POHONY v ENERGETIKE - Otáčková regulácia

1. POHONYv ENERGETIKE -Otáčková regulácia KPE - Považská Bystrica – November 2007

2. Energetické úsporypri prevádzke meničov frekvencie

3. Spotreba elektrickej energie • Elektromotory • Významný podiel celkovej spotreby elektrickej energie

4. Spotreba energií • Zvyšovanie produkcie Slovenského priemyslu • Zvyšovanie výroby • Výroba náročná na el. energiu • Energeticky najnáročnejší • Rozvod vzduchu kompresormi • Rozvod vody a tepla čerpadlami

5. Riadenie pohonov- úspora energie • Najpoužívanejší elektromotor v praxi • Asynchrónny motor s kotvou nakrátko • Riadenie otáčok motora frekvenčným meničom • Zmena vlastností pohonu • Rozšírenie možností pohonu

6. Typy pohonov a poháňaných sústav • Kvadratická záťaž • Odstredivé čerpadlá • Ventilátory • Konštantná záťaž • Dopravník • Piestové čerpadlá • Dúchadlá • Záťaž s veľkým momentom zotrvačnosti • Zdvih, žeriavy, výťahy • Píly • Mlyny

7. Konštantná záťaž • Moment a príkon motora v závislosti od frekvencie pri konštantnej záťaži • Zníženie výkonu pohonu pri konštantnej záťaži a pri znížení otáčok

8. Kvadratická záťaž • Moment a príkon motora v závislosti od frekvencie pri kvadratickej záťaži • Zníženie výkonu pohonu pri kvadratickej záťaži a pri znížení otáčok

9. Úspory energie pri pohonoch ventilátorov • Príkon motora pri rôznych spôsoboch regulácie • Q’ = Q . ( n’ / n ) • P’ = P. ( n’ / n ) 3

10. Ventilátor - výpočet návratnosti investícií do otáčkovej regulácie • Analýza pôvodného stavu • Časová analýza chodu ventilátora • Časová a energetická analýza pôvodnej metódy regulácie • Výpočet spotreby energie pri používaní pôvodného riešenia

11. Ventilátor – pôvodný stav bez otáčkovej regulácie

12. Ventilátor – s otáčkovou reguláciou Teplota PID

13. Ventilátor - výpočet návratnosti investícií do otáčkovej regulácie • Návrh nového riešenia • Analýza požiadaviek a obmedzení regulácie • Dimenzovanie pohonu • Časová analýza chodu ventilátora pri použití navrhovaného riešenia • Výpočet spotreby energie pri používaní nového riešenia • Náklady na nové riešenie • Výpočet doby návratnosti nového riešenia vzhľadom na pôvodné riešenie

14. Ventilátor – návratnosť Doba návratnosti je menšia ako1 rok

15. Úspory energie pri pohonoch čerpadiel • Otáčková regulácia prietoku • Prietok pri otáčkach nižších ako nominálne • Energetické úspory pri otáčkach nižších ako nominálne • Spodná hranica regulácie • Minimálne otáčky • Automatické „parkovanie“ meniča • Automatické „štartovanie“ meniča

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

17. Možnosti regulácie pohonov čerpadiel a ventilátorov • Konštantný tlak • Konštantná tlaková diferencia • Konštantná výška hladiny • Regulácia nad nominálne otáčky • Plynulá regulácia bez tlakových rázov • Energetická optimalizácia • Kaskádne riadenie až 4 motorov

18. Regulácia AM veľkých výkonov Regulácia pomocou VN meničov frekvencie Regulácia pomocou NN meniča frekvencie a transformáciou na VN stranu Regulácia pomocou NN meničov frekvencie výhodné do výkonu 2MW

19. Riešiteľné nevýhody pri aplikácii FM Vplyv meniča na napájaciu sústavu Prepäťové špičky na vinutí motora Ložiskové prúdy motora Teplotné obmedzenia PTC snímače Účinník frekvenčného meniča 0.95 – 0.97 Zabezpečenie kritických stavov pohonu Ui = L. di / dt (pripájanie - odpájanie transformátorov)

20. Nežiadúce vplyvy frekvenčných meničov na napájaciu sústavu a ich eliminácia

21. Frekvenčný menič – štandardné prevedenie • Neriadený vstupný usmerňovač s filtráciou - odber vyšších harmonických prúdov • Riadený výstupný striedač fsw= 1,5–16 kHz • - vf rušenie do napájacej siete

22. Predpisy pre dodržanie EMC a obmedzenie rušení do siete • VF rušenia do napájacej siete • legislatíva • STN EN 61 800 - 3 • STN EN 55011 Odrušovací filter triedy A1 pre priemysel - Eliminácia rušivých napätí • Vyššie harmonické prúdov a napätí legislatíva • STN EN 61000-3-4 vstupné prúdy spotrebičov • nad 16 A • STN EN 61000-2-4 medze rušivých napätí vo • vedeniach • STN EN 61800-3 EMC norma pre meniče frekvencie

23. Vyššie harmonické- čo to je? • Prítomnosť vyšších harmonických v el. sieti • Základný ukazovateľ kvality – nekvality elektrickej energie • Stupeň deformácie napäťovej a prúdovej vlny

24. Celkové harmonické skreslenie THD prúdu

25. Nepriaznivý vplyv vyšších harmonických Chybná činnosť regulačných zariadení a ochrán Chybná funkcia HDO Prídavné straty na kondenzátoroch a rotačných strojoch Prídavný hluk motorov a iných zariadení Zníženie výkonu motorov, vznik „proti momentov“, vibrácie Zvýšené oteplenie napájacích káblov Prídavné činné straty Zhoršenie tepelného režimu spotrebičov Zníženie životnosti zariadení Vznik nežiaducich rezonančných javov v sieti Nárast chýb meracích a regulačných zariadení

26. Príslušenstvo pre dodržanie EMC a obmedzenie rušení • VF rušenia do napájacej siete • Produkujú spínacie prvky IGBT,GTO, .... • Eliminácia vf rušenia • Odrušovací filter triedy • Vyššie harmonické prúdov a napätí • Generuje každý neriadený usmerňovač princípom činnosti • Eliminácia vyšších harmonických prúdov a napätí • Komutačná tlmivka • Trap filter • 12 a 18 impulzný usmerňovač • Riadený usmerňovač • Aktívny filter

27. FM bez komutačnej tlmivky

28. FM s komutačnou tlmivkou Uk = 2%

29. Trap Filter

30. 12 impulzný usmerňovač

31. 12 imp. usmerňovač - harmonická analýza

32. Riadený usmerňovač rekuperačného meniča frekvencie

33. Riadený usmerňovač - vstupný prúd Štart - nábeh riadeného usmerňovača

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

35. Aplikácia PWM usmerňovača

36. Aplikácia PCF usmerňovača

37. Aktívny paralelný filter vyšších harmonických Výhody paralelného aktívneho filtra: - Jednoduché paralelné radenie jednej výkonovej jednotky - Veľmi nízke THD - Sínusový odber prúdu zo zdroja - Možnosť použitia na všetky druhy záťaže – kompenzačná jednotka

38. Zhrnutie vyšších harmonických Pre praktické meranie vyšších harmonických napätí, ktoré produkujú meniče frekvencie je v súčasnosti dôležité dodržanie úrovne harmonických prúdov uvedených v norme STN EN 6100-3-4. Tieto úrovne sa vzťahujú na meniče frekvencie nad 16 A. Súčet všetkých neharmonických prúdov, ktoré menič produkuje v porovnaní s prvou harmonickou nesmie prekročiť dovolené THD. Vplyv vyšších harmonických vplýva aj na káblové vedenia a pojednáva o nich STN EN 61000-2-4. Veľkosť úrovne je ešte daná triedou oblasti elektrickej sieti (1,2,3). Dôležitý je aj bod záujmu merania harmonických v sieťach rôznych napäťových úrovní (nn, Vn VVN). Pre určenie celkových príspevkov od zariadení produkujúcich vyššie harmonické slúžia pomerne zložité výpočty. K týmto výpočtom sú potrebné aj znalosti parametrov siete, rôzne koeficienty a nakoniec aj znalosti od úrovne harmonických napätie daného zariadenia. Cieľom všetkých opatrení je eliminácia vyšších harmonických priamo na zdroji – na zariadení, ktoré ich vytvára.

39. Úrovne harmonických napätí STN EN 61000-2-4

40. Triedy oblastí elektrickej sieti Kompatibilné úrovne – medze pre viac zdrojov harmonických. Preto je definovaný: napájací bod (Point of Coupling - PC): bod, v ktorom je uvažované o pripojení spoločný napájací bod (Point of Common Coupling - PCC): bod verejnej rozvodnej siete, v ktorom je alebo má byť pripojená vyšetrovaná sieť, napájací bod vnútri závodu (In-plant Point of Coupling - IPC): napájací bod vnútri vyšetrovanej siete alebo inštalácie. Trieda 1:ochrana napájania a má nižšie kompatibilné úrovne než úrovne verejných sietí. Je pre zariadenia citlivé na rušenie, napr. prístroje pre technologické laboratóriá, nemocnice, výpočtové strediská Trieda 2:pre PCC a IPC. Pre štandardné siete a verejné rozvodné siete (napr. aj kompenzačné kondenzátory) Trieda 3:len pre IPC. Aplikuje sa v prípade, ak je prevažná časť zaťaženia napájaná cez meniče frekvencie, ak sú prevádzkované zváračky, často sú rozbiehané veľké motory, zaťaženie sa rýchlo mení...

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