, IE2, IE3, IE4 P N Od 0,75 kw do 375 kw Od 0,12 kw do 1000 kw U N Do 1 kv Od 50 V do 1 kv Št. polov 2, 4, 6 2, 4, 6, 8 4

22 Če primerjamo razrede izkoristkov (slika 2.1) iz leta 1970 (EFF) in sedaj (IE): IE1 razred je primerljiv z razredom EFF2, IE2 razred je primerljiv z razredom EFF1, IE3 razred je od 10 do 15 % višji od razreda IE2 in IE4 [3]. Evolucija IE4 Učinkovitost EFF1 IE2 IE3 EFF2 IE1 EFF3 Klasifikacija učinkovitosti Slika 2.1: Primerjava novih IE razredov učinkovitosti s prejšnjimi razredi učinkovitosti EFF [3]. 5

23 0,12 0,2 0,37 0,55 1,1 2,2 4 7, Izkoristek (%) Primerjava med razredi učinkovitosti IE Mednarodna standarda IEC in IEC [4] sta nastala z razlogom, da poenotimo različne izkoristke električnih elektromotorjev. Ravno velikost izkoristka je bistvena razlika med razredi učinkovitosti IE1, IE2, IE3 in IE4. V tabeli 2.2 smo zbrali podatke glede izkoristkov za 2-, 4-, 6- in 8-polne elektromotorje, ki jih narekuje standard IEC [5]. Kasneje smo primerjali izkoristke za 4-polne elektromotorje med različnimi razredi učinkovitosti in jih tudi prikazali grafično na sliki 2.2. Primer je prikazan za asinhronske motorje nazivnih moči od 0,12 kw do 500 kw pri nazivni frekvenci 50 Hz [4]. Iz podatkov, ki so zbrani v tabeli 2.2, lahko razberemo, da se izkoristek 4-polnega asinhronskega motorja pri IE1 giblje med 50 in 94 %, pri razredu IE2 med 59,1 in 94,1 %, pri razredu IE3 med 64,8 in 96 %, ter pri razredu IE4 med 69,8 in 96,7 % [4] IE1 IE2 IE3 IE4 P N (kw) Slika 2.2: Primerjava izkoristkov med razredi učinkovitosti za različne nazivne moči električnih 4-polnih elektromotorjev, nazivne frekvence f = 50 Hz [4]. 6

24 P N (kw) Tabela 2.2: Prikaz izkoristkov za razrede učinkovitosti IE1, IE2, IE3 in IE4, kot jih narekuje standard IEC [5]. η (%) IE1 IE2 IE3 IE4 število polov , , ,6 59,1 50,6 39,8 60,8 64,8 57,7 50,7 66,5 69,8 64,9 62,3 0,18 52, , ,4 64,7 56,6 45,9 65,9 69,9 63,9 58,7 70,8 74,7 70,1 67,2 0,2 54,6 58,5 47,6 39,7 61,9 65,9 58,2 47,4 67,2 71,1 65,4 60,6 71,9 75,8 71,4 68,4 0,25 58,2 61,5 52,1 43,4 64,8 68,5 61,6 50,6 69,7 73,5 68,6 64,1 74,3 77,9 74,1 70,8 0,37 63, ,7 49,7 69,5 72,7 67,6 56,1 73,8 77,3 73,5 69,3 78,1 81, ,3 0,4 64,9 66,8 61,1 50,9 70,4 73,5 68,8 57,2 74, ,4 70,1 78,9 81,7 78,7 74,9 0, ,8 56,1 74,1 77,1 73,1 61,7 77,8 80,8 77, ,5 83,9 80,9 77 0,75 72,1 72, ,2 77,4 79,6 75,9 66,2 80,7 82,5 78, ,5 85,7 82,7 78,4 1, ,9 66,5 79,6 81,4 78,1 70,8 82,7 84, ,7 85,2 87,2 84,5 80,8 1,5 77,2 77,2 75,2 70,2 81,3 82,8 79,8 74,1 84,2 85,3 82,5 79,7 86,5 88,2 85,9 82,6 2,2 79,7 79,7 77,7 74,2 83,2 84,3 81,8 77,6 85,9 86,7 84,3 81, ,5 87,4 84,5 3 81,5 81,5 79, ,6 85,5 83, ,1 87,7 85,6 83,5 89,1 90,4 88,6 85,9 4 83,1 83,1 81,4 79,2 85,8 86,6 84,6 81,9 88,1 88,6 86,8 84, ,1 89,5 87,1 5,5 84,7 84,7 93,1 81, , ,8 89,2 89, ,2 90,9 91,9 90,5 88,3 7, ,7 83,1 88,1 88,7 87,2 85,3 90,1 90,4 89,1 87,3 91,7 92,6 91,3 89, ,6 87,6 86, ,4 89,9 88,7 86,9 91,2 91,4 90,3 88,6 92,6 93,3 92,3 90, ,7 88,7 87,7 86,2 90,3 90,6 89, ,9 92,1 91,2 89,6 93,3 93,9 92,9 91,2 18,5 89,3 89,3 88,6 86,9 90,9 91,2 90,4 88,6 92,4 92,6 91,7 90,1 93,7 94,2 93,4 91, ,9 89,9 89,2 87,4 91,3 91,6 90,9 89,1 92, ,2 90, ,5 93,7 92, ,7 90,7 90,2 88, ,3 91,7 89,8 93,3 93,6 92,9 91,3 94,5 94,9 94,2 92, ,2 91,2 90,8 88,8 92,5 92,7 92,2 90,3 93,7 93,9 93,3 91,8 94,8 95,2 94,5 93, ,7 91,7 91,4 89,2 92,9 93,1 92,7 90, ,2 93,7 92, ,4 94,8 93, ,1 92,1 91,9 89,7 93,2 93,5 93, ,3 94,6 94,1 92,5 95,3 95,7 95,1 93, ,7 92,7 92,6 90,3 93, ,7 91,6 94, ,6 93,1 95, ,4 94, ,9 90,7 94,1 94, , ,2 94,9 93,4 95,8 96,1 95,6 94, ,3 93,3 93,3 91,1 94,3 94,5 94,3 92,3 95,2 95,4 95,1 93, ,3 95,8 94, ,5 93,5 93,5 91,5 94,6 94,7 94,6 92,6 95,4 95,6 95, ,2 96, , ,8 93,8 93,8 91,9 94,8 94,9 94, ,6 95,8 95,6 94,3 96,3 96,6 96,2 95, , , ,5 95, ,8 94,6 96,5 96,7 96,3 95, , , ,5 95, ,8 94,6 96,5 96,7 96,5 95, , , ,5 95, ,8 94,6 96,5 96,7 96,6 95, , , ,5 95, ,8 94,6 96,5 96,7 96,6 95, , , ,5 95, ,8 94,6 96,5 96,7 96,6 95, , , ,5 95, ,8 94,6 96,5 96,7 96,6 95, , , ,5 95, ,8 94,6 96,5 96,7 96,6 95,4 7

25 Razlika med asinhronskim motorjem razreda IE1 in IE2 je v uporabi boljših materialov. Nekateri asinhronski motorji pa že uporabljajo bakreno kratkostično kletko, da dosegajo razred IE3. Tako lahko dosežemo tudi od 2-3 % boljši izkoristek. Pri tem pa lahko nastanejo določene posledice, kot je 20 % nižji zagonski vrtilni moment, ki ga lahko odpravimo s posebno konstrukcijo oblike rotorskih palic. Med razredoma IE2 in IE3 je razlika v tem, da razred IE3 uporablja še boljši material, ter da zmanjšuje zračno režo med rotorjem in statorjem. Razred učinkovitosti IE4 ima pričakovane izgube približno 15 % manjše od razreda IE3. Razred IE4 se še posebej predvideva za elektromotorje s kratkostično kletko in sinhronske motorje [3]. Elektromotorji dosegajo različne razrede učinkovitosti in različne izkoristke z ukrepi, ki zmanjšujejo izgube. Te ukrepe poimenujemo konstrukcijski ukrepi. Eden izmed teh ukrepov je zamenjava aluminijaste kratkostične kletke z bakreno kratkostično kletko. Drugi takšen ukrep pa je uporaba dinamo pločevine z manjšimi specifičnimi izgubami oziroma dinamo pločevino z visoko zmogljivostjo (VZE) [4]. Kot primer lahko opišemo dva elektromotorja z nazivnima močema 1,1 kw in 5,5 kw (tabela 2.3). Elektromotorjema se je najprej zamenjala kratkostična kletka. Uporabljen je bil rotor z bakreno kratkostično kletko. Kasneje pa se jima je zamenjala dinamo pločevina, iz tiste z izgubami 8 W/kg na tisto z izgubami 4 W/kg. Izkoristek se je prvemu elektromotorju (1,1 kw) povišal iz 75,9 % na 82,8 %. Drugemu elektromotorju (5,5 kw) pa se je izkoristek povišal iz 84,8 % na 88,12 %. Glede razreda učinkovitosti je prvi elektromotor spremenil razred izkoristka iz IE1 v IE3, drugi elektromotor pa je spremenil razred učinkovitosti iz IE1 v IE2. V tabeli 2.3 so zbrani primeri doseganja različnih izkoristkov, ko proizvajalec uporabi elektromotor z rotorjem in aluminijasto kratkostično kletko ali z rotorjem in bakreno kratkostično kletko. Podan pa je tudi primer uporabe visoko zmogljive dinamo pločevine (VZE) z oznako M proizvajalca Surhammars Bruk AB (specifične izgube znašajo 6 W/kg pri gostoti magnetnega pretoka 1,5 T). V tem primeru se je izkoristek elektromotorja povišal, vendar ne dovolj, da bi lahko prestopil razred učinkovitosti. Torej zamenjava aluminija z bakrom v kratkostični kletki in menjava dinamo pločevine izboljša izkoristek, vendar ne dovolj za prehod med razredoma. Osredotočiti se je treba tudi na obliko rotorskih utorov [4]. 8

26 V primeru, ko zamenjamo material torej baker namesto aluminija, je potrebno na novo optimirati obliko rotorskih utorov. Problemi nastanejo zaradi različnih prevodnosti in vpliva kožnega pojava [4]. Slika 2.3 prikazuje izkoristek dveh elektromotorjev z nazivnima močema 11 kw in 37 kw pri različnih kratkostičnih kletkah [4]. Tabela 2.3: Elektromotorji različnih moči, izkoristkov in razredov učinkovitosti [4]. Moč (kw) Al rotor (%) Cu rotor (%) Cu rotor VZE (%) 1,1 75,9 IE1 82,8 IE3 1,5 78,8 IE1 84,1 IE IE1 84,1 IE1 84,5 IE1 5,5 84,8 IE1 88,12 IE2 7,5 84,2 87,4 IE1 88,1 IE ,6 IE1 89,9 IE ,1 93,2 IE2 Izkoristek (%) kw Cu 37 kw Al 11 kw Cu 11 kw Al P/P N Slika 2.3: Primerjava izkoristkov med elektromotorjema z aluminijasto in bakreno kratkostično kletko [4]. 9

27 2.2.2 Uporaba frekvenčnega pretvornika za spreminjanje hitrosti elektromotorjev K izboljšanju delovanja asinhronskih motorjev pa zagotovo spada uporaba frekvenčnega pretvornika. Poznamo dva načina vodenja frekvenčnega pretvornika. Skalarna metoda in vektorska metoda vodenja. To sta dve osnovni regulaciji. Bistvena razlika med metodama je, da skalarni način določa temensko vrednost statorske napetosti, vektorski način pa položaj, velikost in smer napetostnega vektorja. Skalarna regulacija velja za stacionarna stanja. Metoda velja za počasno in enostavno. Lahko jo izvedemo na dva načina. Metoda konstantne U/f in metoda konstante slipne hitrosti. Skalarna metoda je najbolj razširjena v izvedbi brez povratne zanke. Ravno obratno je izvedena vektorska metoda, ki ima zaprto zanko. Uporablja se za regulacijo elektromotorjev med prehodnimi pojavi [17]. Dobre lastnosti skalarnega vodenja: vodenje brez merilnika hitrosti, enostavnost, lahka prilagoditev frekvenčnega pretvornika elektromotorjem, robusten način vodenja tudi pri nenadnih spremembah bremena in hitra reakcija na spremembe reference hitrosti [17]. Slabe lastnosti skalarnega vodenja: počasen odziv, ni regulacije navora in fluksa, zato slab odziv navora in omejeno območje regulacije hitrosti [17]. Dobre lastnosti vektorskega vodenja: natančnejša regulacija hitrosti, dobra reakcija na spremembe bremena in široko območje reguliranja hitrosti, polni navor pri hitrosti 0, boljši dinamične reakcije na spremembe smeri, višji navor skozi celotno delovno območje vrtljajev, samo en način vodenja skozi celotno delovno območje hitrosti, višji faktor delavnosti/moči [17]. 10

28 Slabe lastnosti vektorskega vodenja: frekvenčni pretvornik mora biti natančno prilagojen elektromotorju, za povratni signal so potrebne še dodatne komponente [17]. Različne metode vodenja nam torej omogočajo določene prednosti hkrati pa tudi slabosti. Prednost frekvenčnega pretvornika je njegova uporaba za zmanjšanje velikih zagonskih tokov. Prav tako je njegova prednost in hkrati naloga, da po potrebi procesa regulira hitrost elektromotorja. Hkrati pa lahko z njegovo uporabo zmanjšamo porabo električne energije tudi do 10 % ali več. Slabosti pa so lahko njegova cena in vnos višjih harmonskih komponent v omrežje. Na sliki 2.4 je prikazan frekvenčni pretvornik Altivar 38 za vodenje trifaznih asinhronskih motorjev od 0,75 do 315 kw moči. Slika 2.4: Prikaz uporabe frekvenčnega pretvornika Altivar 38 v podjetju Talum v proizvodnji Livarna. 11

29 2.2.3 Pričetek veljavnosti razredov učinkovitosti Časovno uveljavljanje posameznih razredov učinkovitosti za nazaj in kakšna je direktiva za naprej: avgusta 2009 se uvede standard EN , 16. junija 2011 je obvezna uporaba IE2 razreda učinkovitosti, od 1. januarja 2015 naprej se uzakoni razred učinkovitosti IE3 za elektromotorje nazivne moči 7,5 kw in več. IE2 elektromotorje se lahko uporablja le v kombinaciji s frekvenčnim pretvornikom, z letom 2017 je obvezna uporaba razreda IE3 tudi za elektromotorje nazivne moči do 7,5 kw [3]. 12

30 2.3 Izkoristki neposredno priključenih in različnih jermenskih prenosov elektromotornih pogonov Pri elektromotorjih poznamo različne vrste prenosov, najpogosteje uporabljena sta neposredni in jermenski. Prenos je vmesni člen med elektromotorjem in strojem, ki ga želimo poganjati. Elektromotor skupaj s prenosom predstavlja elektromotorni pogonski sistem. Kot prenos smatramo prenos med gredjo elektromotorja (izhod) in gredjo stroja (naprava) [1]. Izkoristek električnih strojev je podan kot razmerje med oddano močjo P oddana (moč na gredi elektromotorja) in sprejeto močjo P sprejeta P P oddana [6]. sprejeta (dovedena električna moč) Če bi želeli izvedeti, kakšen je izkoristek celotnega elektromotornega pogonskega sistema, bi morali upoštevati več faktorjev: izkoristek elektromotorja, pogonski prenos, način obratovanja elektromotorja in način vodenja elektromotorja, itd [1]. Zraven elektromotorja je prenos ključnega pomena. Prenos ima pomembno vlogo ravno zaradi tega, ker prenaša mehansko energijo z elektromotorja na stroj (napravo, porabnik). Njegova pomembnost znaša med 50 % in 95 %. Glede na breme izbiramo prenos. Upoštevati moramo prestavna razmerja, kakšno imamo mehansko obremenitev, položaj gredi in moč elektromotorja. Neposredni prenosi se najpogosteje uporabljajo kar %, jermenski prenosi 34 %, menjalniki % in verižni prenosi 6 % [1]. 13

31 2.3.1 Metoda določanja izkoristka Mednarodni standard IEC :2007 podrobneje opisuje metode za določevanje izkoristkov pri elektromotorjih na podlagi preizkušanja in meritev. Standard predpisuje naslednje preizkuse: 1) preizkusi, ki potrebujejo električne meritve vhodne moči in mehanske meritve izhodne moči, 2) testi, pri katerih potrebujemo meritve vhodnih in izhodnih veličin popolnoma identičnih in sklopljenih električnih strojev. Ta metoda nam omogoča eliminiranje mehanske meritve izhodne moči stroja, ki deluje kot elektromotor in vhodne moči, ki deluje kot generator in 3) testi, dejanskih izgub. V večini gre tukaj za teste posameznih izgub in ne za celotne izgube. Celotne izgube pa se lahko izračunajo iz posameznih izgub [4]. Nekaj let kasneje so izdali novi standard IEC :2014. Standard se nanaša na enosmerne stroje in izmenične stroje vseh velikosti znotraj področja IEC Novi standard vključuje določene pomembne tehnične spremembe oz. metode za področje rutinskega testiranja. V standardu je dodana zahteva za merilne naprave [4]. 14

32 2.3.2 Neposredni prenos Neposredni prenos je neposredna povezava med gredjo elektromotorja in gredjo stroja. To nam doprinese majhne izgube v primeru, da je prenos natančno narejen. Kadar prenos ni natančen, nam to lahko povzroči povečanje izgub, hkrati pa dodatno obremenjuje ležaje. Kadar se odločimo za neposredno povezavo, moramo pri načrtovanju upoštevati prostorsko omejenost, saj se elektromotor nahaja tik ob stroju oziroma bremenu [1]. Na sliki 2.5 je prikazan neposredni prenos s sklopko 250 kw asinhronskega motorja Sever. Slika 2.5: Neposredni prenos 250 kw asinhronskega motorja v podjetju Talum v enoti proizvodnje Livarna. 15

33 2.3.3 Jermenski prenos Pri jermenskih prenosih je prednost v fleksibilnosti. Jermenica različni premerov nam omogoča različne hitrosti vrtenja. V tabeli 2.4 smo zbrali nekaj podatkov in primerjav med različnimi jermeni. Poznamo več vrst jermenov, ki se uporabljajo: klinasti jermen, ploščati zobati jermen, zobati klinasti in ploščati jermen, itd. [1]. Vrsta jermena Klinasti jermen Zobati klinasti jermen Ploščati zobati jermen Tabela 2.4: Primerjava med različnimi jermeni Izkoristek (%) Sunkovite obremenitve Pogosta kontrola Vzdrževanje in menjava jermenice Da Da Ne Da Da Ne Ne Ne Visoki stroški Klinasti jermeni (slika 2.6 ) imajo dokaj dober izkoristek. Njihova uporaba je med jermeni najbolj razširjena. Njihove slabosti so izgube, ki nastanejo pri upogibanju na jermenicah. Še posebej se te izgube kažejo v primeru, ko jermen zdrsne in kadar je napetost jermena premočna. Takšna prenapetost ne povzroči samo slab izkoristek jermena, ampak vpliva tudi na obremenitev ležajev in gredi. Kadar jermen zdrsne, povzroči večje izgube in krajšo življenjsko dobo. Izkoristek pade celo pod 90 % [4]. Slika 2.6: Klinasti jermen [7]. 16

34 Nekoliko boljši jermeni so zobato klinasti (slika 2.7). Ti jermeni imajo manjše izgube, boljše izkoristke in dvakrat daljšo življenjsko dobo. Razlog je v upogibanju. Prednost jermenov je ta, da jih lahko uporabimo na enakih jermenicah kot klinaste jermene. Ti jermeni so cenovno tudi med dražjimi, saj predstavljajo kar % višjo ceno. Na dolgi rok pa se nam izbira takih jermenov ekonomsko poplača, saj zdržijo par tisoč obratovalnih ur ob veliko boljšem izkoristku kot ostali jermeni [4]. Slika 2.7: Zobati klinasti jermen [8]. Najboljši izkoristek izmed jermenov ima ploščati zobati jermen (slika 2.8). Njegov izkoristek je med %. Ker je jermenica nazobčana, imamo točno naleganje jermena in ni zdrsov. V tem primeru nastajajo izgube le še v predelih, kjer se jermen upogiba. Prednost teh jermenov je, da imajo skoraj štirikrat daljšo življenjsko dobo kot klinasti jermeni saj se skoraj ne raztezajo. Jermeni so primerni za bremena, ki potrebujejo točno regulacijo hitrosti. Slabost jermenov je, da niso primerni za vklope s polno obremenitvijo [4]. Slika 2.8: Ploščato zobati jermen [9]. 17

35 3 PREGLED STANJA ELEKTROMOTORNIH POGONOV V PODJETJU TALUM V podjetju Talum d.d., smo po posameznih proizvodnih obratih naredili popis elektromotornih pogonov. Popis smo izvedli v naslednjih obratih: obrat Elektroliza C, obrat Anode (proizvodnje anodnih blokov in sestavljalnica), obrat Rondelice, obrat Livarna in obrat Zaprti hladilni sistem Livarne ZHS. Popis elektromotornih pogonov smo opravili zaradi informacije porabe električne energije, hkrati pa smo naredili nekakšno bazo podatkov elektromotornih pogonov nad 15 kw moči. Pri popisu elektromotorjev, ki smo ga izvajali med in , smo si vsak elektromotor podrobno ogledali. Preverili smo tip proizvajalca, fotografirali tablico z nazivnimi podatki o elektromotornem pogonu, kot je na sliki 3.1, pridobili podatek o številu obratovalnih ur na letni ravni, preverili kakšen je prenos moči elektromotornega pogona ter ali ima ta elektromotorni pogon frekvenčno regulacijo. Pri vsakem pogonu smo podali mnenje glede možnosti zamenjave elektromotorja z energetsko varčnim elektromotorjem (IE3), možnosti kakšnega drugega prenosa moči in mogoče uporabo frekvenčnega pretvornika. Pri popisu so nekateri elektromotorni pogoni imeli uničeno tablico z nazivnimi podatki. Zato smo za te elektromotorne pogone podatke pridobili iz identičnih elektromotorjev, ki se nahajajo v skladišču Talum in imajo lepo razvidno tablico z nazivnimi podatki. Primer takšne tablice je prikazan na sliki

36 Slika 3.1: Tablica elektromotorja z nazivnimi podatki. Slika 3.2: Primer uničene tablice elektromotorja z nazivnimi podatki. 19

37 Po opravljenem popisu smo začeli z urejanjem podatkov, ki smo jih pridobili. Pomagali smo si s programskim orodjem Excel. Po posameznih enotah smo si uredili ustrezne zavihke. V tabele smo zbrali naslednje podatke (slika 3.3 ): proizvajalec, proizvodni obrat v Talumu, naprava (za kaj se uporablja, npr. za dimne pline), starost več kot 10 let, aplikacija (ventilator, črpalka, itd.), št. obratovalnih ur, frekvenčna regulacija, prenos moči (jermen, direkten prenos, itd.) in način delovanja (enakomerno ali dinamično). Iz tablice, ki smo jo fotografirali, smo pridobili podatke: nazivna moč P N (kw), nazivna napetost U (V), nazivni tok I N (A), cosφ, vezava navitja in število vrtljajev elektromotorja (min -1 ). Slika 3.3: Prikaz tabelarično zbranih podatkov. 20

38 15 18, , Število asinhronskih motorjev Iz teh podatkov smo lahko najprej ugotovili skupno število elektromotorjev in skupno nazivno električno moč. Rezultati so prikazani na sliki 3.4. Pri skupnem številu vseh elektromotornih pogonov je bilo večina asinhronskih motorjev. Šest elektromotorjev pa je bilo enosmernih. Ti se uporabljajo predvsem v enoti Rondelice valjarna, kjer mora imeti proces pogona konstanten vrtilni moment elektromotorja. Na sliki 3.5 smo grafično prikazali, kolikšno je število elektromotorjev z različnimi nazivnimi močmi. V tej tabeli so podani le izmenični asinhronski motorji. Iz grafa lahko razberemo, da je kar 37 elektromotorjev nazivne moči 30 kw. Grafično pa smo prikazali tudi, kolikšno je število enosmernih motorjev. Največ enosmernih motorjev se uporablja v obratu Rondelice. Tabela 3.1: Število elektromotorjev po obratih in njihova skupna nazivna moč. Obrat Število elektromotornih pogonov Skupna nazivna moč (kw) Elektroliza C Anode Livarna Rondelice ZHS SKUPAJ Nazivna moč asinhronskih motorjev P N (kw) Slika 3.4: Prikaz različnih nazivnih moči izmeničnih asinhronskih motorjev in njihovo število. 21

39 Število enosmernih motorjev , Nazivna moč enosmenrih motorjev P N (kw) Slika 3.5: Prikaz različnih nazivnih moči enosmernih motorjev in njihovo število. 22

40 3.1 Izračun izkoristka Eden izmed ciljev magistrske naloge je bil, da izračunamo energetsko učinkovitost vseh popisanih elektromotorjev. Da smo lahko začeli s potrebnimi izračuni, smo morali najprej izračunati izkoristek obstoječo popisanih elektromotorjev s pomočjo enačbe (3.1). Le tega smo lahko izračunali s pomočjo nazivnih podatkov elektromotorja. P P oddana oddana OB 100 % P sprejeta 3 UN IN cos (3.1) kjer je: OB izkoristek obstoječega elektromotorja (%), P oddana oddana moč (nazivna moč elektromotorja) (kw), P sprejeta moč (kw), sprejeta U N nazivna napetost (V), I N nazivni tok (A), cos faktor delavnosti (6). V naslednjem koraku smo morali določiti izkoristke, ki bi jih ob zamenjavi s standardnimi elektromotorji imeli energetsko učinkoviti elektromotorji razreda učinkovitosti IE3. Izkoristke smo določili v skladu s standardom IEC Za vsak elektromotor smo preverili, kakšne nazivne moči je in koliko polov ima elektromotor. Število polov smo določili iz nazivnih vrtljajev elektromotorja. Nato smo na podlagi teh podatkov in standarda IEC določili izkoristke. Izkoristki, ki jih predpisuje ta standard, so zapisani v tabeli 2.2. Nadaljevali smo z izračunom porabe električne energije, enačba (3.2). Na podlagi obratovalnih ur, ki smo jih pridobili pri popisu ter že prej omenjenem izračunanem izkoristku standardnih elektromotorjev, smo lahko določili porabo elektromotornih pogonov. Pri izračunu je upoštevan tudi faktor obremenitve LF=0,65 (ang.»load Factor«). 23

41 Faktor obremenitve je upoštevan kot povprečen faktor obremenitve, ki je ocenjen na podlagi normiranih faktorjev obremenitve, ki so navedeni v pravilniku o metodah za izračun prihrankov energije, uradni list RS, št. 67/15 (priloga 1, št. 23). Zaradi staranja in predhodnega previjanja starega elektromotorja je pri izračunih izkoristek obstoječega elektromotorja znižan za 2 %. 1 W P t LF el, EM N M OB 0,02 (3.2) kjer je: W el, EM poraba električne energije elektromotorja (kwh/leto), OB izkoristek obstoječega elektromotorja (%), P N nazivna moč elektromotorja (kw), t M število obratovalnih ur na leto (h/leto), LF faktor obremenitve (ang.»load Factor«) [10]. Glede na to, da smo že pridobili porabo električne energije elektromotorja (kwh/leto), enačba (3.2), smo lahko sedaj enostavno izračunali strošek električne energije (EUR/leto), enačba (3.3), za vse elektromotorje. Potrebovali smo le ceno električne energije za kwh. Bruto cena električne energije, ki smo jo upoštevali pri izračunih, je bila 60 EUR/MWh oziroma 0,06 EUR/kWh. Ceno električne energije za industrijo lahko preverimo na statističnem uradu RS (dostopno kot internetni vir) [11]. Sel, EM Wel, EM cel (3.3) kjer je: S el, EM strošek električne energije elektromotorja (EUR/leto), W el, EM poraba električne energije elektromotorja (kwh/leto), c el cena električne energije (EUR/kWh) [10]. 24

42 Vlada Republike Slovenije je leta 2015 predpisala pravilnik o metodah za določanje prihrankov energije. Ta pravilnik določa, kakšni bi naj bili prihranki energije, ki bi jih dosegli z izboljšanimi energetskimi učinkovitostmi, hkrati pa navaja posamezne izračune za povečanje rabe obnovljivih virov energije in zmanjšanje izpustov ogljikovega dioksida. V tem pravilniku so priložene tudi priloge, v katerih so zapisane posamezne enačbe za prihranek energije [10]. Pri izračunih smo nadaljevali z uporabo enačbe (3.4) o prihranku električne energije z menjavo elektromotorja IE3. Torej koliko energije privarčujemo na letni ravni, če obstoječi elektromotor menjamo z energetsko učinkovitim elektromotorjem energijskega razreda IE3. PKE 1 1 EM N M OB 0,02 P t LF EF (3.4) kjer je: PKE EM prihranek energije z menjavo elektromotorja (kwh/leto), OB izkoristek obstoječega elektromotorja (%), EF izkoristek (novega) energetsko učinkovitega elektromotorja IE3 (%), P N nazivna moč elektromotorja (kw), t M število obratovalnih ur na leto (h/leto), LF faktor obremenitve (ang.»load Factor«) [10]. Pri izračunu prihranka energije imamo v podani enačbi (3.4) uporabljena dva izkoristka. In sicer OB izkoristek obstoječega elektromotorja in EF izkoristek (novega) energetsko učinkovitega elektromotorja IE3. V Uradnem listu RS 67/15 je v prilogi 1 pod zaporedno številko 23 podana enačba (3.4) in tabela z obema izkoristkoma (tabela 3.2). V našem primeru smo ob tem izračunu za obstoječi izkoristek uporabili naše izračunane vrednosti in ne vrednosti, ki so zapisane v tabeli 3.2. Za izkoristek energetsko varčnega elektromotorja nismo uporabili vrednosti, ki so podane v tej tabeli, ampak smo za vsak elektromotor preverili kakšna je njegova nazivna moč in koliko polov ima elektromotor ter nato v standardu IEC glede na te podatke določili točen izkoristek. 25

43 Tabela 3.2: Tabela izkoristkov elektromotorjev iz priloge 1, Uradni list RS 67/15 [10]. Nazivna moč elektromotorja (kw) (IE1-obstoječi elektromotor) ST EF (IE3- energetsko učinkoviti elektromotor) 0,75 0,721 0,84 1,1 0,75 0,853 1,5 0,772 0,863 2,2 0,797 0, ,815 0, ,831 0,892 5,5 0,847 0,9 7,5 0,86 0, ,876 0, ,887 0,923 18,5 0,893 0, ,899 0, ,907 0, ,912 0, ,917 0, ,921 0, ,927 0, ,93 0, ,933 0, ,935 0, ,938 0, do 370 0,94 0,96 Prav tako kot smo pri porabi električne energije izračunali stroške, smo sedaj izračunali prihranek energije z menjavo elektromotorja v EUR/leto. Enačba za izračun (3.5). Sel, EM PKEEM c (3.5) el kjer je: S strošek električne energije elektromotorja (EUR/leto), el, EM PKE EM prihranek energije z menjavo elektromotorja (kwh/leto), c el cena električne energije (EUR/kWh) [10]. 26

44 Z uporabo energijsko varčnih elektromotorjev zagotovo vplivamo na zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida. Prav tako je lahko uporaba obnovljivih virov koristna in pripomore k zmanjšanju emisij. Podjetje Talum ima v najemu 6 sončnih elektrarn, ki so zgrajene na bivšem odlagališču rdečega blata, in sicer: FE TASOLAR FE VESOL FE CIMSOLAR FE 3SOLAR FE 5SOLAR FE 6SOLAR Posamezna elektrarna ima inštalirano moč 999 kwp. Vsaka elektrarna ima svojo transformatorsko postajo. FE VESOL in FE TASOLAR (slika 3.6) sta preko transformatorskih postaj povezani na distribucijsko omrežje 20 kv KB Župečja vas. Ostale 4 sončne elektrarne pa so povezane v stikališče podjetja Talum na 10 kv sistem. Slika 3.6: Sončni paneli na FE VESOL in FE TASOLAR. V nalogi smo uporabili tudi izračune za zmanjšanje emisij CO2. Pri izračunih se je zahteval podatek o obratovalnih karakteristikah elektromotornega sistema za določanje emisijskega faktorja. Enačba za izračun emisij CO2 (3.6). 27

45 ZECEM PKE EM efel (3.6) kjer je: ZEC EM zmanjšanje emisij CO2 (kgco2/leto), PKE EM prihranek energije z menjavo elektromotorja (kwh/leto), ef EL emisijski faktor pri proizvodnji električne energije v elektrarnah (kgco2/kwh) [10]. Emisijski faktor je določen v skladu z zakonom. Zapisan je v Uradnem listu RS 67/15 v prilogi 3. V tabeli 3.3 je prikaz različnih emisijskih faktorjev za različne sektorje. V naših izračunih smo za vse elektromotorje uporabili emisijski faktor 0,49 kgco2/kwh. GORIVO Tabela 3.3: Tabela emisijskega faktorja za različne sektorje [10]. Vir energije/sektor Enota Gospodinjstva Storitveni sektor Industrija zemeljski plin kgco2/kwh 0,2 0,2 0,2 ekstra lahko kurilno olje (ELKO) kgco2/kwh 0,27 0,27 0,27 biomasa (les) kgco2/kwh sektorsko povprečje za gorivo kgco2/kwh 0,09 0,23 0,21 ELEKTRIČNA ENERGIJA električna energija (na kwh) kgco2/kwh 0,49 0,49 0,49 DALJINSKO VODENJE daljinska toplota kgco2/kwh 0,32 0,32 0,32 V nadaljevanju smo uporabili tudi nekatere izračune za vračilno dobo ob možni menjavi elektromotorjev. Vse skupaj smo natančneje opisali v poglavju 4. Ker nekateri večji elektromotorji nimajo frekvenčnega pretvornika, smo pri analizi popisa podali mnenje, da bi bilo smiselno uporabiti frekvenčni pretvornik. Zato smo za tiste elektromotorje naredili še izračune prihrankov energije z uporabo frekvenčnega pretvornika in hkrati menjavo obstoječega elektromotorja z novim energetsko bolj učinkovitim elektromotorjem IE3 (3.7). 28

46 kjer je: P (3.7) N PKEFP tm LF f EF PKE prihranek končne energije z uporabo frekvenčnih pretvornikov (kwh/leto), FP P N nazivna moč elektromotorja (kw), EF izkoristek (novega) energetsko učinkovitega elektromotorja IE3 (%) t M število obratovalnih ur na leto (h/leto), LF faktor obremenitve, f faktor prihranka energije [10]. Pri faktorju prihranka energije je treba prihranek določiti na podlagi analize delovanja konkretnega pogonskega sistema. Če imamo enostavne naprave takrat lahko uporabimo določene normirane prihranke, ki so navedeni v tabeli 3.4. Tabela 3.4: Tabela povprečnih faktorjev prihranka zaradi uporabe frekvenčnega Vrsta naprave pretvornika, Uradni list RS 67/15 [10]. Povprečni faktor prihranka zaradi vgradnje frekvenčnega pretvornika črpalke 0,28 ventilatorji 0,28 zračni kompresorji 0,12 hladilni kompresorji 0,12 transportni sistemi (tekoči trakovi) 0,12 Posamezni prihranek energije z uporabo frekvenčnega pretvornika prinese prav tako prihranke v EUR/leto (3.8). kjer je: S PKE c (3.8) el, FP FP el S strošek električne energije z uporabo frekvenčnih pretvornikov (EUR/leto), el, FP PKE prihranek končne energije z uporabo frekvenčnih pretvornikov(kwh/leto) FP c el cena električne energije (EUR/kWh) [10]. 29

47 3.2 Izračun porabe, stroškov in prihranka električne energije Rezultate vseh izračunov, ki smo jih naredili smo prikazali v tabeli 3.5. Iz tabele vidimo, porabo, stroške in različne prihranke električne energije elektromotorjev. Podali smo rezultat za vsak obrat posebej in skupni rezultat vseh obratov. Tabela 3.5: Statistika vseh izračunov. Obrat Poraba električne energije, (kwh/leto) Strošek električne energije, (EUR/leto) Prihranek energije z menjavo elektromotorja IE3 (kwh/leto) Prihranek energije z menjavo elektromotorja IE3 (EUR/leto) Zmanjšanje emisij CO 2 (kgco 2/leto) Elektroliza C Anode Livarna Rondelice , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,76 ZHS , , , , ,15 Skupaj , , , , ,90 Če primerjamo najprej porabo energije po obratih, vidimo, da je največja poraba energije ,56 kwh/leto ravno v elektrolizi C. Vzrok takšne porabe je zaradi proizvodnje aluminija, ki poteka nemoteno 24ur/dan vse dni v letu. Elektrolizne peči se ne smejo ustaviti, oziroma se lahko ustavijo za največ dve uri. Drugi večji porabnik je livarna z ,19 kwh/leto. Livarna ima več peči, v katerih se s pomočjo sekundarnega aluminija proizvajajo izdelki za nadaljnjo predelavo. Nato sledijo ostali obrati z nekoliko manjšo porabo energije. Glede na porabo energije je primeren tudi strošek električne energije. Prihranek energije z menjavo elektromotorjev je seveda največji tam, kjer je velika poraba energije. Če gledamo prihranek energije (EUR/leto) v elektrolizi C, ki je izračunan za povprečno obremenitve vseh elektromotorjev 65 %, je prihranek kar velik. Prihranek je glede na število elektromotorjev, dvajset asinhronskih in šest enosmernih elektromotorjev, kar velik. Kadar bi uporabili še frekvenčni pretvornik, pa bi bil prihranki še toliko večji. 30

48 4 IZBOR ELEKTROMOTORNIH POGONOV ZA IZBOLJŠANJE ENERGETSKE UČINKOVITOSTI 4.1 Predstavitev izbranih elektromotorjev Popis elektromotorjev je bil narejen za vse elektromotorje nad 15 kw. Glede izbora elektromotorjev za izboljšanje energetske učinkovitosti pa smo izbrali mejo nazivne moči elektromotorjev 55 kw. Vse elektromotorje nad to nazivno močjo smo posamezno preučili in podali določene komentarje. Najprej smo analizirali, kakšen je prihranek energije, in ali se s tem splača menjati elektromotor. Nekateri elektromotorji so strogo namenski, kar predstavlja še dodaten strošek pri menjavi, spet drugi elektromotorji imajo malo število obratovalnih ur in je zaradi tega prihranek energije z menjavo elektromotorja zelo majhen. Kar nekaj je takšnih primerov, ki bi po našem mnenju bili neprimerni za zamenjavo, saj bi bili stroški investicije veliki, vračilna doba pa zelo dolga. Imamo tudi primere, ko imamo srednji prihranek energije, elektromotor je strogo namenski, v skladišču pa imamo rezervni popolnoma identični elektromotor. Na podlagi izračunov prihranka energije smo se odločili, da za izboljšanje energetske učinkovitosti podrobneje obravnavamo elektromotorje, ki se nahajajo v elektrolizi C. Ti elektromotorji bi bili primerni, glede na rezultate prihranka energije, za zamenjavo z energetsko učinkovitimi elektromotorji. Elektromotorji se uporabljajo za čistilne naprave z namenom očiščenja nevarnih plinov iz elektroliznih peči. Čistilna naprava v elektrolizi C sestoji iz starega in novega dela, sliki 4.1 in 4.2. V novem, delu so že elektromotorji, ki imajo boljše izkoristke kot elektromotorji, ki se uporabljajo v stari čistilni napravi. Tako znaša izkoristek novejših elektromotorjev 96,5 %, izkoristek starejših elektromotorjev pa 94,9 %. Naj povemo tudi to, da je vsega skupaj 12 elektromotorjev. Torej šest elektromotorjev v stari in šest elektromotorjev v novi čistilni napravi. Elektromotorji so v novi čistilni napravi med seboj identični oziroma glede na nazivno moč in proizvajalca elektromotorjev popolnoma enaki. V stari čistilni napravi pa je pet elektromotorjev enakih, eden elektromotor pa je drugega proizvajalca (slika 4.3). Nazivna moč posameznega elektromotorja je 250 kw. Prenos moči med elektromotorjem in bremenom je direkten s pomočjo sklopke (slika 4.4). Vseh 12 elektromotorjev pa je vodenih s frekvenčnim pretvornikom Schneider, Altivar

49 Slika 4.1: Stara čistilna naprava. Slika 4.2: Nova čistilna naprava. 32

50 Slika 4.3: Primer elektromotorja proizvajalca BBC. Slika 4.4: Direkten prenos s sklopko. 33

51 V nadaljevanju smo prikazali primere izračunov za elektromotorje v stari čistilni napravi. Pet elektromotorjev je proizvajalca BBC, eden elektromotor pa je proizvajalca SEVER. Najprej smo izračunali porabo in stroške električne energije, nato prihranke energije z menjavo elektromotorja in zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida. Vse to smo izračunali za obremenitve elektromotorjev pri 65 %, 80 % in 100 %. Vsi elektromotorji v čistilni napravi pa imajo vgrajene digitalne števce električne energije za točen prikaz porabe energije. Podjetje Talum lahko s pomočjo informacijskega sistema»gema«dostopa do točnih podatkov porabe električne energije. Seveda sistem omogoča dostop do porabe vseh ostalih odjemalcev energije. Glede elektromotorjev pa so preko digitalnih števcev povezani le elektromotorji, ki se nahajajo v čistilnih napravah elektrolize C. Tako smo lahko sami pridobili točne podatke glede porabe energije za vsak elektromotor posebej. Točni podatki porabe energije so nam omogočili izračun stroškov energije. Razen porabe električne energije smo iz informacijskega sistema pridobili tudi obratovalne ure za vse elektromotorje v čistilni napravi. V poglavju 3 smo v izračunih upoštevali povprečen faktor obremenitve LF = 65 %. Za elektromotorje v stari čistilni napravi pa smo ta faktor izračunali. Ker smo za vseh šest elektromotorjev dobili faktorje obremenitve smo posledično dobili bolj točne podatke za izračune prihranka energije. Ob tem pa smo dodali še izračune stroškov ob morebitni menjavi elektromotorjev ter izračune vračilne dobe. V poglavju smo torej naredili izračune pri obremenitvi 65 %, 80 % in 100 %. V poglavju pa smo pridobili točne podatke obremenitve. 34

52 Nazivni podatki iz tablic so naslednji: Proizvajalec BBC, obrat v Talumu Elektroliza C, aplikacija ventilator, št. obratovalnih ur 8590h/leto, P N = 250 kw, U N = 380/400 V, I N = 450/424 A, cosφ = 0,89/0,9, vezava navitja trikotna vezava, število vrtljajev elektromotorja, n = 1485 min -1. proizvajalec SEVER, obrat v Talumu Elektroliza C, aplikacija ventilator, št. obratovalnih ur 8590h/leto, P N = 250 kw, U N = 380/400 V, I N = 445/419 A, cosφ = 0,89/0,9, vezava navitja trikotna vezava, število vrtljajev elektromotorja, n = 1480 min

53 4.2 Izračuni prihrankov energije za ocenjen čas obratovanja Izkoristek BBC elektromotorja P oddana oddana OB Psprejeta 3 UN IN cos P 100 % = 100% 0, % ,9 94,5 % P P U I 3 sprejeta N 3 N N cos ,9/10 = 264,4 kw Izkoristek SEVER elektromotorja P oddana oddana OB Psprejeta 3 UN IN cos P 100 % = 100% 0, % ,9 95,7 % P P U I 3 sprejeta N 3 N N cos ,9/10 = 261,3 kw Poraba električne energije BBC elektromotorja v kwh/leto Poraba električne energije elektromotorja SEVER v kwh/leto Obremenitev = 65 %, LF 0, 65 1 W P t LF el,em N M OB 0,02 1 = 264,485900,65 0,945 0, , 6 kwh/leto Obremenitev = 65 %, LF 0, 65 1 W P t LF el,em N M OB 0,02 1 = 261,385900,65 0,957 0, , 6 kwh/leto 36

54 Obremenitev 80%, LF= 0,80 1 W P t LF el,em N M OB 0,02 1 = 264,485900,8 0,945 0, , 6 kwh/leto Obremenitev 80 %, LF= 0,80 1 W P t LF el,em N M OB 0,02 1 = 261,385900,8 0,957 0, ,9 kwh/leto Obremenitev = 100 %, LF= 1 1 W P t LF el,em N M OB 0,02 1 = 264, ,945 0, ,03 kwh/leto Obremenitev = 100 %, LF= 1 1 W P t LF el,em N M OB 0,02 1 = 261, ,957 0, , 4 kwh/leto Strošek električne energije BBC elektromotorja EUR/leto Strošek električne energije elektromotorja SEVER v EUR/leto Obremenitev = 65 % S W c el, EM el, EM el , 60,06 = ,53 EUR/leto Obremenitev = 65 % S W c el, EM el, EM el , 60,06 = ,82 EUR/leto Obremenitev 80 % S W c el, EM el, EM el , 60, , 66 EUR/leto Obremenitev 80 % S W c el, EM el, EM el ,9 0, ,15 EUR/leto Obremenitev = 100 % S W c el, EM el, EM el , 030,06 = ,82 EUR/leto Obremenitev = 100 % S W c el, EM el, EM el , 4 0,06 = ,94 EUR/leto 37

55 Prihranek električne energije BBC elektromotorja v kwh/leto Prihranek energije v tem primeru smo računali pri nazivni moči elektromotorja, kot je zapisano v Uradnem listu RS 67/15 po metodah za določanje prihranka energije in ne pri dejanski sprejeti moči elektromotorja. V tem poglavju nismo predvideli, kakšen energetsko učinkoviti elektromotor bi izbrali, zato nismo izračunali sprejete moči. V naslednjem poglavju smo izbrali energetsko učinkoviti elektromotor in dobili nazivne podatke. S pomočjo le teh smo lahko izračunali dejansko sprejeto moč elektromotorja in jo uporabili pri izračunu prihranka energije. Obremenitev 65 %, LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,65 0,945 0, 02 0, , 6 kwh/leto Obremenitev 80 %, LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,80 0,945 0, 02 0, ,96 kwh/leto Obremenitev 100 %, LF = PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,945 0, 02 0, , 46 kwh/leto 38

56 Prihranek električne energije elektromotorja SEVER v kwh/leto Obremenitev 65 %, LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,65 0,957 0, 02 0, , 4 kwh/leto Obremenitev 80 %, LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,80 0,957 0, 02 0, ,87 kwh/leto Obremenitev 100 %, LF = PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,957 0, 02 0, ,84 kwh/leto Prihranek električne energije BBC elektromotorja v EUR/leto Prihranek električne energije elektromotorja SEVER v EUR/leto Obremenitev 65 % S PKE c el, EM EM el =55.017, 60,06 =3.301,06 EUR/leto Obremenitev 65 % S PKE c el, EM EM el =35.691, 40,06 =2.141,48 EUR/leto 39

57 Obremenitev 80 % S PKE c el, EM EM el =67.713,960,06 =4.062,84 EUR/leto Obremenitev 80 % S PKE c el, EM EM el =43.927,87 0,06 =2.635, 67 EUR/leto Obremenitev 100 % S PKE c el, EM EM el =84.642, 460,06 =5.078,55 EUR/leto Obremenitev 100 % S PKE c el, EM EM el =54.909,84 0,06 =3.294,59 EUR/leto Zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida BBC elektromotorja Zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida elektromotorja SEVER Obremenitev 65 % ZEC PKE ef EM EM EL , 60,49 = ,62 kgco /leto 2 Obremenitev 65 % ZEC PKE ef EM EM EL , 40,49 = ,78 kgco /leto 2 Obremenitev 80 % ZEC PKE ef EM EM EL ,960,49 = ,84 kgco /leto 2 Obremenitev 80 % ZEC PKE ef EM EM EL ,87 0,49 = ,66 kgco /leto 2 Obremenitev 100 % ZEC PKE ef EM EM EL , 460,49 = ,8 kgco /leto 2 Obremenitev 100 % ZEC PKE ef EM EM EL ,840,49 = ,82 kgco /leto 2 40

58 Za lažji pregled smo izračune zbrali v tabeli 4.1. Pri skupnem seštevku rezultatov smo upoštevali obremenitve petih BBC elektromotorjev in enega elektromotorja SEVER, kar je podano v tabeli 4.2. Tabela 4.1: Prikaz rezultatov pri različnih obremenitvah elektromotorjev za BBC in SEVER elektromotor. Obremenitev elektromotorjev Poraba električne energije, (kwh/leto) Strošek električne energije, (EUR/leto) Prihranek energije z menjavo elektromotorj a IE3 (kwh/leto) Prihranek energije z menjavo elektromotorja IE3 (EUR/leto) Zmanjšanje emisij CO 2 (kgco 2/leto) 65 % BBC , , , , ,62 80 % BBC , , , , , % BBC , , , , ,8 65 % SEVER , , , , ,78 80 % SEVER , , , , , % SEVER , , , , ,82 Obremenitve elektromotorja Tabela 4.2: Prikaz skupnih rezultatov pri različnih obremenitvah za pet BBC elektromotorjev in enega elektromotorja SEVER. Poraba električne energije, (kwh/leto) Strošek električne energije, (EUR/leto) Prihranek energije z menjavo elektromotorja IE3 (kwh/leto) Prihranek energije z menjavo elektromotorja IE3 (EUR/leto) Zmanjšanje emisij CO 2 (kgco 2/leto) 65 % , , , , ,88 80 % , , , , , % , , , , ,82 41

59 4.3 Izračuni prihrankov energije za dejanski čas obratovanja S pomočjo informacijskega sistema GEMA smo dobili podatke o porabi energije za leto Program omogoča grafični ali tabelarični izpis podatkov, slika 4.5 in tabela 4.3. V tabeli 4.4 so zajeti podatki obratovalnih ur stare čistilne naprave. Slika 4.5: Primer grafičnega izpisa podatkov porabe električne energije za leto Poraba električne energije v kwh/leto Tabela 4.3: Poraba električne energije elektromotorjev v stari čistilni napravi, odčitana s pomočjo digitalnih števcev in informacijskega sistema GEMA za leto Št. elektromotorja in proizvajalec Poraba električne energije (kwh/leto) za leto BBC (MM424) ,40 2. BBC (MM426) ,47 3. SEVER (MM427) ,60 4. BBC (MM434) ,68 5. BBC (MM436) ,60 6. BBC (MM437) ,14 1 MM424 pomeni merilno mesto s številko

60 Tabela 4.4: Obratovalne ure elektromotorjev v stari čistilni napravi za leto Št. elektromotorja in proizvajalec Obratovalne ure (h/leto) za leto BBC (MM424) BBC (MM426) 8.748,75 3. SEVER (MM427) 8.683,25 4. BBC (MM434) 8.729,5 5. BBC (MM436) 8.237,75 6. BBC (MM437) 8.356,75 Izkoristek elektromotorjev nismo ponovno računali, saj ostanejo nespremenjeni. Izkoristek se z obremenitvijo stroja spreminja. Razlog je v izgubah. Poznamo spreminjajoče in stalne izgube. Spreminjajoče izgube (joulske in dodatne izgube v navitju se spreminjajo s kvadratom bremenskega toka) se z obremenitvijo elektromotorja spreminjajo, medtem ko so stalne izgube (izgube v železu, mehanske izgube in vzbujalne izgube) neodvisne od obremenitve [6]. Če bi računali izkoristek pri različnih obremenitvah, bi bil izkoristek največji takrat, kadar bi bile stalne izgube enake spremenljivim. Pri običajnih elektromotorjih je to pri 3/4 nazivne obremenitve oziroma pri 75 % obremenitve elektromotorja [12]. Na sliki 4.6 imamo prikazano karakteristiko izkoristkov pri različnih obremenitvah elektromotorjev. Elektromotor s številko 2 ima karakteristiko izkoristka, kot jo imajo običajni elektromotorji in se na obeh straneh zelo malo znižuje. To nam pove, da se izkoristek v območju delovanja zelo malo spremeni. Prav tako so naši elektromotorji v stari čistilni napravi v tem območju delovanja, kjer se izkoristek zelo malo spremeni. Elektromotorju številka 3 se z obremenitvijo karakteristika močno spreminja. Elektromotorju številka 1 pa nekoliko manj, vendar še vedno ne tako, kot elektromotorju s številko 2. η 1, , ,5 P N 1,0 P N 1,5 P N P odd Slika 4.6: Karakteristika izkoristka v različnih obremenitvah [12]. 43

61 Faktorji obremenitve Z enačbo (3.2) smo za vsak elektromotor izračunali faktor obremenitev. 1 W P t LF LF el, EM N M OB 0,02 1. elektromotor BBC LF el, EM OB Wel,EM 1 PN t 0,02 W , PN tm 264, , 02 0,945 0, 02 ST M 0, % = 35 % 2. elektromotor BBC LF Wel, EM 1 PN t 0,02 OB M ,47 0,28100 % = 28 % 1 264, 48748,75 0,945 0, elektromotor SEVER LF el, EM OB W , PN tm 261,3 8683,25 0, 02 0,957 0, 02 0, % = 45,2 % 4. elektromotor BBC LF Wel, EM 1 PN t 0, 02 OB M , 68 0,45100 % = 45 % 1 264, 48729,5 0,945 0, elektromotor BBC LF el, EM OB W 1 1 P t N M 0, 02 0,945 0, ,60 264, 48237,75 0, % = 41,2 % 6. elektromotor BBC LF Wel, EM 1 PN t 0,02 OB M ,14 0, % = 39,8 % 1 264, 48356,75 0,945 0,02 44

62 Strošek električne energije v EUR/leto 1. elektromotor BBC, obremenitev = 35 % S W c el, EM el, EM el , 400,06 = ,64 EUR/leto 2. elektromotor BBC obremenitev 28 % S W c el, EM el, EM el , 470, ,95 EUR/leto 3. elektromotor SEVER obremenitev = 45,2 % S W c el, EM el, EM el , 600,06 =65.698,54 EUR/leto 4. elektromotor BBC obremenitev 45 % S W c el, EM el, EM el ,680, ,92 EUR/leto 5. elektromotor BBC obremenitev = 41,2 % S W c el, EM el, EM el ,600, ,48 EUR/leto 6. elektromotor BBC obremenitev 39,8 % S W c el, EM el, EM el ,140, ,69 EUR/leto 45

63 Pri prihranku električne energije smo uporabili dejansko sprejeto moč elektromotorja, ki smo jo izračunali s pomočjo nazivnih podatkov izbranega novega energetsko učinkovitega elektromotorja. Nazivni podatki se nahajajo v poglavju P P U I 3 sprejeta N 3 N N cos ,89/10 = 261,4 kw Prihranek električne energije v kwh / leto 1. elektromotor BBC, obremenitev = 35 % LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF , ,35 0,945 0, 02 0, ,35 kwh/leto 2. elektromotor BBC, obremenitev 28 % LF = 0,28 PKE 1 EM PN tm OB 0,02 EF ,4 0, 28 0,945 0, 02 0, , ,57 kwh/leto 3. elektromotor SEVER, obremenitev =45,2 % LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF 1 1 0,957 0, 02 0, ,48683, 250, ,72 kwh/leto 4. elektromotor BBC, obremenitev =45 % LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,4 8729,5 0,45 0,945 0, 02 0, ,73 kwh/leto LF 46

64 5. elektromotor BBC, obremenitev = 41,2 % LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,4 8237,75 0,412 0,945 0, 02 0, ,65 kwh/leto 6. elektromotor BBC, obremenitev = 39,8 % LF = 0, PKEEM PN tm LF OB 0,02 EF ,4 8356, 75 0,398 0,945 0, 02 0, ,4 kwh/ leto Prihranek električne energije v EUR/leto Zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida 1. elektromotor BBC, obremenitev = 35 % S PKE c el, EM EM el =31.574,350,06 =1.894,46 EUR/leto 1. elektromotor BBC, obremenitev = 35 % ZEC PKE ef EM EM EL ,350,49 = ,43 kgco /leto 2 2. elektromotor BBC, obremenitev 28 % S PKE c el, EM EM el =25.238,57 0, 06 =1.514,31 EUR/leto 2. elektromotor BBC, obremenitev 28 % ZEC PKE ef EM EM EL ,57 0,49 = ,9 kgco /leto 2 3. elektromotor SEVER, obremenitev = 45,2 % S PKE c el, EM EM el =26.232,72 0,06 =1.573,96 EUR/leto 3. elektromotor SEVER, obremenitev = 45,2 % ZEC PKE ef EM EM EL ,72 0,49 = ,03 kgco /leto 2 47

65 4. elektromotor BBC, obremenitev = 45 % S PKE c el, EM EM el =40.472,730,06 =2.428,36 EUR/leto 4. elektromotor BBC, obremenitev = 45 % ZEC PKE ef EM EM EL ,730,49 = ,64 kgco /leto 2 5. elektromotor BBC, obremenitev = 41,2 % S PKE c el, EM EM el =34.967,650,06 =2.098,06 EUR/leto 5. elektromotor BBC, obremenitev = 41,2 % ZEC PKE ef EM EM EL ,650,49 = ,15 kgco /leto 2 6. elektromotor BBC, obremenitev = 39,8 % S PKE c el, EM EM el =34.267,40,06 =2.056,04 EUR/leto 6. elektromotor BBC, obremenitev = 39,8 % ZEC PKE ef EM EM EL ,40,49 = ,03 kgco /leto 2 Po končanih izračunih smo v tabeli 4.5 prikazali rezultate izračunov vseh elektromotorjev v stari čistilni napravi in naredili skupni seštevek. Poraba električne energije elektromotorjev na letni ravni je kar velika ,89 kwh/leto oziroma ,22 EUR/leto. Ob zamenjavi obstoječih elektromotorjev z energetsko varčnimi elektromotorji (naša izbira elektromotor Marathon) bi prihranili nekaj energije ,42 kwh/leto kar znaša ,19 EUR/leto. Prihranek ni velik, vendar pa zagotovo ni zanemarljiv. 48

66 Elektromotor Tabela 4.5: Prikaz rezultatov za vse elektromotorje v stari čistilni napravi. Poraba električne energije, (kwh/leto) Strošek električne energije, (EUR/leto) Prihranek energije z menjavo elektromotorja IE3 (kwh/leto) Prihranek energije z menjavo elektromotorja IE3 (EUR/leto) Zmanjšanje emisij CO 2 (kgco 2/leto) 1. BBC (MM424) 2. BBC (MM426) 3. SEVER (MM427) 4. BBC (MM434) 5. BBC (MM436) 6. BBC (MM437) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,03 Skupaj , , , , ,18 49

67 4.4 Vračilna doba Pri vseh izračunih prihranka energije je smiselno, da ocenimo še, kakšna je vračilna doba. Ekonomska ocena projekta se lahko določi s pomočjo enostavne vračilne dobe (ang. Simple payback period) (4.1)[1]. vračilna doba = SO PKE c DS EM el (4.1) kjer je: SO stroški opreme in montaže (EUR), DS dodatki stroški (EUR), PKE EM prihranek energije z menjavo elektromotorja (kwh/leto), c el cena električne energije (EUR/kWh) [1]. Enostavna vračilna doba pa ne upošteva časovnega poteka toka kapitala. Prav tako ta metoda ne upošteva plačila obresti ob izposojenem kapitalu. Kadar želimo oceniti obresti, si lahko pomagamo z grafom, ki je prikazan na sliki 4.7, kjer črka r predstavlja obresti na posojeni kapital. 5 4 r =3 % r =5 % r =9 % r =12 % r =15 % Vračilna doba (leta) Korigirana vračilna doba (leta) Slika 4.7: Izračunana vračilna doba v odvisnosti od višine obresti in korigirane vračilne dobe [1]. 50

68 Najprej izračunamo enostavno vračilno dobo v letih, ki se nahaja na navpični osi in s pomočjo tega enostavno odčitamo korigirano vračilno dobo. Seveda moramo pred tem poznati vrednost obresti. Vračilne dobe smo se lotili z določitvijo stroškov. Najprej smo določili stroške opreme in stroške montaže. Prihranek električne energije pa smo že izračunali v poglavju V izračunih enostavne vračilne dobe smo podali primer zamenjave obstoječega elektromotorja z energetsko učinkovitim IE3 elektromotorjem nazivne moči PN = 250 kw. Hoteli smo podati še izračun vračilne dobe, če bi uporabili energetsko učinkoviti IE3 elektromotor z nazivno močjo PN = 200 kw. Razlog za takšno odločitev bi bil zaradi tega, ker so obstoječi elektromotorji povprečno obremenjeni med 40 % in 60 %. Po našem mnenju bi elektromotorji s takšno nazivno močjo (PN = 200 kw) zadostovali potrebam ob pogoju, da deluje vseh šest elektromotorjev. Težave pa lahko nastopijo takrat, kadar bi kateri od šestih elektromotorjev odpovedal. Elektromotorji obratujejo v obratu elektrolize C, kjer je potrebno sesanje zraka zagotoviti 24 ur dnevno vse dni v letu. Zato si v takšnem primeru ne smemo dovoliti, da ob odpovedi katerega koli elektromotorja, ventilatorji ne bi bili zmožni izsesavati zraka oziroma nevarnih plinov (fluor). Sesanje zraka z ventilatorji namreč med drugim omogoča hlajenje elektroliznih peči, kar bi v nasprotnem primeru lahko povzročilo veliko škodo. Tudi v primeru vzdrževanja posameznega elektromotorja bi lahko nastopile težave. Seveda pa ne smemo izključiti težavo ob morebitni odpovedi frekvenčnega pretvornika. Takrat bi morali elektromotorje zagnati neposredno, kar bi pri elektromotorjih z nazivno močjo (PN = 200 kw) lahko povzročilo težave. Za ta izračun se nismo odločili, zraven vseh teh predvidenih težav bi imeli težave tudi z vpetjem elektromotorja. Elektromotor z nazivno močjo PN = 200 kw je bistveno drugačnih dimenzij in velikosti kot elektromotor z nazivno močjo PN = 250 kw. Tako bi lahko imeli probleme z neposrednim prenosom in vpetjem elektromotorja. Stroški montaže pa bi bili veliko večji kot običajni, vračilna doba pa daljša. 51

69 Stroški opreme in montaže Predvideli smo, da bi ob menjavi enega elektromotorja potrebovali cca ur dela, kar znaša približno 1.000,00 EUR stroškov montaže ob pogoju, da vpetje elektromotorja z neposrednim prenosom in sklopko ustreza. V stroške opreme pa smo všteli ceno novega elektromotorja. Ponudbo za nabavo novega elektromotorja smo posredovali podjetju NBM d.o.o. Pri povpraševanju pa smo bili pozorni, da smo posredovali točne podatke obstoječega elektromotorja, predvsem vpetje elektromotorja. Ponudnik nam je posredoval ponudbo. Pri ponudbi je še v ceno s popustom zajeta cena ležaja NU 322, ki ga v našem primeru ne potrebujemo. Ta ležaj se uporablja v primeru, kadar imamo jermenski prenos. V našem primeru, ko imamo direkten prenos, zadostuje kroglični ležaj, ki je nekoliko cenejši. Končna cena elektromotorja bi zato znašala 6.500,00 EUR. Zraven ponudbe smo prejeli še nazivne podatke izbranega elektromotorja MARATHON (tabela 4.6). Nazivne podatke smo dodali v prilogo A. Iz podatkov lahko razberemo to, kar smo že sami predvidevali, da se z obremenitvijo izkoristek bistveno ne spremeni. 52

70 Tabela 4.6: Nazivni podatki elektromotorja MARATHON. Standard IEC Področje Varno področje Tip TCA 355M04 Število polov 4 polni Velikost ohišja 355M Material Siva litina Nazivna napetost 400/690 V 50 Hz, 460 V Y 60 Hz 50 Hz 60 Hz 60 Hz Nazivna moč (kw) Hitrost (min -1 ) Tok pri 380V 50 Hz (A) 446 n/a n/a Tok pri 400V 50 Hz (A) 424 n/a n/a Tok pri Hz (A) 408 n/a n/a Tok pri 460 V 60 Hz (A) n/a Razred energetske učinkovitosti Izkoristek pri obremenitvi 100 % Izkoristek pri obremenitvi 75 % IE3 IE3 IE3 96,0 % 96,2 % 96,2 % 96,0 % 96,0 % 96,2 % Izkoristek pri obremenitvi 50 % 96,0 % 95,1 % 95,5 % cosφ 0,89 0,89 0,9 Navor (Nm) Dodatni stroški Dodatni stroški, ki nastanejo zaradi različnih vzdrževalnih del, kot je mazanje ležajev ipd., so zanemarljivo majhni in jih pri izračunu nismo upoštevali. 53

71 Prihranek energije z menjavo elektromotorja (EUR/leto) Podatki zbrani v tabeli 4.7 so podani za menjavo elektromotorjev z nazivno močjo PN = 250 kw. Ker smo hoteli preveriti vračilno dobo za elektromotorje z nazivno močjo PN = 200 kw, smo samo informativno izračunali prihranek energije (tabela 4.8). Tabela 4.7: Prihranek energije za elektromotorje (PN = 250 kw) v stari čistilni napravi. Št. elektromotorja in proizvajalec Prihranek energije z menjavo elektromotorja (EUR/leto) 1. BBC (MM424) 1.894,46 2. BBC (MM426) 1.514,31 3. SEVER (MM427) 1.573,96 4. BBC (MM434) 2.428,36 5. BBC (MM436) 2.098,06 6. BBC (MM437) 2.056,04 Tabela 4.8: Prihranek energije za elektromotorje (PN = 200 kw) v stari čistilni napravi. Št. elektromotorja in proizvajalec Prihranek energije z menjavo elektromotorja (EUR/leto) 1. BBC (MM424) 1.548,87 2. BBC (MM426) 1.216,55 3. SEVER (MM427) 1.260,21 4. BBC (MM434) 1.965,32 5. BBC (MM436) 1.698,76 6. BBC (MM437) 1.664,0 54

72 Vračilna doba za elektromotorje z nazivno močjo 250 kw Stroški opreme in montaže ( SO ) bi torej znašali: Cena elektromotorja MARATHON Stroški montaže Skupaj: 6.500,00 EUR 1.000,00 EUR 7.500,00 EUR 1. elektromotor BBC (MM424) vračilna doba SO 7.500, , 00 = 4 leta PKE c ,35 0, , 46 EM el 2. elektromotor BBC (MM424) vračilna doba SO 7.500, , 00 = 5 let PKE c ,5 70, ,31 EM el 3. elektromotor BBC (MM424) vračilna doba SO 7.500, , 00 = 4,8 let PKE c ,72 0, , 96 EM el 4. elektromotor BBC (MM424) vračilna doba SO 7.500, , 00 = 3,1 let PKE c ,73 0, , 36 EM el 5. elektromotor BBC (MM424) vračilna doba SO 7.500, , 00 = 3,6 let PKE c ,65 0, , 06 EM el 6. elektromotor BBC (MM424) vračilna doba SO 7.500, , 00 = 3,6 let PKE c ,4 0, , 04 EM el Vračilna doba se pri vsakem elektromotorju nekoliko razlikuje, saj so elektromotorji različno obremenjeni, hkrati pa je njihova poraba energije različna. Povprečna vračilna doba vseh elektromotorjev v stari čistilni napravi bi znašala približno 4 leta. V primeru izposojenega kapitala in obrestne mere 5 % bi vračilna doba povprečno znašala 4,5 let. 55

73 5 MERITVE ELEKTROMOTORJEV NA OBJEKTU Meritve smo opravljali v stari čistilni napravi. Na vsakem elektromotorju smo opravili več meritev v določenem krajšem času. Na elektromotorju št. 6 smo meritve merili en dan. Meritve smo izvajali med samim obratovanjem čistilne naprave. Zanimale so nas višje harmonske komponente, toka in napetosti, ki se pojavijo zaradi frekvenčnega pretvornika na nizko napetostni strani omrežja. Višje harmonske komponente toka in napetosti se torej pojavijo zaradi nelinearnih bremen in lahko predstavljajo resnične probleme v industriji. Popačijo lahko napetostno krivuljo, ki jo lahko dobijo elektromotorji oziroma oprema, ki je priključena na inštalacijo. Višje harmonske komponente, toka in napetosti lahko povzročijo povečano konično moč in porabo ter izpade opreme. Elektromotorji potrebujejo za svoje delovanje poleg delovne tudi jalovo energijo, kar predstavlja še dodaten strošek. Jalova energija pa še dodatno obremenjuje prenosne linije. 5.1 Oprema in merilne metode Meritve smo izvedli s pomočjo opreme Metrel. Uporabili smo inštrument analizator višjih harmonskih komponent v energetskem sistemu»power Harmonics Analyzer«(slika 5.1) in tokovne klešče (slika 5.2). Inštrument nam je poleg fazne napetosti, toka ter višjih harmonskih komponent in jalove moči beležil meritve delovne moči, navidezne moči, faktor moči in fazni kot med napetostjo in tokom. Glede višjih harmonskih komponent pa lahko inštrument posname celotno harmonsko popačenje, posamezno višjo harmonsko komponento (%) ter posamezno višjo harmonsko komponento (toka in napetosti). Inštrument izračuna višje harmonske komponente signalov z vzorčenjem z A/D pretvornikom (14 bitov z 128 vzorci v periodi). Fourierova transformacija omogoča rezultate meritev, ki se izračunajo na vsakih 8 vhodnih ciklusov. Vsak parameter dobljen s tem inštrumentom ima za sabo računski izraz. Za primer smo podali računska izraza jalove moči (5.1) in skupno popačenje fazne napetosti in toka (5.2 in 5.3). 56

74 Q S P (5.1) 2 2 x x x kjer je: Q x fazna jalova moč (Var), S x fazna navidezna moč (VA) in P x fazna delovna moč (W) [13] hnux n2 THDU 100 x h1ux (5.2) kjer je: THD U x skupno popačenje fazne napetosti (%), h nu x posamezna višja harmonska komponenta napetosti (%) in h 1U x osnovna harmonska komponenta napetosti (%) [13]. kjer je: 63 2 hnix n2 THDI 100 x h1ix (5.3) THD I x skupno popačenje faznega toka (%), h ni x posamezna harmonska komponenta toka (%) in h 1I x osnovna harmonska komponenta toka (%) [13]. 57

75 Slika 5.1: Inštrument za analizo višjih harmonskih komponent v energetskem sistemu Metrel MI Slika 5.2: Tokovne klešče Metrel. 58

76 Inštrument smo povezali na trifazni sistem po načinu s tremi tokovodniki (brez nevtralnega vodnika), prikazano na sliki 5.3. Na slikah 5.4, 5.5 in 5.6 pa je prikazana izvedba meritev. METREL MI 2092 N L1 L1 L2 L2 L3 L3 L 1 L 2 L 3 Slika 5.3: Trifazni sistem s tremi tokovodniki. Slika 5.4: Uporaba tokovnih klešč. 59

77 Slika 5.5: Prikaz priključitve nizke napetosti na dušilko in frekvenčni pretvornik. Slika 5.6: Priključitev tokovnih klešč in napetostnih vej na inštrument. 60

78 5.2 Rezultati meritev V tabeli 5.1 smo podali povprečno popačitev višjih harmonskih komponent toka in napetosti. Opravljene so bile meritve v krajšem časovnem obdobju. Za vsak elektromotor se je izvedlo kar nekaj meritev. Tabela 5.2 vsebuje podatke meritev za elektromotor št. 6 v času enega dneva. Grafično pa smo podali rezultate meritev za višje harmonske komponente toka in napetosti, prikazano na slikah 5.7 in 5.8. Tabela 5.1: Rezultati meritev višjih harmonskih komponent toka in napetosti (krajši čas Št. elektromotorja THD U1 (%) THD U2 (%) merjenja). THD U3 (%) THD I1 (%) THD I2 (%) THD I3 (%) 1. 4,54 4,41 4,31 39,97 37,67 38, ,13 4,35 4,40 41,80 40,26 41,90 3 4,21 4,46 4,51 37,29 36,49 37, ,36 4,42 4,32 45,50 47,55 44, ,38 4,46 4,34 41,86 41,55 43, ,48 4,40 4,38 37,13 36,77 37,58 Tabela 5.2: Rezultati meritev višjih harmonskih komponent toka in napetosti (meritve so se Št. elektromotorja THD U1 (%) THD U2 (%) opravljale en dan). THD U3 (%) THD I1 (%) THD I2 (%) THD I3 (%) 6. 4,57 4,48 4,46 37,11 37,08 37,59 Izmerjeno je bilo osem urno popačenje toka in napetosti. IEC standard za vrednotenje velikosti THD napetosti in toka za izvedbo električnih inštalacij podaja naslednje: THD U < 5% in THD I < 10 % predstavlja normalno stanje. THD U < 5% in 10 % < THD I < 50 % predstavlja večje popačenje, možnost motenj ali pregrevanje. V našem primeru meritev THD napetosti ne presega standardne meje normalnega stanja. THD toka presega normalno stanje, vendar ni zaznati kakršnih koli pregrevanj inštalacij zaradi višjih harmonskih komponent. Do sedaj ni bilo zaznati motenj delovanja ostale opreme. 61

79 Voltages Magnitudes ( (%) 5.0 (%) Višje harmonske komponente Voltage Ph1 (%) Thd = 4.54% 4.5 napetosti prve faze thd (%) n Višje harmonske komponente Voltage Ph2 (%) Thd = 4.41% thd (%) napetosti druge faze. Višje harmonske komponente Voltage Ph3 (%) Thd = 4.31% napetosti tretje faze. n thd n Slika 5.7: Spekter višjih harmonskih komponent napetosti za primer elektromotorja št. 1 62

80 s ( :06:09) Currents thd thd thd (%) Višje harmonske komponente Current Ph1 (%) Thd = 39.97% thd (%) toka prve faze. Višje harmonske komponente Current Ph2 (%) Thd = 37.67% thd (%) toka druge faze. Višje harmonske komponente Current Ph3 (%) Thd = 38.53% toka tretje faze thd n Slika 5.8: Spekter višjih harmonskih komponent toka za primer elektromotorja 1 n n 63

81 6 PRIMERJAVA IZKORISTKOV NEPOSREDNO PRIKLJUČENEGA ELEKTROMOTORJA IN ELEKTROMOTORJA S FREKVENČNIM PRETVORNIKOM Splošno je znano, da izkoristek vpliva na porabo električne energije oziroma ob morebitni menjavi elektromotorja tudi na prihranek energije. Zato smo hoteli preveriti, kakšen je vpliv na izkoristek elektromotorja, če je le ta napajan s frekvenčnega pretvornika in ga primerjali z neposredno priključenim elektromotorjem na omrežju. Naredili smo več meritev ter nekaj analitičnih izračunov, ki smo jih izvedli v programskem orodju emlook. Nekatere rezultate analitičnih izračunov smo primerjali z izvedenimi meritvami. Meritve smo opravljali v laboratoriju za električne stroje na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko na Univerzi v Mariboru. V osnovi smo si zamislili dva primera meritev. Kot neposredno priključen elektromotor smo meritev izvedli tako, da smo elektromotor napajali z virom sinusne napetosti pri treh različnih frekvencah, in sicer 35 Hz, 50 Hz in 65 Hz. Pri frekvenci 50 Hz smo meritve izvajali za nazivno točko obremenitve. Zgornja meja frekvence je bila 65 Hz, saj smo bili omejeni z virom sinusne napetosti. Pri frekvenci 35 Hz pa smo želeli opraviti meritve pod nazivno točko obremenitve. Drugi primer meritev smo izvedli na način, da smo elektromotor napajali s frekvenčnim pretvornikom s pomočjo sinusnega filtra pri enakih frekvencah kot v prvem primeru. Sinusni filter smo uporabili zaradi meritev moči z močnostnim analizatorjem. Elektromotor smo v obeh primerih obremenjevali s pomočjo aktivne zavore in pri tem merili celotne obremenilne karakteristike pri 35 Hz, 50 Hz in 65 Hz. Pri meritvah smo prilagajali napajalno napetost na način razmerja U/f = konstanta. Za 35 Hz je to razmerje veljalo. Pri 65 Hz pa tega razmerja nismo zagotovili zaradi frekvenčnega pretvornika, ki je na izhodu omejen z nazivno napetostjo. 64

82 Pomembno je bilo, da pri teh frekvencah nismo slabili vrtilnega magnetnega polja elektromotorja. Napajalne napetosti smo temu ustrezno prilagodili. Pomagali smo si z orodjem emlook [14]. V program smo vnesli podatke preskušanega elektromotorja. Nazivne podatke smo pridobili iz napisne ploščice elektromotorja, navijalne podatke od podjetja Bartec Varnost, podatke o dimenzijah posameznih delov pa smo pridobili iz kataloga Kienle&Spiess (priloga B). 65

83 6.1 Nazivni podatki elektromotorja: tip elektromotorja 4KTC 160 M4 (Exe), proizvajalec BARTEC VARNOST, nazivna moč elektromotorja PN = 11 kw, nazivna napetost UN = 400 V (trikotna vezava), nazivna frekvenca f = 50 Hz, nazivni tok IN = 22,7 A, nazivni faktor moči cosφ = 0,82, nazivni vrtljaji n = 1460 min -1, stopnja zaščite IP 44 in izkoristek η = 0, Navijalni podatki Podali smo podatke o dimenzijah posameznih delov v statorju in rotorju Stator Zunanji premer statorja Dz = 240 mm, notranji premer D = 150 mm, dolžina paketa lfe = 160 mm in število utorov Qs = 36. Dimenzije utorov statorja (slika 6.1): R1s = 1,2 mm, R2s = 3,22 mm, Hus = 19,86 mm, Bns = 9,2 mm, Hss = 0,84 mm, Bss = 2,7 mm in As = 149,41 mm 2 (presek utora statorja). Slika 6.1: Primer statorskega utora. 66

84 Podatki za obroč kletke (slika 6.2): Bo = 14,5 mm, Dol = 147 mm in Do2 = 92 mm. Slika 6.2: Primer rotorskega navitja kratkostične kletke Rotor Zunanji premer paketa rotorja Dr = 149,1 mm, premer izvrtine za gred Dn = 55 mm, število utorov Qr = 28 in poševnost kletke 1/28 oboda. Dimenzije rotorskega utora z globokimi utori (trojna kletka). Na sliki 6.3 utor rotorja z dvojno kletko: R1r = 2,7 mm, R2r = 1,08 mm, Hur = 18,265 mm, Hsr = 0,496 mm, Bsr = 1,0 mm, Hsr2 = 2,605 mm, Bsr2 = 1,0 mm, Hsr3 = 6,2 mm in Ar = 101, 175 mm 2 (presek utora rotorja). Slika 6.3: Primer utora v rotorju globoki utori. 67

85 Poleg nekaterih podatkov program zahteva tudi vnos lastnosti magnetne pločevine oziroma izbiro magnetilne krivulje (slika 6.4). Za naš primer elektromotorja smo izbrali proizvajalca Acroni. Slika 6.4: Magnetilna krivulja Acroni F Hz, PFE15 = 4.00 W/kg. 68

86 6.3 Meritev neposredno priključenega elektromotorja V prvem primeru meritev smo napajali elektromotor s pomočjo vira sinusne napetosti, kot je prikazano na sliki 6.5. Vir sinusne napetosti S1 Močnostno stikalo A A A W W W V V V Spektralni močnostni analizator, Norma D 6100 Senzor vrtilnega momenta 3f ~ AM Preskušani elektromotor, 4KTC 160 M4 3f ~AG Aktivna zavora, Indramat ADF 134 CBS Slika 6.5: Vezalna shema za izvajanje meritev neposredno priključenega elektromotorja na vir sinusne napetosti Opis merilnega postopka Preden smo začeli z meritvijo, smo pomerili ohmsko upornost statorskega navitja (hladen elektromotor) in temperaturo okolice. Meritve smo začeli s segrevanjem elektromotorja. Želena vrednost temperature toplega navitja elektromotorja je bila 95 C. Elektromotor smo nekoliko preobremenili, da smo ga segreli v krajšem času. Segrevali smo postopoma in opazovali upornost statorskega navitja na miliohm metru, kateri je bil priključen na NTK upor elektromotorja. Temperatura okolice, ohmska upornost statorskega navitja pri hladnem elektromotorju in želena temperatura toplega navitja so nam omogočili, da smo lahko izračunali, kakšna mora biti ohmska upornost statorskega navitja (6.1), ko bo elektromotor dosegel temperaturo toplega navitja 95 C. Upornost statorskega navitja RT = 0,75 Ω smo poskušali zagotavljati pri vsaki meritvi. Tekom meritev pa je temperatura padala. Če smo izvajali meritve elektromotorja neposredno priključenega ali priključenega s frekvenčnega pretvornika, smo pri enaki frekvenci zagotovili enake vrednosti upornosti statorskega navitja. Torej smo pri vsek frekvencah dosegli približno enake temperature. 69

87 kjer je: R t t = Rhl 0,584 0, hl (6.1) R t upornost statorskega navitja (Ω), R hl upornost statorskega navitja pri hladnem elektromotorju (Ω), t temperatura navitja po meritvi ( C) hl temperatura navitja (okolice) pred meritvijo ( C) [18]. Ko smo elektromotor segreli na želeno temperaturo toplega navitja, smo pričeli z meritvijo. Najprej smo naredili preizkus obremenitve elektromotorja pri frekvenci f = 50 Hz, pritisnjeni napetosti UN = 400 V in moči PN = 11 kw. Z normo D 6100 smo merili vse električne veličine na vhodu elektromotorja. S pomočjo senzorja vrtljajev in vrtilnega momenta pa smo izmerili oddano mehansko moč na izhodu elektromotorja. Posneli smo celotne obremenilne karakteristike. Meritev smo ponovili pri frekvenci napajanja f = 35 Hz, pritisnjeni napetosti UN = 280 V, moči PN = 7,7 kw. Pri frekvenci f = 65 Hz nismo mogli zagotoviti izračunano pritisnjeno napetost elektromotorja UN = 520 V. Meritev pri tej frekvenci f = 65 Hz smo zato opravili pri UN = 400 V in PN = 14,3 kw. V tem primeru torej nismo zagotovili, da bi šli z napetostjo linearno navzgor in smo dejansko že bili v področju slabljenja polja elektromotorja. Da bi se izognili temu, smo še vse meritve pri f = 65 Hz opravili tudi pri UN = 400 V in PN = 11 kw. Pri nazivni obremenitvi elektromotorja smo opravili meritve, THD linijskih tokov in faznih napetosti ter časovne poteke linijskih tokov in faznih napetosti. 70

88 6.3.2 Merilna oprema Vir sinusne napetosti. Spektralni močnostni analizator, Norma tip D Namenjen za merjenje izmeničnih in enosmernih napetosti, tokov in moči v enofaznem ali trifaznem sistemu. Komunikacijski vmesnik, Norma, interface mps. Merilni ojačevalnik namenjen merjenju vrtilnega momenta, Hottinger Baldwin Messtechnik, tip MGC. Senzor sile, ki skrbi za posredno merjenje vrtilnega momenta, Hottinger Baldwin Messtechnik, tip U2A, 500 kg. Aktivna zavora (asinhronski trifazni stroj z vodnim hlajenjem) namenjena za mehansko obremenitev elektromotorja, Indramat, ADF 164 C-EF-1, PN = 65 kw. Pretvornik za aktivno zavoro, Indramat, RAC A00-W1. Milliohm meter GOM-802, namenjen merjenju upornosti statorskega navitja. 71

89 6.4 Meritev s frekvenčnim pretvornikom Kot drugi primer meritev smo elektromotor napajali iz omrežja s frekvenčnim pretvornikom (slika 6.6). Regulacijski transformator 82 kva, Y0 380/780 V 124,4/60,6 A Frekvenčni pretvornik Siemens Sinamics kw/15 kw Linijska dušilka Krmilna enota Močnostno stikalo A W Senzor vrtilnega momenta A W 3f ~ AM 3f~AG Zaviralni upor S1 A W V V V Spektralni močnostni analizator, Norma D 6100 Preskušani elektromotor, 4KTC 160 M4 Aktivna zavora, Indramat ADF 134 CBS A A A W W W Izhodni sinusni filter Schaffner FN V V V Spektralni močnostni analizator, Norma D 5255 M Slika 6.6: Vezalna shema za izvajanje meritev elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom Opis merilnega postopka Tako kot pri prvi meritvi smo tudi tukaj postopali na podoben način. Elektromotor smo najprej segreli na želeno temperaturo navitja. Tokrat pa smo elektromotor napajali s pomočjo frekvenčnega pretvornika, ki je bil napajan iz omrežja. Predhodno smo v frekvenčni pretvornik vnesli parametre elektromotorja in sprožili optimizacijske teste. Za sprotno nastavljanje smo uporabili programsko orodje Siemens Starter. 72

90 Meritve smo opravili pri enakih frekvencah kot že v prvem primeru meritev. Sedaj smo opravili več meritev. Na sliki 6.7 vidimo prikaz meritve različnih izkoristkov. Pod številko ena je prikaz meritve izkoristka elektromotorja priključenega na frekvenčni pretvornik. Številka dva prikazuje primer meritve izkoristka pogona z in brez sinusnega filtra. Pod številko tri pa vidimo primer meritve izkoristka frekvenčnega pretvornika. Uporabljali smo dva močnostna analizatorja Norma. Z Normo D 5255 M smo opravili meritve celotnega pogona, z Normo D 6100 pa meritve elektromotorja. V osnovi je bila takšna vezava, kot je na sliki 6.6. V primeru meritve izkoristka frekvenčnega pretvornika smo normo D 6100 vezali zaporedno k normi D5255 M. Med analizatorjema smo lahko primerjali rezultate. Prvi primer meritve VIR SINUSNE NAPETOSTI AS MOTOR BREME OMREŽJE FP SINUSNI FILTER AS MOTOR BREME Slika 6.7: Prikaz meritve različnih izkoristkov. 73

91 6.4.2 Merilna oprema Prvemu primeru meritev smo sedaj dodali še nekaj merilne opreme. Regulacijski transformator 82 kva, Y0, 380/780 V, 124,4/60,6 A, namenjen spreminjanju pritisnjene napetosti. Frekvenčni pretvornik Siemens Sinamics Power Module 240, V, 39,4 A, 50/60 Hz, IN = 32 A, 11 kw/15 kw. Sinusni filter Schaffner FN , max: 600 Hz, 500 V AC, 1000 V DC, 25A@50 C, 25/100/21. Spektralni močnostni analizator Norma tip D 5255 M. Namenjen za merjenje izmeničnih in enosmernih napetosti, tokov in moči v enofaznem ali trifaznem sistemu. Programska oprema Siemens Starter. 74

92 6.5 Rezultati meritev V nadaljevanju so prikazani rezultati meritev neposredno priključenega elektromotorja (vir sinusne napetosti) in rezultati meritev elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom (s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra). Podali smo časovne poteke v primeru uporabe frekvenčnega pretvornika s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra. Podali smo tudi spektre in THD faktorje linijskih tokov in faznih napetosti v vseh primerah meritev. V tabeli 6.1 vidimo primerjavo izkoristkov elektromotorja neposredno priključenega in elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom. Tabela 6.1: Primerjava izkoristkov elektromotorja neposredno priključenega (napajanega z virom sinusne napetosti) in elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra. Meritev f (Hz) U (V) I (A) P s (W) PF M (Nm) n (min -1 ) P o (W) η motorja P i (W) Vir sinusne napetosti FP s sinusnim filtrom FP brez sinusnega filtra ,9 21, ,843 72, , , , ,9 21, ,831 71, , , , ,9 20, ,865 55, , , , ,6 28, ,852 73, , , , ,3 21, ,836 72, , , , ,4 21, ,826 71, , , , ,6 20, ,853 55, , , , , ,836 72, , , ,8 35 / / / / / / / / / ,4 21, ,707 71, , ,6 65 / / / / / / / / / Nazivni izkoristek elektromotorja η = 0,83. Razlika med njunima izkoristkoma, če primerjamo izkoristek meritve vira sinusne napetosti in frekvenčni pretvornik s sinusnim filtrom pri f = 50 Hz, je manj kot 1,5 %. Do razlike verjetno pride zaradi pogreška meritve moči, ki nastane zaradi pulzno širinske modulacije frekvenčnega pretvornika, kot je prikazano v nadaljevanju. Razlika med izkoristkoma frekvenčnega pretvornika s sinusnim filtrom in brez pa je minimalna 0,3 %. Prav tako so razlike med izkoristki podobne pri ostalih meritvah. Zakaj smo opravili dve meritve pri f = 65 Hz, smo že pojasnili v poglavju Napetost v primeru meritve frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra je napačna zaradi pulzno širinske modulacije (ang. PWM) frekvenčnega pretvornika. 75

93 Na sliki 6.8 vidimo potek izkoristkov pri f = 50 Hz. V nadaljevanju smo podali še rezultate izkoristka celotnega pogona (tabela 6.2) in rezultate izkoristka frekvenčnega pretvornika (tabela 6.3). Prav tako smo pri teh rezultatih podali izrise potekov izkoristkov, slika 6.9 in MOTORJA VIR SINUSNE NAPETOSTI FP S SINUSNIM FILTROM FP BREZ SINUSNEGA FILTRA M (Nm) Slika 6.8: Primerjava izkoristkov elektromotorja pri f = 50 Hz in UN = 400 V. Tabela 6.2: Primerjava izkoristkov celotnega pogona elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra. Meritev f (Hz) U (V) I (A) P s (W) PF M (Nm) n (min -1 ) P o (W) η pogona P i(w) FP s sinusnim filtrom FP brez sinusnega filtra ,9 21, , , , ,4 21, , , , ,4 22, , , , ,4 28, , , , ,8 21, ,78 72, , , ,9 22, ,746 71, , , , ,9 22, ,745 55, , , , ,8 28, ,775 73, , ,

94 POGONA POGONA S SINUSNIM FILTROM POGONA BREZ SINUSNEGA FILTRA M (Nm) Slika 6.9: Primerjava izkoristkov celotnega pogona pri f = 50 Hz in UN = 400 V. Če sedaj (tabela 6.2) primerjamo izkoristka pogona elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra, je njuna razlika pri frekvenci f = 50 Hz 0,1 %. V tem primeru smo meritve opravljali z dvema močnostnima analizatorjema. Namensko smo ugotavljali razliko razhajanja med analizatorjem D 5255 M in D 6100, ki je okrog 1 %. Ta procent se lahko pojavi v tabeli rezultatov kot pogrešek izkoristka pogona. Primerjavo izkoristka frekvenčnega pretvornika smo podali v tabeli 6.3. Tabela 6.3: Primerjava izkoristka frekvenčnega pretvornika (s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra). Meritev f (Hz) U (V) I (A) P s (W) PF M (Nm) n (min -1 ) P o (W) η FP P i (W) ,7 18, , , , ,1 FP s ,4 18, , , , ,4 sinusnim ,4 19, , , , ,3 filtrom ,6 25, , , , ,8 FP brez 35 / / / / / / / / / sinusnega , , , , ,5 filtra * 65 / / / / / / / / / * Pri f = 35 Hz in f = 65 Hz so meritve bile ponovljive, zato jih nismo delali. 77

95 FP 0.9 FP BREZ SINUSNEGA FILTRA FP S SINUSNIM FILTROM M (Nm) Slika 6.10: Primerjava izkoristka frekvenčnega pretvornika pri f = 50 Hz in UN = 400 V. Odstopanje izkoristka med frekvenčnim pretvornikom s sinusnim filtrom in brez njega ni veliko. Zaradi nefiltrirane popačene napetosti pulzno širinske modulacije frekvenčnega pretvornika je prišlo do napake pri meritvi moči in posledično do razlike izkoristkov. 78

96 THD (%) THD faktor in višje harmonske komponente linijskih tokov in faznih napetosti Na sliki 6.11 smo podali povprečne vrednosti THD faktorja linijskega toka in fazne napetosti, ki so bili izmerjeni na nazivno obremenjenem elektromotorju. V primeru vira sinusne napetosti so vrednosti THD pričakovano nizke, THD U = 2,27 % in THD I = 1,76 %. Ko uporabimo frekvenčni pretvornik, pa se vrednosti THD U močno povečajo, kar je v nadaljevanju razvidno iz časovnih potekov. S sinusnim filtrom je THD U = 26,27 % brez sinusnega filtra pa THD U = 30,4 % THD I THD U 26,27 % 30,4 % ,76 % 2,27% 2,56 % 2,68 % Vir sinusne napetosti FP s sinusnim filtrom FP brez sinusnega filtra Slika 6.11: Prikaz primerjave povprečne vrednosti THD faktorja linijskih tokov in faznih napetosti nazivno obremenjenega elektromotorja pri f = 50 Hz in UN = 400 V. Standard SIST EN govori tudi o dovoljeni THD vrednosti napajalne napetosti, ki mora biti ob normalnih pogojih obratovanja v kateremkoli tednu 95 % vseh 10 minutnih intervalov manjša ali enaka 8 %. V standardu je podana tudi tabela dovoljene vrednosti višjih harmonskih komponent toka in napetosti samo do 25. višje harmonske komponente. Od 26. do 40. višje harmonske komponente pa višje harmonske komponente toka in napetosti določa standard IEC V našem primeru meritve (vir sinusne napetosti) THD U = 2,27 % ne prisega vrednosti 8 % [15]. 79

97 Na slikah od 6.12 do 6.15 smo podali faktorje THD linijskih tokov in faznih napetosti za posamezne višje harmonske komponente. Inštrument nam je omogočil vpogled do 49. višje harmonske komponente. Izrise spektrov smo opravili le do 17. višje harmonske komponente, ker višje harmonske komponente niso prisotne oziroma so tako male, da nimajo pomena I (A) n Slika 6.12: Spekter linijskega toka za primer meritve elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom in sinusnim filtrom pri f = 50 Hz in U = 400 V. 80

98 U (V) n Slika 6.13: Spekter fazne napetosti za primer meritve elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom in sinusnim filtrom pri f = 50 Hz in U = 400 V I (A) n Slika 6.14: Spekter linijskega toka za primer meritve pred frekvenčnim pretvornikom brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V. 81

99 U (V) n Slika 6.15: Spekter fazne napetosti za primer meritve pred frekvenčnim pretvornikom brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V. Zaradi zelo popačene napetosti so se vrednosti THD faktorjev zelo spreminjale. THD toka je bila konstanta. THD napetosti pa se je spreminjala zaradi frekvenčnega pretvornika. Na graf smo zato vnesli srednjo vrednost, ki se je spreminjala za 5 %. Vzrok popačene napetosti je v pulzno širinski modulaciji frekvenčnega pretvornika. 82

100 6.5.2 Časovni poteki linijskih tokov in faznih napetosti Na sliki 6.16 in 6.17 so prikazani časovni poteki linijskih tokov in faznih napetosti pred frekvenčnim pretvornikom. Tok je v primerjavi z napetostjo zelo popačen, na kar vpliva frekvenčni pretvornik in linijska dušilka. Nato smo primerjali še časovne poteke linijskih tokov in faznih napetosti iz frekvenčnega pretvornika na elektromotorju s sinusnim filtrom (slika 6.18 in 6.19) in brez sinusnega filtra (slika 6.20 in 6.21). Na izhodu frekvenčnega pretvornika, je tok manj popačen kot pa napetost. Napetost je takšne oblike zaradi stikalnih manipulacij frekvenčnega pretvornika, ki daje impulze. Vse meritve v nadaljevanju so bile izvedene pri f = 50 Hz in nazivni obremenitvi elektromotorja U 1 U 2 U 3 U (V) t (ms) Slika 6.16: Časovni potek vhodne napetosti frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V. 83

101 50 I 1 I 2 I 3 I (A) t (ms) Slika 6.17: Časovni potek vhodnega toka frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V U 1 U 2 U 3 U (V) t (ms) Slika 6.18: Časovni potek napetosti na elektromotorju napajanega s frekvenčnim pretvornikom in sinusnim filtrom pri f = 50 Hz in UN = 400 V. 84

102 I 1 I 2 I 3 I (A) t (ms) Slika 6.19: Časovni potek toka na elektromotorju napajanega s frekvenčnim pretvornikom in sinusnim filtrom pri f = 50 Hz in UN = 400 V U 1 U 2 U 3 U (V) t (ms) Slika 6.20: Časovni potek izhodne napetosti frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V. 85

103 I 1 I 2 I 3 I (A) t (ms) Slika 6.21: Časovni potek izhodnega toka frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra pri f = 50 Hz in UN = 400 V. Kljub popačeni napetosti na izhodu frekvenčnega pretvornika je bil tok relativno sinusne oblike zaradi induktivnosti bremena, oziroma statorskega navitja elektromotorja. Ob uporabi sinusnega filtra je napetost lepše oblike. Tok pa ni bistveno lepše oblike kot v primeru brez sinusnega filtra. Na tok ima sinusni filter zelo majhen vpliv, na napetost pa ima vpliv. Ravno zaradi tega smo v meritvah uporabili sinusni filter, da smo lažje merili sprejeto moč z analizatorjem moči. Konice, ki se pojavijo na izhodu frekvenčnega pretvornika brez sinusnega filtra, lahko vplivajo na navitje in pripeljejo do tega, da prebije izolacijsko plast statorskega navitja. Z uporabo sinusnega filtra se izognemo uporabi kabla z opletom, ki se uporablja zaradi motenj. Življenjska doba elektromotorja je v primeru uporabe sinusnega filtra daljša kot v primeru uporabe kabla z opletom. 86

104 6.6 Izračuni s programskim okoljem emlook V poglavju 6.2 smo navedli navijalne podatke, ki smo jih potrebovali za izračun s pomočjo programa emlook. V programu smo definirali navitje (dvoplastno zankasto navitje s korakom 1-9, slika 6.22), ki ga ima naš preskušani elektromotor. S tem smo lahko preverili, ali se numerični izračuni (emlook) in meritve neposredno priključenega elektromotorja (vir sinusne napetosti), ujemajo. Izračun smo izvedli za ( f = 50 Hz, UN = 400 V, PN = 11 kw) dvoplastno zankasto navitje s korakom 1-9. Nato smo spremenili korak navitja za kombinirano koncentrično navitje 1-7,9 (slika 6.23) in 1-8,10 (slika 6.24). Pri vseh izračunih smo naredili še primerjavo poševnosti kletke za primer poševljenja 1/28 in 1/36 in opazovali vpliv na višje harmonske komponente polja zračne reže. Rezultate smo podali v tabeli 6.4. Izračune v programu smo za dvoplastno zankasto navitje s korakom 1-9 naredili še za frekvenco napajanja f = 35 Hz in f = 65 Hz. Rezultate primerjave med meritvami (vir sinusne napetosti) in numeričnimi izračuni (emlook) smo podali v tabeli Teoretično ozadje programa emlook Program emlook, v katerem smo izvajali izračune, ima v ozadju določene metode in postopke za reševanje nelinearnih enačb, parcialnih diferencialnih enačb, ipd. Ena izmed metod, ki se uporablja, je tudi Newton-Raphsonova metoda. Prav tako pa program za iskanje rešitev (npr. izračun magnetnega polja) uporablja metodo končnih elementov. Newton-Raphsonova metoda Newton Raphsonova metoda je metoda za reševanje sistemov nelinearnih enačb. Sistem po navadi zapišemo v splošni obliki: f ( x, x,..., x ) n f ( x, x,..., x ) 0 n 1 2 n (6.1) f( x) 0 (6.2) f vektorska funkcija s komponentami: f1, f2,, fn x vektorska funkcija s komponentami: x1, x2,, xn,[15] 87

105 Newton-Raphsonovo metodo za reševanje ene nelinearne enačbe lahko privedemo na sistem reševanja nelinearnih enačb. Da pridemo do takšnega nastavka, moramo sistem (6.1) zapisati s Taylorjevo vrsto okoli točke oziroma s pomočjo krajšega zapisa (6.4) [15]. n (0) (0) (0) 1 (0) n n j j j1 xj n (0) (0) (0) n (0) n ( 1, 2,..., n ) n ( 1, 2,..., n ) j j j1 xj (0) x j (j = 1,,n) s pomočjo nastavka (6.3) f f ( x, x,..., x ) f ( x, x,..., x ) x x... zanemarimo 0 f f x x x f x x x x x... zanemarimo 0 (6.3) f f f x x... x f x x x n n f f f x x... x f x x x n n n 1 2 n n 1 2 n (6.4) (0) xj xj xj, j 1,..., n (6.5) Sedaj smo sistem (6.1) pretvorili v sistem linearnih enačb (6.4). Torej, da pridemo do rešitve enačbe (6.1), je potrebna iterativna pot. Parcialne odvode lahko združimo v matriko, ki jo imenujemo Jacobijeva matrika J, neznanke pa v vektor x (x1,x2,,xn) (6.6). Ne smemo pa pozabiti, da problem rešujemo iteracijsko (k+1,k). Enačbo (6.4) lahko sedaj zapišemo v končni obliki (6.7) [15]. f f f... x x J x x x x x fn fn fn... xn x k+1 n x k 1 x2 x n x1 x2 x n x 2 x 2, k+1, k, k+1 k+1 k k k+1 k (6.6) J x x f x (6.7) V tekoči iteraciji nastopi neznanka v obliki vektorja, razlik vektorjev neznank v dveh zaporednih iteracijah, v bistvu imamo sistem linearnih enačb (6.7) [15]. Sistem (6.7) lahko rešimo s pomočjo poljubnih metod za reševanje linearnih enačb. Seveda pa lahko sistem rešimo z obliko enačbe (6.8) [15]. 88

106 1 x J x f x (6.8) k+1 k k Tako smo z enačbo (6.8) dobili enkratno rešitev, kar pa še ni rešitev sistema (6.1). Razlog je v nelinearnosti, saj moramo postopek ponavljati tako dolgo, da dosežemo konvergenčni pogoj (konvergenca ) (6.9). Pred tem pa še izračunamo novo vrednost približka (6.10), ki ga potrebujemo za razliko xk+1 in ugotavljanje konvergenčnega pogoja [15]. x (6.9) k+1 p 1 x x x x J x f ( x ) (6.10) k+1 k k+1 k k k Metoda končnih elementov Metoda končnih elementov (MKE) spada med variacijske metode. Uporabljamo jo lahko za reševanje parcialno diferencialnih enačb, kot tudi za reševanje integralnih enačb. Osnova MKE je, da kompleksno področje razdeli na manjše preproste sestavne dele, ki jih imenujemo končni elementi. Ta postopek imenujemo diskretizacija. Zraven diskretizacije je pomembna tudi postavitev mreže končnih elementov. Vsakemu elementu nato zapišemo enačbo za izračun tiste veličine, ki nas zanima. Poissonova diferencialna enačba (6.11) lahko opisuje elektrostatično kot magnetostatično polje. Da lažje opišemo MKE vzemimo enačbo (6.11) za primer [15]. Poissonovo enačbo (6.11) najprej s postopkom variacije formulacije na iskanje minimuma prevedemo v drugi na enačbo (6.12). Postopek lahko prevedemo tudi s pomočjo metode utežnih ostankov [15]. Au Bu G ku g (6.11) xx yy Reševanje z enačbo 6.2 izvedemo na določenem številu končnih elementov (KE), ki pa imajo po n vozlišč. Kadar imamo 2D problem, imamo opravka z geometrijskimi liki, kadar pa imamo 3D problem, pa imamo opravka z geometrijskimi telesi [15]. S u W ( ku g) ds 0 k ( Wu Wg) d S k W d = 0 n (6.12) S 89

107 V sami notranjosti elementa se predpisano z interpolacijsko funkcijo spreminja u (6.13). Za 2D primer je N(x,y) za 3D pa N(x,y,z). Prav tako se enako spreminja vozliščna vrednost uj, n in j = 1. Spremenljivka n pa je število vozlišč v KE [15]. n u N u (6.13) j1 j j Sedaj vstavimo enačbo (6.13) v enačbo (6.12). Upoštevati moramo za 2D W(x,y) = N(x,y). Dobimo enačbo (6.14) za splošno vozlišče i [15]. u k N N u ds N g ds k N 0 n Ne n e i j j i e e i e1 S j1 e Se (6.14) Vsa vozlišča mreže končnih elementov zapišemo z enačbo (6.14) z upoštevanjem robnih pogojev. Ob seštevku vse prispevkov elementov (6.14) zapišemo sistem algebraičnih enačb (6.15), ki je rešljiv z znanimi metodami [15]. S u D MKE MKE (6.15) Rešitev (6.15) dobimo s vrednostjo funkcije u (x,y) v vseh vozliščih MKE (6.16). Vmesne vrednosti pa lahko izračunamo s (6.13) [15]. u S 1 D (6.16) MKE MKE 90

108 6.6.2 Rezultati izračunov in primerjava z meritvami Iz rezultatov v tabeli 6.4 lahko vidimo, da ima dvoplastno zankasto navitje s korakom 1-9 in poševnostjo palic kratkostične kletke 1/28 vrednost THD_B = 29,88 % in THD_B*Fpos = 10,114 %. THD brez poševnosti je najnižji (29,583) v primeru, če bi uporabili kombinirano koncentrično navitje s korakom 1-7,9. Najnižja vrednost THD s faktorjem poševnosti pa je v primeru dvoplastnega zankastega navitja s korakom 1-9 in faktorjem poševnosti kletke 1/36. V tabeli 6.5, ki prikazuje razliko rezultatov dobljenih z meritvami in programskim paketom emlook, so razlike rezultatov zadovoljive. Razlika izkoristka pri f = 50 Hz je manj kot 1,5 %. Podobno je pri ostalih frekvencah in ostalih električnih veličinah. Tabela 6.4: Primerjava rezultatov višjih harmonskih komponent polja zračne reže s faktorjem poševnosti (Fpos ) in brez, za različna navitja in različne poševnosti palic kratkostične kletke pri f = 50 Hz. Navitje Poševnost kletke THD_B (%) THD_B*Fpos (%) Dvoplastno zankasto navitje; korak 1-9 Kombinirano koncentrično navitje; korak 1-7,9 Kombinirano koncentrično navitje; korak 1-8,10 pos. 1/ pos. 1/ pos. 1/ pos. 1/ pos. 1/ pos. 1/

109 Tabela 6.5: Primerjava rezultatov dobljenih z meritvami (vir sinusne napetosti) in rezultatov dobljenih z analitičnimi izračuni (emlook). f (Hz) U (V) I (A) P s (W) PF M (Nm) n (min -1 ) P o (W) η motorja P i (W) Meritev ,9 21, ,843 72, , , ,3 emlook , ,7 0,864 72, , , ,8 Meritev ,9 21, ,831 71, , , ,8 emlook , ,9 0,847 71, , , ,5 Meritev ,9 20, ,865 55, , , ,1 emlook , ,89 55, , ,8 Meritev ,6 28, ,852 73, , , ,8 emlook , ,7 0,881 72, , , ,4 Nazivni izkoristek elektromotorja η = 0,83. Slika 6.22: Trifazno dvoplastno zankasto navitje, korak 1-9 in vzbujalna krivulja. 92

110 Slika 6.23: Trifazno kombinirano koncentrično navitje, korak 1-7,9 in vzbujalna krivulja.. Slika 6.24: Trifazno kombinirano koncentrično navitje, korak 1-8,10 in vzbujalna krivulja. 93

111 7 SKLEP V izračunih vseh popisanih elektromotorjev nad 15 kw smo ugotovili, da je poraba električne energije ,36 kwh/leto oziroma ,42 EUR/leto. Prihranek ob menjavi obstoječih elektromotorjev z energetsko učinkovitimi elektromotorji razreda IE3 bi znašal ,45 kwh/leto oziroma ,27 EUR/leto. Prihranek elektromotorjev večjih moči pri dejanskih obremenitvah znaša ,42 kwh/leto ali ,19 EUR/leto. Povprečen prihranek posameznega elektromotorja večjih moči pa znaša 2000 EUR/leto. Opravljen je bil izračun vračilne dobe elektromotorjev večjih moči. Povprečna vračilna doba elektromotorjev znašala 4 leta. V primeru izposojenega kapitala in 5 % obrestne mere se vračilna doba poveča za pol leta. Prihranimo lahko kar nekaj energije in hkrati zmanjšamo emisije ogljikovega dioksida, ki nastanejo pri proizvodnji električne energije. Pri posameznem elektromotorju je to lahko ,03 kgco2/leto. Pri izvajanju meritev smo za izkoristek asinhronskega motorja, ki je bil neposredno priključen in asinhronskim motorjem, ki je bil napajan s frekvenčnim pretvornikom ter sinusnim filtrom, prišli do ugotovitev, da je njuna razlika manjša kot 1,5 %. Do takšne razlike verjetno prihaja zaradi pogreška pri meritvi moči. Razlika izkoristkov je minimalna v primeru elektromotorja napajanega s frekvenčnim pretvornikom s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra. Z meritvami smo opravili primerjavo izkoristka pogona med frekvenčnim pretvornikom s sinusnim filtrom in brez sinusnega filtra, ki znaša 0,1 %. Izkoristek pogona smo merili z dvema različnima analizatorjema moči. Ugotovili smo, da je njuno razhajanje 1 %, kar je lahko posledica razlike izkoristkov pogona. Z orodjem emlook smo izvedli analitične in numerične izračune našega elektromotorja in jih primerjali z meritvami neposredno priključenega elektromotorja. Rezultati analitičnih izračunov niso bistveno odstopali od rezultatov meritev. Z orodjem emlook smo spreminjali statorska navitja ter poševnosti palic kratkostičnih kletk in dobili rezultate vpliva na višje harmonske komponente polja zračne reže. Najnižjo vrednost višjih harmonskih komponent z upoštevanjem faktorja poševnosti bi dobili z uporabo kombiniranega koncentričnega navitja s korakom 1-7, 9 ali skrajšanega dvoplastnega navitja s korakom 1-9 in poševnostjo kletke 1/36, tj. s poševnostjo za eno statorsko utorno delitev. 94

112 8 LITERATURA [1] Tomaž Fatur, Hinko Šolinc, Varčno z energijo pri elektromotornih pogonih, Institut Jožef Stefan, Center za energetsko učinkovitost, vodnik št. 2. [2] Motor efficiency labelling scheme. Internetni vir. Dostopno na: [ ] [3] Pogonska tehnika BAUER, Taler ing d.o.o. Internetni vir. Dostopno na: [ ]. [4] Vojko Berk, Borzen d.o.o., Značilnosti izkoristkov asinhronskih motorjev. 12. konferenca slovenskih elektroenergetikov. Portorož, [5] ABB, Tehnical note IEC standard on efficiency classes for low voltage AC motors. Internetni vir. Dostopno na: N% %20IEC _lowres.pdf [ ]. [6] Ivan Zagradišnik, Bojan Slemnik, Električni rotacijski stroji, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru. Maribor, [7] Cardel, klinasti jermen. Internetni vir. Dostop na: [ ]. [8] Gumitehna, zobato klinasti jermen. Internetni vir. Dostopno na: &grupa=055&id=05066 [ ]. [9] Cardel, klinasto zobati jermen. Internetni vir. Dostop na: [ ]. [10] Pravilnik o metodah za določanje prihrankov energije. Internetni vir. Dostopno na: [ ]. [11] Statistični urad RS za določanje cene električne energije v industriji. Internetni vir. Dostopno na: kolje/18_energetika/02_18175_cene_energentov/&lang=2 [ ]. [12] Damijan Miljavec, Peter Jereb, Električni stroji- temeljna znanja, Ljubljana

113 [13] Navodila za uporabo inštrumenta METREL, koda navodila [14] Ivan Zagradišnik, Miralem Hdžiselimović, Jože Ritonja, Bojan Slemnik, The emlook Software Package for the Analytical and Numerical Analyses of Electrical Machines. Revija: Przeglead Elektrotechniczny, 2010 vol. 85. [15] Standard SIST EN [16] Mladen Trlep, Numerične metode v elektrotehniki, zapiski predavanj. [17] Kolektor, izbira načina vodenja asinhronskega motorja. Internetni vir. Dostopno na: [ ]. [18] Miralem Hadžiselimović, navodila za laboratorijske vaje, električni in elektromehanski pretvorniki, 1. izdaja, Maribor

114 9 PRILOGE Priloga A 9.1 Kratek življenjepis Rojen: v Celju. Izobraževanje: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru (2. stopnja, močnostna elektrotehnika) Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru (1. stopnja, močnostna elektrotehnika) Srednja elektro računalniška šola Maribor (elektrotehnik - PTI) Šolski center Celje Srednja šola za kemijo, elektrotehniko in računalništvo (elektrikar energetik) Osnovna šola Rogatec 97

115 Priloga B Podatki dimenzij lamel statorja in utorov rotorske kletke proizvajalca Kienle&Spiess 98

116 Nazivni podatki elektromotorja MARATHON 99