ЗАШТЕДА НА ЕНЕРГИЈА СО ВЕНТИЛАТОРИТЕ ВО ЦЕНТРАЛНИОТ СИСТЕМ ЗА ЗАТОПЛУВАЊЕ ТОПЛИФИКАЦИЈА-ИСТОК - СКОПЈЕ

6. СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 4-6 октомври 2009 Иле Георгиев Македонски Телеком а.д. Скопје ЗАШТЕДА НА ЕНЕРГИЈА СО ВЕНТИЛАТОРИТЕ ВО ЦЕНТРАЛНИОТ СИСТЕМ ЗА ЗАТОПЛУВАЊЕ ТОПЛИФИКАЦИЈА-ИСТОК - СКОПЈЕ КУСА СОДРЖИНА Во системите за греење, вентилација и климатизација (HVAC - Heating, Ventilation and Air Conditioning) може да се заштеди многу енергија со користење на погони со променлива брзина. За само 20% пад на брзината на центрифугалните пумпи и вентилаторите може да се заштеди и до 50% енергија. Бидејќи, многу погони сеуште ги користат вообичаените механички уреди за контрола на протокот, разбирливо е да се гледат како потенцијал каде може да се заштеди енергија. Вообичаено, ваквите системи за централно греење работат со променлив дневен режим. При промена на температурата на водата во котелот, се менува дотурот на гориво, која промена мора да биде следена со промена на дотурот на воздух во горилникот, држејќи го нивото на кислород во соодветните граници. За оваа цел се користи погон на вентилатор. Многу погони на вентилатор користат вообичаено механичко управување со протокот на воздух, што е случај и во Топлификација-Исток кај два од трите погона. Како и да е, со користење на овој пристап, се користи значителна енергија а работниот век на опремата се скратува.. Многу подобар пристап е да се користи погон со променлива брзина на вентилаторите за промена на протокот на воздух за да се задоволат многу попрецизно барањата како резултат на промената на оптоварувањето. Кога вентилаторите работат со 80% од брзината користат само 50% од енергијата, споредбено со оние кои работат при целосна брзина. Сеуште многу вентилатори работат континуирано со целосна брзина, каде излезот се регулира со неефикасни уреди како што се крилца и вентили. Ако само за 20% се намали брзината на вртење на вентилаторот може да се заштеди енергија и до 50%. Применето на 110 kw мотор со континуирано работење, ќе значи многу заштедена енергија - на една единствена апликација. Пумпите и вентилаторите се најдобрите апликации за обнова со погони со променлива брзина. Најдобар начин за определување на трошковната ефикасност на потенцијалното осовременување со погон со променлива брзина е да се види за потребата од моќност при сите услови на работа, првин со, а потоа и без погон со променлива брзина. Овој труд ги презентира резултатите од практичните истражувања врз погони на вентилатор погонувани од 110 kw мотори, преку мерења на енергијата направени со и без енергетски преобразувач кој работи со линеарна V/f управувачка карактеристика, и соодветните заштеди на енергија користејќи го дневниот дијаграм на работа на погоните. Исто така обратено е внимание на влијанието на вишите хармоници врз моторот и врз напојната мрежа. Клучни зборови: Заштеда на енергија, вентилатор, енергетски преобразувач A1-10R 1/9

MAKO CIGRE 2009 A1-10R 2/9 1 ВОВЕД Во системите за греење, вентилација и климатизација (HVAC - Heating, Ventilation and Air Conditioning), електричните машини користат околу 40% од целокупната енергија која ја трошат севкупно електричните машини во сите видови на електромоторни погони. Протокот низ вентилаторите и пумпите честопати механички се контролира со вентили, што пак значи намалување на ефикасноста на системот. Подобар пристап би бил доколку се овозможи контролирање на протокот кај вентилаторите и пумпите со користење на енергетски преобразувач, прилагодувајќи ги напонот и фреквенцијата на моторот така да се задоволи барањето на оптоварувањето. Овој тип на системи постанува се повеќе застапуван од година во година, благодарение на заштедата на енергија која се постигнува со нивната примена. Енергетската ефикасност на асинхроната машина е релативно висока при оптимално оптоварување и брзина. Но, во многу случаи оптоварувањето не е оптимално. Вообичаена пракса при димензионирање на погонскиот систем е да се избере следниот расположив по големина мотор над пресметаниот лимит. Како резултат на ова, во многу случаи погонскиот систем се предимензионира и нема да работи оптимално. Дополнително, погонскиот систем кој се користи во HVAC апликациите честопати е зависен од временските услови и сезоните, па поголем временски период ќе работи со полесно оптоварување. Од голема важност е да се оптимизира енергетската ефикасност преку целиот работен режим. Истражувањето во областа на енергетската ефикасност потребно е да се насочи не само кон енергетскиот преобразувач, туку и кон асинхроната машина. Погоните со променлива брзина се дизајнирани за оптимална енергетска ефикасност. Без погон со променлива брзина, a.c.моторот работи со полна брзина за цело време. Погоните со променлива брзина овозможуваат брзината кај моторите кои ги погонуваат вентилаторите да биде неограничено варијабилна. Погоните работат така што фиксниот извор на напојување го претвараат во извор со променлив напон и фреквенција f како одговор на електричниот управувачки сигнал. Кога ова заедно ќе се примени на мотор кој погонува вентилатор, промената на фреквенцијата ќе кореспондира со промена на брзината на моторот. Во овј труд ќе се обидеме преку практичен прример да ја прикажеме енергетската ефикасност од примената на енергетскиот преобразувач за напојување на АМ кај регулиран погон на вентилатор, во однос на класичен начин на регулација на протокот со намалување на отворот од цевководот. За промена на протокот кај вентилатор се применуваат регулациони системи на пригушување, премостување, завртување на лопатките, како и регулација на бројот на вртежи. Со споредбена анализа се покажува дека технички убедливо најдобар начин за промена на протокот е регулацијата на бројот на вртежи. Овој начин на регулација на брзината на АМ е невозможен со класични решенија. Со интензивниот развој на енергетската електроника се создадени уреди познати како енергетски преобразувачи, со кои може да се менува брзината на вртење на асинхрониот кафезен мотор. Кога станува збор за големи моќности, заштедата на енергија е уште поголема, а инвестицијата се враќа за пократок временски период, посебно кога станува збор за повеќечасовен дневен режим на работа со поголем процент на работа со оптоварување под номиналното. Овде се разгледува само заштедата преку намалената потрошувачка на електрична енергија, додека пак индиректине бенефиции како што е зголемениот работен век на погонскиот систем не се предмет на анализа. Преку мерење на потрошената електрична енергија во одреден временски период кај погон на вентилатор во Топлификација-Исток во Скопје, ќе се обидеме да ја покажеме енергетската ефикасност од примената на фрекентниот регулатор во однос на класична регулација на протокот на воздух со затварање на статорските решетки. 2 ОПИС НА СИСТЕМОТ Мерењата се вршени кај погон на вентилатор на котел 4 (BKCM-40/2), во Топлификација-Исток. Со помош на овој вентилатор преку цевовод се дотура потребната

MAKO CIGRE 2009 A1-10R 3/9 количина на свеж воздух во котелот каде се врши согорување на течното гориво. Количината на дотурен воздух во единица време е всушност предмет на регулација. Погонскиот систем прикажан на слика 1, се состои од енергетски преобразувач, асинхрон кафезен мотор, вентилатор, цевовод и котел. Слика 1 Принципиелна шема на погон на вентилатор 2.1 Tехнички карактеристики на енергетскиот преобразувач Преобразувачот, тип 8200 Vector, е производ на фирмата Lenze. Во групата на 8200 Vector спаѓаат фамилија од производи со номинална моќност од 45 до 90 kw. Техничките карактеристики на енергетскиот преобразувач се: - номинална моќност P n = 90 kw - трифазен номинален напон U n = 400 V - номинална излезна струја I n = 171 A - максимална излезна струја I max = 221 A - излезна фреквенција f = 650 Hz - работни режими: V/f linear, V/f quadrate, vector control, torque selection. Преобразувачот е всушност напонски инвертор со константен напон во еднонасочното меѓуколо. Работи на принцип на широчинско импулсна модулација со V/f линеарен режим на работа. 2.2 Технички карактеристики на моторот Моторот е трифазен асинхрон 4-полен мотор со кафезен ротор, производ на фирмата Север - Суботица. Техничките карактеристики на моторот се: - номинална моќност P n = 110 kw - трифазен номинален напон U n = 380 V - номинална излезна струја I n = 204 A - номинален момент M n = 708 N m - моментот на инерција J = 3,5 kg m 2 - фактор на моќност cosφ = 0.87 - kоефициент на корисно дејство η = 93% - број на вртежи n n = 1485 min -1 - фреквенција f = 50 Hz

MAKO CIGRE 2009 A1-10R 4/9 - маса m = 800kg - тип ZK 315 S4, заштита P33, облик B3, изолација Е. I p / I n = 7; M max / M n = 2,4; M p / M n = 2,7; 2.3 Технички карактеристики на вентилаторот Вентилаторот е производ на Фабриката за производство на термички. млински и силосни уреди - Загреб, тип NXVS - 12,5. Техничките карактеристики на вентилаторот се: - проток Q = 57000 m3/h - моќност PN = 109 KS (80,12 kw) - број на вртежи n n = 1485 min -1 Од техничките карактеристики на енергетскиот преобразувач, моторот и вентилаторот може да се заклучи дека за изборот на големината на енергетскиот преобразувач пресудно значење имала номиналната моќност на вентилаторското коло. Вентилаторот и понатаму е погонуван од постоечкиот асинхрон мотор кој очигледно е предимензиониран, па за цело време на работа на вентилаторскиот погон ќе биде подоптоварен. 3 ПРАКТИЧНИ МЕРЕЊА Пред да биде инсталиран енергетскиот преобразувач, моторот кој го погонува вентилатор 4 се напојувал директно од мрежа со ѕвезда-триаголник изведба за стартување на моторот. Оваа врска се уште постои, така што беше искористена за да се направи споредбена анализа. Направени се мерења со и без енергетски преобразувач при различни режими на работа на моторот со промена на оптоварувањето. Во првиот случај кога моторот се напојува директно од мрежа, протокот на воздух се регулира со промена на отворот од цевководот преку промената на позицијата на статорските решетки. Додека пак во вториот случај, промената на протокот се регулира со промена на бројот на вртежи. Мерењата се правени со помош на тестен инструмент Eurotest 61557 mj 2086, производ на фирмата Metrel. Според препораките на производителот, кога станува збор за избалансиран трифазен енергетски систем, при ѕвезда тип на врска на оптоварувањето како и достапна неутрална точка, се користи само една W-метар метода. Доволно е да се измери моќноста на една фаза за да се пресмета вкупната моќност. Принципиелната мерна шема е прикажана на слика 2. Слика 2 Принципиелна мерна шема при симетричен Y-трифазен товар кога имаме достапна неутрална точка Активната моќност по една фаза ќе биде: P 1 = U L3 I L3 cosφ 1 ; Реактивната моќност е: Q 1 = U L3 I L3 sinφ 1 ; Вкупната моќност ќе биде P A1 = U L3 I L3, додека пак факторот на моќност е PF 1 = P 1 /P A1.

MAKO CIGRE 2009 A1-10R 5/9 Пресметката на вкупната моќност на трифазниот систем ќе биде: P tot = 3 P 1 Q tot = 3 Q 1 P Atot = 3 P A1 PF tot = P tot /P Atot = PF 1 Во случај на недостапна неутрална точка, или пак симетричен трифазен товар врзан во триаголник, може да се искористи неутралната точка на напојниот трифазен трансформатор, или пак да се симулира неутрална точка како на слика 3. Слика 3 Принципиелна мерна шема при симетричен Y-трифазен товар кога немаме достапна неутрална точка Во Топлификација-Исток има пет блока со парни котли, кај кои вентилаторите на двата блока се погонувани од високонапонски мотори, а на останатите три се со идентични нисконапонски 110 kw асинхрони 4-полни кафезни мотори, од кои еден од нив (вентилатор 4) е предмет на нашата анализа. Во зависност од температурните промени во текот на денот, постојано се врши промена на работниот режим кај сите котли, се со цел да биде задоволен потребниот температурен дневен дијаграм а притоа потрошувачката на ресурси да биде на минимално ниво, така што при повисоки надворешни температури дел од котлите се гасат а кај дел од нив се намалува интензитетот на работа. Намалување на интензитетот на работа всушност значи помал дотур на мазут за согорување, што пак значи потреба од помал дотур на свеж воздух од страна на вентилаторскиот погон. Ваквата контрола на протокот на воздух низ цевководот се врши од контролниот пулт полуавтоматски со промена на позицијата на статорските решетки при класичниот начин на регулација (вентилатори 2 и 3), или пак со регулација на бројот на вртежи кај вентилатор 4 погонуван од мотор кој се напојува од енергетски преобразувач. Просечен дневен дијаграм на работа на вентилаторот 4 е прикажан на слика 4.

MAKO CIGRE 2009 A1-10R 6/9 60000 50000 40000 30000 20000 10000 в ентилатор 4 (NM3/h) Linear 0 01:00 03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 Слика 4 Просечен дневен дијаграм на работа на вентилатор 4 За да можеме да направиме подобра споредбена анализа, мерењата ги правиме само на погонот на вентилатор 4. Прв случај е кога погонскиот мотор се напојува директно од мрежа, а вториот случај е кога истио мотор се напојува со енергетскиот преобразувач, при различни режими на работа. Зависноста на ангажираната моќност P од протокот на воздух Q, во двата разгледувани случаи е прикажана на слика 5. 10 9 8 7 6 5 3 2 1 P(kWh) 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 проток Q[Nm 3/h] 10 9 8 7 6 5 3 2 1 P(kWh) 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 проток Q[Nm 3/h] а. класична регулација б.регулација со енерг. преобразувач Слика 5 Графички приказ на зависноста на ангажираната моќност P од протокот на воздух Q Евидентно е дека колку одиме со помало оптоварување, толку повеќе имаме разлика во ангажираната моќност кај двата начини на регулација кои се предмет на анализата. Ангажираната моќност ќе биде значително помала во случај на регулација на протокот со помош на енергетскиот преобразувач. На слика 6 е прикажана ефикасноста на работата на погонот во двата случаја, т.е. зависноста на количината протекнат воздух за kwh потрошена електрична енергија (Nm3/kWh), во однос на протокот Q.

MAKO CIGRE 2009 A1-10R 7/9 800 700 600 500 400 300 200 100 Nm3/KWh 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 проток Q[Nm 3/h] 7000 6000 5000 4000 3000 2000 Nm3/KWh 1000 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 проток Q[Nm 3/h] а. класична регулација б.регулација со енерг. преобразувач Слика 6 Графички приказ на зависноста на количината протекнат воздух за kwh потрошена електрична енергија (Nm3/kWh), во однос на протокот Q Интересно е да се забележи дека во случајот со фреквентна регулација имаме многу поголема ефикасност на погонот при помал проток, кога оптоварувањето е помало од номиналното, што никако не е случај со класичниот начин на регулација, а голем удел во ова има и предимензионираниот асинхрон мотор. Од днвниот дијаграм на работа може да се види дека практично и да немаме режим на работа со проток помал од 40000 Nm3, така што во нашиот случај нема да бидат во целост искористени поволностите што ги нуди енергетскиот преобразувач при оптоварувања многу помали од номиналното. Од повеќекратните реализирани мерења во двата случаи, утврдената зависност на ангажираната моќност од протокот на воздух, како и од просечниот дневен дијаграм на работа на вентилатор 4, констатирана е просечната дневна потрошувачка на електрична енергија за максимум 18 работни часа на ден. Во првиот случај, при класична регулација, просечната дневна потрошувака на електрична енергија изнесува приближно 1335 kwh, а во случајот со фреквентна регулација изнесува околу 1167 kwh, што значи заштеда од речиси 168 kwh на ден. Земајќи ја предвид цената на електричната енергија, како и бројот на работни денови во грејната сезона се доаѓа до вредност од околу 2420 Евра заштеда годишно. Инвестицијата за инсталација на енергетски преобразувач од овој тип која изнесува околу 10000 Евра ќе се исплати за помалку од пет години. Освен заштедата на електрична енергија, друга придобивка од употребата на енергетскиот преобразувач е зголемување на работниот век на погонот поради намалувањето на електричните и механичките удари при нагли промени на оптоварувањето како и при залетувањето на моторот. Единствен недостаток е генерирањето на вишите хармоници према мрежа. Резултатите од направената хармониска анализа према мрежа, со и без енергетски преобразувач се прикажани на слика 7 и слика 8 соодветно. % 5 45,00 35,00 3 25,00 2 15,00 1 5,00 % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 I19 I21 r eden br oj na har moni kot 0 I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 I19 I21 r eden br oj na har moni kot а. Проток Q = 11000 Nm3/h б.проток Q = 54000 Nm3/h Слика 7 Хармониска анализа на струјните хармоници према мрежа при различно оптоварување со употреба на енергетски преобразувач

MAKO CIGRE 2009 A1-10R 8/9 12 12 10 10 8 8 % 6 % 6 2 2 I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 I19 I21 r eden br oj na har moni kot I1 I3 I5 I7 I9 I11 I13 I15 I17 I19 I21 r eden br oj na har moni kot а. Проток Q = 11000 Nm3/h б.проток Q = 54000 Nm3/h Слика 8 Хармониска анализа на струјните хармоници према мрежа при различно оптоварување без употреба на енергетски преобразувач Во случајот кога не се користи енергетски преобразувач, еминентно е присуството на основниот хармоник а останатите хармоници од повисок ред се занемарливи. При користење на енергетскиот преобразувач, посебно при број на вртежи многу помал од номиналниот, значајно е присуството на непарните струјни хармоници од повисок ред кои и те како ја загадуваат мрежата. Од хармониската анализа на страната на моторот при користење на енергетскиот преобразувач, значително е присуството на третиот и петтиот струен хармоник, но овде доаѓат до израз и третиот и петтиот напонски хармоник кои предизвикуваат пулзации при работата на моторот. 4. ЗАКЛУЧОК Релативно брзото враќање на почетната инвестиција при инсталација на енергетскиот преобразувач, преку намалената потрошувачка на електрична енергија е очигледно. Причина повеќе за вакви инвестиции е и трендот на раст на цената на електричната енергија како и нејзината се поголема дефицитарност. Намалена потрошувачка, значи намалено производство не електрична енергија, а сето ова е во насока на залагањето за почиста и поздрава животна околина. Постоечкиот асинхрон мотор покрај тоа што е предимензиониран, тој е стар со значително намален коефициен на корисно дејство, па најдобро решение би било тој да се замени со нов асинхрон мотор со висок коефициент на корисно дејство со номинална моќност која ќе биде соодветна на потребите на погонот. Со ова ќе имаме дополнителна заштеда на енергија бидејќи во поголем дел од работата тој ќе работи со номинално оптоварување или блиску до номиналното каде имаме највисок степен на искористување. Ова препорака се однесува и на истородните погони на вентилатор 2 и 3 во Топлификација, уште повеќе поради фактот што кај нив нема вградено енергетски преобразувач за регулација на брзината на вртење, поради што тие во моментот постојано работат со оптоварување помало од номиналното при што имаме намален степен на искористување, односно зголемена потрошувачка на електрична енергија. Најдобро е да при вградување на енергетски преобразувач се вградува и нов мотор со што нема значително да се зголеми инвестицијата а позитивните ефекти ќе бидат зголемени. 5. ЛИТЕРАТУРА [1] Animal de Almeida, Paolo Bertoldi, Werner Leonhard, Energy Efficiency Improvements in Electric Motors and Drives Springer - Verlag Berlin Heidelberg, 1997..

MAKO CIGRE 2009 A1-10R 9/9 [2] Slobodan Mircevski, Goce Arsov, D. Manov, M, Sarevski, Z. Andonov, G.Rafajlovski, D.Andonov, Rational Use of Electric Energy in AC Drives, VIII Konferencija za energetska elektronika Ee 95, pp. 45-53, Novi Sad 1995. Им искажувам голема благодарност на лугето кои ми помогнаа во реализацијата на овој проект како што се вработните во Топлификација а.д. Скопје, за овозможените услови да ги реализираме овие мерења во нивниот погон и да излезат во пресрет на сите потреби, сопствениците на Електролаб од Скопје за отстапениот тестен инструмент Metrel на користење со кои беа направени комлетно сите мерења, а пред се голема благодарност до мојот ментор, редовен професор д-р Слободан Мирчевски, за целосната стручна подршка и соработка во реализација на овој проект.