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 (Pel) oraz mechanicznej (Pm) w napędach elektrycznych (praca maszyny elektrycznej jako prądnica (1), silnik (2) i przetwornica (3)):

1) 2) 3) Każdy etap przetwarzania energii jest związany ze stratami energii, a ich minimalizacja jest elementem energooszczędności.

Pm Pel {turbina} ⇒ {prądnica} ⇒ {sieć elektryczna}

Pel Pm {sieć elektryczna} ⇒ {silnik} ⇒ { urządzenie robocze}

Pel1 Pm Pel2 {sieć el. (U1, f1)} ⇒ {silnik} ⇒ {prądnica} ⇒ {sieć el. (U2, f2)}

Przykłady napędów prostych (a) wytwarzanie energii elektrycznej (b) wytwarzanie energii mechanicznej Przykład złożonego napędu dużej mocy (walcarka – zgniatacz) 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

turbina generator

sprzęgło sieć energia mechaniczna

energia elektryczna

silnik urządzenie robocze

sprzęgło sieć

energia mechaniczna

energia elektryczna

sieć ac

sieć dc łączniki

wlewek

k.w.z.

S.S.

P.P.S.

P.P.S.

S.P.S

k.w.r.

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:

∑=∆i

ii IRP 2

Ri, Ii – rezystancja (zależna od temperatury i częstotliwości prądu elektrycznego) oraz prąd skuteczny i-tego uzwojenia

- efekt wypierania prądu ⇒ =>= RRR ~

• Straty mocy czynnej w elementach rdzeni maszyn prądu przemiennego:

- straty spowodowane histerezą: ⇒ fBcP mhh2≈∆

- straty spowodowane prądami wirowymi: ⇒ 22 fBcP mww ≈∆ ch, cw – współczynniki Bm – amplituda indukcji magnetycznej w danym elemencie f – częstotliwość

- zależność przybliżona (wzór Steinmetza) dla przebiegów sinusoidalnych:

3.12 fBcPPP mFewhFe ≈∆+∆=∆

- w ogólnym przypadku straty zależą od dt

dB

• Straty mocy w izolacji uzwojeń:

ϕtg2 fUcP iziz ≈∆ 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:

2

2

1 ωDPD ≈∆ (np. łożyska, wentylacja)

lub 2)(2

1 ω∆≈∆ DPD (np. wały pędne)

D – współczynnik dyssypacji ω - prędkość kątowa (lub względna prędkość kątowa ∆ω sąsiednich

elementów wirujących)

Bilans mocy, sprawność Bilans mocy

21, PP - moc dostarczona i przetworzona

mFeCu PPP ∆∆∆ ,, - straty mocy elektryczne, w żelazie, mechaniczne

mel PP , - moc pola elektromagnetycznego i mechaniczna Sprawność maszyny:

1

1

2

2

1

2

P

PP

PP

P

P

P i

i

∑∑

∆−=

∆+==η

CuP∆ - straty w uzwojeniach (najczęściej miedzianych lub aluminiowych) FeP∆ - straty w elementach ferromagnetycznych (prądy wirowe, histereza, dodatkowe) mP∆ - straty mechaniczne (tarcie w łożyskach, szczotkach, wentylacja)

Maszyna elektryczna

moc dostarczona (P 1)

(P 2) moc przetworzona

moc strat ( ∑∆P)

Prądnica

moc mechaniczna (P 1)

moc elektryczna (P 2)

∆PCu

∆PFe

∆Pm

Pel

Pm

Silnik

moc elektryczna (P 1)

(P 2) moc mechaniczna

użytkowa

∆PCu

∆PFe

∆Pm

Pel

Pm

Straty energii biernej w symetrycznych układach trójfazowych: warunek kompensacji:

silnik indukcyjny

Poślizg – s napięcie fazowe stoj. - Ufs

prąd stojana fazowy – Ifs(s) moment el-mag – Tel(s) sprawność - ηs(s) współczynnik mocy - cosϕs(s)

Ifs(s)

Uf

C

Ufs

sfsfs IUQ ϕsin3=

)4.0()cos/(

)(/1)cos1()/( 02

=≤−−

dopsfsfs

sfsfs tgIU

CIUϕ

ϕωϕ

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 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)

Wpływ kryzysu energetycznego na produkcję energii i dochód narodowy w USA na podstawie statystyki lat 1959-1990

Zale żność ceny energii wytworzonej (strategia SSM) oraz zaoszcz ędzonej (strategia DSM) od zapotrzebowania na energi ę

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)

Energia mechaniczna

użytkowa Źródło energii

elektrycznej Napęd

elektryczny

Straty energii elektrycznej

S – moc pozorna źródła (zapotrzebowanie mocy źródła) P1 – dostarczona moc czynna (zapotrzebowanie mocy nap ędu) P2 – u żytkowa moc mechaniczna η,cos ϕ - sprawno ść i współczynnik mocy nap ędu

ϕη cos2P

S =ϕcos1 SP =

−=∆ 11

2 ηPP

η12 PP =)cos,( ϕηU

Koszt strat mocy czynnej

−= 11

cz ηaCP (urządzenia

wysokosprawne)

Koszt strat energii biernej η

ϕtgbaCQ =

Koszt eksploatacji: QPo CCC += (urządzenia

energooszczędne) 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

))_1((1*)_(

)_(*)_()_( zyciaczasdyskontastopaenergiaonazaoszczedz

dyskontastopacjiimplementakosztCSE −+−

=

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 energooszcz ędnościowy w [TWh] silników HEM oraz napędów VSD w UE do 2015r.

Ogólny ko ńcowy potencjał redukcji emisji CO 2 w [MTPa] silników HEM oraz nap ędów VSD w UE do 2015r.

Procentowy udział sektorów przemysłowych w zu życiu 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):

−⋅⋅⋅=

ES

11

ηηTkPE N [kWh]

PN – 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 Sη - sprawność silnika standardowego

Eη - sprawność silnika energooszczędnego

Sprawność silników

Jeżeli:

inP - moc czynna pobierana przez silnik

outP - moc mechaniczna przekazana do urządzenia przez wał

outin PPP −=∆ - straty mocy czynnej całkowite w silniku to:

albo in

out

P

P=η

albo in

in

P

PP ∆−=η

albo PP

P

out

out

∆+=η

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.

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)

minimalne warto ści sprawno ści silników indukcyjnych niskonapi ęciowych 2p=4 dla klas eff3, eff2 i eff1

w zale żności od mocy znamionowej silnika [ kW]

Zwiększenie sprawności w silnikach wysokosprawnych (HEM)

Minimalizacja strat, np. poprzez:

a) projektowanie z wykorzystaniem metod optymalizacji

dopNmaX

C ηη ≥∈x

min

Cma, ηN – koszt materiałowy i sprawność znamionowa silnika, ηdop – z tabeli powyżej

Uwaga: Klasa eff2 = IE1, klasa eff1=IE2

b) nowe materiały (odlewanie klatek wirnika z miedzi zamiast aluminium)

Klasa IE3 ( Premium, wg normy NEMA Premium w USA)

Przykład skuteczno ści post ępowania optymalizacyjnego dla silnika wysokosprawnego SEE90L-4 o danych: (P N=1.5kW, 2p=4, f N=50Hz, U N=3x400V)

1 10 100

moc znamionowa [kW]

70

75

80

85

90

95

100

spra

wno

ść [

%]

eff3

eff2

eff1

nagroda IEA w 1999 dla ABB za doskonałość wykonaniasilnik AGH-INDUKTA

(350-50A) (470-50A)

granica współzawodnictwa IEA dla silników HE

zakres sprawności silników 1.5kW dla 14 producentów europejskich

granice klas sprawnościeff1, eff2, eff3

c) magnesy trwałe zamiast uzwojeń – przykład dla silnika synchronicznego z magnesami trwałym do rozruchu bezpośredniego (ang. LSPMSM) – możliwość uzyskania silników klasy IE4.

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

80 120 160 200 240 280material cost (PLN)

0.6

0.7

0.8

0.9

1

rate

d ef

fici

ency

and

pow

er f

acto

r

efficiency

power factor

1.0%PN mechanical, and 2.7% stray-load loss assumed

eff2(IE1)

eff1(IE2)

NEMA Premium (IE3) (IE4)

selected design

(?)

Krajowy program dopłat PEMP sponsorowany przez UE

TABELA WYSOKOŚCI DOPŁAT DO SILNIKÓW WYSOKOSPRAWNYCH

OBJĘTYCH PROGRAMEM PEMP Moc silnika (Pn)

Minimalna sprawność przy 2p=2

Minimalna sprawność przy 2p=4

Wysokość Dopłaty

Liczba silników 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

ηS=0.870 - sprawność silnika standardowego eff2 ηE=0.901 - sprawność silnika wysokosprawnego eff1

T=8600 h/rok - praca ciągła (np. pompa) k=0.75 - stopień obciążenia PN = 7.5 kW - moc znamionowa cen.cz.=0.2zł/kWh - cena 1 kWh energii czynnej CS=659zł - cena silnika standardowego CE≅1.3CS - cena silnika energooszczędnego

mies2.6

901.0

1

870.0

1860075.05.72.0

6593.012

1112]mies[

ES..

=

−⋅⋅⋅⋅

⋅⋅=

=

−⋅⋅⋅⋅

−⋅=

ηηTkPc

CCn

Nczen

SE

b) z rabatem wg PEMP - 52USD ≅ 150zł ⇒

mies5.1

901.0

1

870.0

1860075.05.72.0

1506593.012]mies[ ≅

−⋅⋅⋅⋅

−⋅⋅=n

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 – nN]: 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:

Potencjał energooszczędnościowy silników wysokosprawnych oraz napędów VSD w przemyśle

przyj ęte zało żenia do okre ślenia oszcz ędności w przemy śle

procentowa ilo ść silników w sektorach gospodarki, w których zastosowanie VSD jest uzasadnione ekonomicz nie

techniczny ekonomiczny potencjał energooszcz ędnościowy w przemy śle w UE w 2015r

w zale żności od mocy zainstalowanych silników

Potencjał energooszczędnościowy silników wysokosprawnychh oraz napędów VSD w pozostałych sektorach gospodarki

techniczny ekonomiczny potencjał energooszcz ędnościowy w przemy śle w UE w 2015r

w zale żności od rodzaju nap ędu

techniczny ekonomiczny potencjał energooszcz ędnościowy w pozaprzemysłowych sektorach gospodarki

w UE w 2015r w zale żności od mocy zainstalowanych silników

techniczny ekonomiczny potencjał energooszcz ędnościowy w pozaprzemysłowych sektorach gospodarki

w UE w 2015r w zale żności od rodzaju nap ędu