Energooszczędne silniki i napędy elektryczne

Energooszczędne silniki i napędy elektryczne w ramach Studium Podyplomowego: Temat 5: Efektywność energetyczna/ Smart grid Jaworzno, 2010 dr hab. inż. Wiesław Jażdżyński, prof. nadz. AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Katedra Maszyn Elektrycznych

I. Informacje wstępne Transformator urządzenie elektryczne do przetwarzania energii elektrycznej; typ energii nie ulega zmianie (w szczególności częstotliwość napięcia przemiennego); w przypadku idealnym nie zmienia się moc, a zmieniają się amplitudy napięć i prądów; nie ma ruchu elementów mechanicznych Maszyny elektryczne przetworniki elektromechaniczne służące do przemiany energii: a) Mechanicznej na elektryczną (generatory, inaczej prądnice). b) Elektrycznej na mechaniczną (silniki). c) Elektrycznej na elektryczną (przetwornice). Cechą charakterystyczną jest ruch obrotowy (maszyny wirujące) lub postępowy (maszyny liniowe) elementów mechanicznych. W przeciwieństwie do transformatorów przetwornice pozwalają zmienić częstotliwość napięcia. Ta sama maszyna elektryczna może pracować jako silnik lub jako generator, jednak maszyny projektowane do konkretnych zastosowań są efektywniejsze energetycznie. Klasyfikacja maszyn elektrycznych (przykłady): prądu przemiennego i stałego jednofazowe i wielofazowe (3-fazowe) bezkomutatorowe i komutatorowe z magnesami trwałymi i bez magnesów z polem magnetycznym i elektrycznym (piezoelektryczne) Napęd elektryczny złożony układ elektromechaniczny zawierający przynajmniej jeden silnik elektryczny i urządzenie robocze sprzęgnięte mechanicznie (praca silnikowa maszyny) lub źródło energii mechanicznej (np. turbina wodna, parowa, dieslowa, wiatrowa) oraz prądnicę elektryczną (praca generatorowa). Przepływ mocy elektrycznej (P el ) oraz mechanicznej (P m ) w napędach elektrycznych (praca maszyny elektrycznej jako prądnica (1), silnik (2) i przetwornica (3)): 1) P m P el {turbina} {prądnica} {sieć elektryczna} 2) P el {sieć elektryczna} {silnik} { urządzenie robocze} P m 3) P el1 P m P el2 {sieć el. (U 1, f 1 )} {silnik} {prądnica} {sieć el. (U 2, f 2 )} Każdy etap przetwarzania energii jest związany ze stratami energii, a ich minimalizacja jest elementem energooszczędności.

Przykłady napędów prostych (a) wytwarzanie energii elektrycznej energia mechaniczna sprzęgło sieć turbina generator energia elektryczna (b) wytwarzanie energii mechanicznej sieć sprzęgło energia elektryczna silnik energia mechaniczna urządzenie robocze Przykład złożonego napędu dużej mocy (walcarka zgniatacz) sieć ac S.S. P.P.S. P.P.S. sieć dc k.w.z. łączniki k.w.r. S.P.S wlewek oznaczenia: S.S. silnik synchroniczny, P.P.S. prądnice prądu stałego, S.P.S. silnik prądu stałego, k.w.z. klatka walców zębatych (przekładnia), k.w.r klatka walców roboczych, ac sieć trójfazowa

Straty w maszynach i napędach elektrycznych Straty część energii dostarczonej do układu, która ulega nieodwracalnej przemianie w ciepło, a następnie rozproszeniu Ogólna zasada: (mniejszy koszt urządzenia) => (większe obciążenia elementów wewnętrznych) => (wyższe temperatury + większe straty) => (mniejsza niezawodność i czas życia urządzenia). Źródła strat (na przykładzie silnika indukcyjnego) Składniki strat: Straty mocy czynnej w uzwojeniach: P = i R i I i R i, I i rezystancja (zależna od temperatury i częstotliwości prądu elektrycznego) oraz prąd skuteczny i-tego uzwojenia - efekt wypierania prądu R = R~ > R= 2

Straty mocy czynnej w elementach rdzeni maszyn prądu przemiennego: - straty spowodowane histerezą: P c B f - straty spowodowane prądami wirowymi: h 2 h m w P c w B 2 f c h, c w współczynniki B m amplituda indukcji magnetycznej w danym elemencie f częstotliwość - zależność przybliżona (wzór Steinmetza) dla przebiegów sinusoidalnych: 1.3 P = P + P c B 2 f db - w ogólnym przypadku straty zależą od dt Fe h w Fe m m 2 Straty mocy w izolacji uzwojeń: P iz c iz U 2 f tgϕ U napięcie na izolacji f częstotliwość napięcia (dla napięć przemiennych) ϕ - kąt stratności dielektryka Straty mechaniczne - tarcie wewnętrzne, strukturalne - dla typu wiskotycznego i modelu liniowego: lub 1 Dω 2 2 1 D( ω) 2 PD (np. łożyska, wentylacja) 2 P D (np. wały pędne) D współczynnik dyssypacji ω - prędkość kątowa (lub względna prędkość kątowa ω sąsiednich elementów wirujących)

Bilans mocy, sprawność Bilans mocy Maszyna elektryczna Prądnica Silnik moc dostarczona (P 1 ) moc mechaniczna (P 1 ) moc elektryczna (P 1 ) P m moc strat ( P) P m P el P el P Cu P Fe (P 2 ) moc przetworzona P Fe P Cu P m moc elektryczna (P 2 ) (P 2 ) moc mechaniczna użytkowa P m P 1, P 2 - moc dostarczona i przetworzona P P, P Cu, - straty mocy elektryczne, w żelazie, mechaniczne Fe m P el, P m - moc pola elektromagnetycznego i mechaniczna Sprawność maszyny: η = P2 P 1 = P 2 P + 2 P i = P 1 P 1 P i P Cu - straty w uzwojeniach (najczęściej miedzianych lub aluminiowych) P Fe - straty w elementach ferromagnetycznych (prądy wirowe, histereza, dodatkowe) wentylacja) P m - straty mechaniczne (tarcie w łożyskach, szczotkach,

Straty energii biernej w symetrycznych układach trójfazowych: Q = 3U fs I fs sinϕ s I fs (s) C silnik indukcyjny Poślizg napięcie fazowe stoj. prąd stojana fazowy moment el-mag sprawność współczynnik mocy s - U fs I fs (s) T el (s) - η s (s) - cosϕ s (s) U fs U f warunek kompensacji: ( U fs / I fs ) (1 cosϕs ) 1/( ω0c) ( U / I )cosϕ fs fs 2 s tgϕ dop ( = 0.4)

Geneza koncepcji energooszczędności Początek działań- po kryzysie energetycznym na początku lat 70-tych ub. wieku w USA, po spostrzeżeniu, że przyrost PKB jest możliwy bez wzrostu produkcji energii elektrycznej Wpływ kryzysu energetycznego na produkcję energii i dochód narodowy w USA na podstawie statystyki lat 1959-1990 Koncepcja planowania wg najmniejszych kosztów (Least Cost Planning, LCP) Efektem analizy podaży i popytu energii oraz związanego z nim Zintegrowanego Planowania Energetycznego (IRP) było powstanie koncepcji Planowania wg. Najmniejszych Kosztów (LCP) Zależność ceny energii wytworzonej (strategia SSM) oraz zaoszczędzonej (strategia DSM) od zapotrzebowania na energię

Pojęcie Zintegrowanego Planowania Energetycznego (Integrated Resource Planning, - IRP) a) zarządzanie podażą Supply-Side Managemet ( SSM ) zarządzanie produkcją i dystrybucją energii, głównie na drodze inwestycyjnej c) zarządzanie popytem Demand-Side Management ( DSM ) zarządzanie zasobami uwolnionymi po stronie popytu oraz procesem uwalniania zasobów; energooszczędność efekt: uniknięcie, odsunięcie w czasie lub zminimalizowanie inwestycji po stronie podaży Koncepcja urządzeń wysoko-sprawnych i energo-oszczędnych ( w przypadku silników elektrycznych: a) wysokosprawne (High Efficiency Motors HEM) b) energooszczędne (Energy Efficient Motors EEM) Źródło energii elektrycznej Napęd elektryczny Energia mechaniczna użytkowa P S = 2 η cosϕ P 1 = S cosϕ U ( η,cosϕ) P 2 = P 1 η Straty energii elektrycznej 1 P = P 1 2 η S moc pozorna źródła (zapotrzebowanie mocy źródła) P 1 dostarczona moc czynna (zapotrzebowanie mocy napędu) P 2 użytkowa moc mechaniczna η,cosϕ - sprawność i współczynnik mocy napędu

Koszt strat mocy czynnej wysokosprawne) Koszt strat energii biernej Koszt eksploatacji: energooszczędne) 1 = a c 1 z η C P (urządzenia C Q = o a b P tgϕ η C C + C = (urządzenia Q Potencjał energooszczędnościowy (CSE) a) techniczny wszystkie silniki i napędy są wymienione na energooszczędnościowe, niezależnie od względów ekonomicznych b) ekonomiczny wymiana tylko w przypadkach uzasadnionych ekonomicznie CSE = ( koszt _ implementacji) * ( stopa _ dyskonta) ( zaoszczedzona _ energia) *(1 (1 + stopa _ dyskonta) ( czas _ zycia) ) koszt implementacji = koszt sprzętu i jego instalacji Jeżeli CSE < (koszt energii) wymiana jest opłacalna Główne elementy działań: silniki energooszczędne, głównie indukcyjne (HEM) zawsze mają potencjał ekonomiczny napędy ze sterowaną prędkością (VSD) dla małych mocy mogą być ekonomicznie nieefektywne inne elementy (dobre projekty systemów zasilających, wysoko-sprawne urządzenia końcowe, efektywna transmisja energii, wysokiej jakości naprawy i konserwacja i.t.d.)

Prognozy zużycia energii elektrycznej w UE do 2015r w przemyśle 721TWh w pozostałych sektorach - 242TWh Ogólny potencjał energooszczędnościowy w [TWh] silników HEM oraz napędów VSD w UE do 2015r. Ogólny końcowy potencjał redukcji emisji CO 2 w [MTPa] silników HEM oraz napędów VSD w UE do 2015r. Procentowy udział sektorów przemysłowych w zużyciu energii elektrycznej w UE do 2015r

Znaczenie silników indukcyjnych w przetwarzaniu energii Tabela 1. Udział silników indukcyjnych w przetwarzaniu energii elektrycznej na mechaniczną Źródła energii Wykorzystanie Udział węgiel ropa gaz en. atomowa słońce wiatr pływy en. chemiczna En. elektr. (E) oświetlenie 1/3E grzejnictwo en.mechan. 2/3E silniki elektryczne silniki indukcyjne > 50% E Znaczenie koncepcji energooszczędności na przykładzie dwóch systemów pompowych, (a) klasycznego, sprawność 31%, oraz (b) - z napędem VSD (Variable Speed Drive) i elementami energooszczędnymi, sprawność 72%

Silniki wysokosprawne (HEM) uzyskanie efektu energooszczędnościowego - głównie poprzez zmniejszenie strat silnika (silnik standardowy) => (silnik wysokosprawny) zwiększenie sprawności (2-8)% zwiększenie ceny (20-30)% Efekt ekonomiczny (oszczędność w kwh): 1 1 E = P N k T [kwh] η S η E P N moc znamionowa silnika [kw] T średni czas pracy silnika w roku [h] k - średnie (w czasie T ) względne obciążenie silnika w stosunku do jego mocy znamionowej ηs - sprawność silnika standardowego η - sprawność silnika energooszczędnego E Sprawność silników Jeżeli: P in - moc czynna pobierana przez silnik P out - moc mechaniczna przekazana do urządzenia przez wał P = - straty mocy czynnej całkowite w silniku to: albo albo albo P in P out η = P P out in η = η = Pin P Pin Pout P + P out

Do 2008r: Brak ujednolicenia pojęcia sprawności na świecie, przykład dla 2 silników Wyznaczona sprawność [%] norma silnik 5.5 kw silnik 15 kw amerykańska (IEEE 112, metoda B) 80.3 86.9 kanadyjska (CSA C390) 80.3 86.9 międzynarodowa (IEC 34-2) 82.3 89.4 brytyjska (BS-269) 82.3 89.4 japońska (JEC-37) 85.0 90.4 Potencjał energooszczędnościowy silników wysokosprawnych (HEM) wynikało z porozumienia CEMEP KE, w wyniku którego powstały trzy klasy silników wysokosprawnych: eff3 (Class-III), eff2 (Class- II), eff1 (Class_I) do 2008r. minimalne wartości sprawności silników indukcyjnych niskonapięciowych 2p=4 dla klas eff3, eff2 i eff1 w zależności od mocy znamionowej silnika [kw] Nowe normy W roku 2008: IEC 60034 30. Edition 1.0 2008 10 IE1 standard, = EFF2 (CEMEP/UE) IE2 high-efficiency, = EFF1 (CEMEP/UE, oraz EPAct/USA) IE3 Premium, = NEMA Premium/USA IE4 Super Premium (jeszcze nie zdefiniowano)

Zwiększenie sprawności w silnikach wysokosprawnych (HEM) Minimalizacja strat, np. poprzez: a) projektowanie z wykorzystaniem metod optymalizacji min x X C ma η N η C ma, η N koszt materiałowy i sprawność znamionowa silnika, η dop z tabeli powyżej Uwaga: dop Klasa eff2 = IE1, klasa eff1=ie2 100 95 nagroda IEA w 1999 dla ABB za doskonałość wykonania silnik AGH-INDUKTA (350-50A) (470-50A) eff1 sprawność [%] 90 85 80 75 eff3 eff2 granice klas sprawności eff1, eff2, eff3 granica współzawodnictwa IEA dla silników HE zakres sprawności silników 1.5kW dla 14 producentów europejskich 70 1 10 100 moc znamionowa [kw] Przykład skuteczności postępowania optymalizacyjnego dla silnika wysokosprawnego SEE90L-4 o danych: (P N =1.5kW, 2p=4, f N =50Hz, U N =3x400V) b) nowe materiały (odlewanie klatek wirnika z miedzi zamiast aluminium) Klasa IE3 ( Premium, wg normy NEMA Premium w USA)

c) magnesy trwałe zamiast uzwojeń przykład dla silnika synchronicznego z magnesami trwałym do rozruchu bezpośredniego (ang. LSPMSM) możliwość uzyskania silników klasy IE4. rated efficiency and power factor 1 0.9 0.8 0.7 0.6 eff2 (IE1) eff1 (IE2) NEMA Premium (IE3) (?) power factor (IE4) selected design efficiency 1.0%P N mechanical, and 2.7% stray-load loss assumed 80 120 160 200 240 280 material cost (PLN) Fakultatywne i obligatoryjne programy oszczędzania energii w napędach elektrycznych do 2008r. fakultatywne - zachęcanie do zastosowania napędów energooszczędnych poprzez wykazanie korzyści finansowych obligatoryjne nakaz administracyjny mała skuteczność programów fakultatywnych - tylko potencjał ekonomiczny - duży okres zwrotu nakładów inwestycyjnych - relatywnie wysoka cena przekształtników przykład dla Ameryki Północnej programy obligatoryjne potencjał ekonomiczny & techniczny USA - od 24 października 1997r. nakaz administracyjny bazujący na Energy Policy Act (EPAct 92) z 1992r. (wszystkie silniki trójfazowe ogólnego przeznaczenia muszą być energooszczędne sprawność i sposób jej wyznaczenia w normach) Kanada podobnie jak w USA Polska program PEMP przy wsparciu Unii Europejskiej : Polski Program Efektywnego Wykorzystania Energii w Napędach Elektrycznych (PEMP - Polish Energy Efficient Motor Programme) istnienie warunków technicznych i legislacyjnych Napędy proste (bez regulacji prędkości) Napędy regulowane VSD nie przewiduje się uruchomienia ogólnych programów oszczędzania energii decyzje indywidualne

Krajowy program dopłat PEMP sponsorowany przez UE TABELA WYSOKOŚCI DOPŁAT DO SILNIKÓW WYSOKOSPRAWNYCH OBJĘTYCH PROGRAMEM PEMP Moc silnika (Pn) Liczba Minimalna Minimalna Wysokość silników sprawność sprawność przy 2p=2 przy 2p=4 Dopłaty objętych programem kw ŋe / % / ŋe / % / USD szt. 0.75 80.00 81.00 16 1.10 82.80 83.80 17 1.50 84.10 85.00 18 2.20 85.60 86.40 20 3.00 86.70 87.40 25 4.00 87.60 88.30 35 5.50 88.50 89.20 47 7.50 89.50 90.10 52 Ilość silników w przedziale mocy od 0,75 do 7,5 kw 39 518 11.00 90.50 91.00 71 15.00 91.30 91.80 82 18.50 91.80 92.20 90 22.00 92.20 92.60 120 30.00 92.90 93.20 248 37.00 93.30 93.60 275 Ilość silników w przedziale mocy od 11 do 37 kw 2 629 45.00 93.70 93.90 330 55.00 94.00 94.20 360 75.00 94.60 94.70 400 90.00 95.00 95.00 420 110.00 95.20 95.20 440 132.00 95.40 95.40 450 160.00 95.60 95.80 490 Ilość silników w przedziale mocy od 45 do 160 kw 455 Łączna ilość silników objęta programem PEMP 42 602 CENY SILNIKÓW STANDARDOWYCH (eff2) w zależności od mocy [kw] LUTY 2006:

Przykład wyznaczenia okresu zwrotu kosztu dodatkowego dla silnika wysokosprawnego Sg132M-4 o mocy 7.5kW (planowanie nowej inwestycji) z wykorzystaniem systemu dopłat (2006r.) a) bez dopłaty η S =0.870 - sprawność silnika standardowego eff2 η E =0.901 - sprawność silnika wysokosprawnego eff1 T=8600 h/rok - praca ciągła (np. pompa) k=0.75 - stopień obciążenia P N = 7.5 kw - moc znamionowa c en.cz. =0.2zł/kWh - cena 1 kwh energii czynnej C S =659zł - cena silnika standardowego C E 1.3C S - cena silnika energooszczędnego CE CS n[mies] = 12 = 1 1 c en. cz. PN k T η S η E 0.3 659 = 12 = 6.2 mies 1 1 0.2 7.5 0.75 8600 0.870 0.901 b) z rabatem wg PEMP - 52USD 150zł 0.3 659 150 n [ mies] = 12 1.5 mies 1 1 0.2 7.5 0.75 8600 0.870 0.901

Elementy napędu ze sterowaną prędkością (ang. Variable Speed Drive, VSD) Idea falownikowego sterowania silnikiem indukcyjnym (układ otwarty): Najczęściej stosowany sposób generowania fali sinusoidalnej: sterowanie szerokością impulsu (ang. Pulse Width Modulation (PWM)technique) Idea sterowania prędkością obrotową w zakresie zmian [0 n N ]: Uwagi: prędkość obrotowa = c * Frequency, Voltage = napięcie skuteczne zasilające silnik Układ zamknięty wektorowego sterowania silnikiem indukcyjnym:

Oszczędność energii (redukcja strat (ozn. losses ) w VSD w czasie rozruchu (również układy soft-startu): a) zwykły silnik b) silnik ze zmianą liczby biegunów c) silnik w napędzie VSD oznaczenia: ( Stored kinetic energy = J(dω/dt) (energia kinetyczna wirujących części napędu) Stator losses, Rotor losses straty w stojanie i wirniku VSD losses straty napędu VSD Przykład możliwości oszczędności energii w napędzie windy:

Potencjał energooszczędnościowy napędów ze sterowaną prędkością (VSD) Możliwości oszczędności energii są większe niż w przypadku samych silników, ale zależą od rodzaju obciążenia. Z tego względu czasem nie można stosować. Analizy syntetyczne na zlecenie UE wykonano przy założeniach: przyjęte założenia do określenia oszczędności w przemyśle procentowa ilość silników w sektorach gospodarki, w których zastosowanie VSD jest uzasadnione ekonomicznie Potencjał energooszczędnościowy silników wysokosprawnych oraz napędów VSD w przemyśle techniczny ekonomiczny potencjał energooszczędnościowy w przemyśle w UE w 2015r w zależności od mocy zainstalowanych silników

techniczny ekonomiczny potencjał energooszczędnościowy w przemyśle w UE w 2015r w zależności od rodzaju napędu Potencjał energooszczędnościowy silników wysokosprawnychh oraz napędów VSD w pozostałych sektorach gospodarki techniczny ekonomiczny potencjał energooszczędnościowy w pozaprzemysłowych sektorach gospodarki w UE w 2015r w zależności od mocy zainstalowanych silników techniczny ekonomiczny potencjał energooszczędnościowy w pozaprzemysłowych sektorach gospodarki w UE w 2015r w zależności od rodzaju napędu