Ing. Naděžda Pavelková Potenciál úspor elektrické energie - regulované pohony October 11, 2010 Slide 1 3BHT490641R0001
Nabídka ABB s.r.o. Divize a portfolio produktů a služeb Výrobky pro energetiku Systémy pro energetiku Automatizace výroby a pohony Výrobky nízkého napětí Transformátory, zařízení pro rozvodny VN a VVN, vypínače, rozváděče, svodiče přepětí, rozváděče VN, přístrojové transformátory proudu a napětí VN, senzory Rozvodny, FACTS, HVDC, HVDC Light, elektrárny & automatizace sítí, rozváděče ochran a řídicích systémů pro rozvodny VVN a VN, kabelové systémy VVN Pohony, motory, frekvenční měniče, výkonová elektronika, opravy elektromotorů, roboty, kompletní robotizovaná řešení, poradenství a servis, výroba standardizovaných svařovacích buněk, oprava použitých průmyslových robotů Přístroje a rozváděče nízkého napětí, domovní elektroinstalační materiál, vypínače a odpojovače, inteligentní systémy elektroinstalace Procesní automatizace Řídicí systémy a komplexní dodávky automatizačních řešení, analytika a instrumentace, inženýring a servis pohonů, Operační centrum Česká republika October 11, 2010 Slide 2
Produkty pro Automatizaci Drives AP-D October 11, 2010 Slide 3
Ambasador pro úspory elektrické energie Školení October 11, 2010 Slide 4
Úhel pohledu: Ventilátory & úsporné žárovky! October 11, 2010 Slide 5
Spotřeba energie stále rostoucí požadavky Europe and North America 5.4% 26% China 94% 177% IEA forecast 2007-30 Růst spotřeby primárních energií Růst spotřeby elektrické energie M. East and Africa 89% 140% India 116% 261% October 11, 2010 Slide 6
Spotřeba energie Nutná změna: ekonomický růst x spotřeba energie a emise Jak toho dosáhnout: Redukování přímé úměry mezi ekonomickým růstem a spotřebou energie Redukování přímé úměry mezi ekonomickým růstem a emisemi Zvýšení účinnosti Obnovitelné zdroje energie October 11, 2010 Slide 7
Evropský potenciál úspor elektrické energie Zvýšení účinnosti optimalizací motorů 15% : 24 TWh / 11 Mtons CO 2 Regulace otáček motorů a další zvýšení účinnosti čerpadel, ventilátorů, kompresorů 85% : 157 TWh / 69 Mtons CO 2 80 Mtons CO 2 EUP směrnice vyžadují jen 50% tohoto potenciálu od pohonů October 11, 2010 Slide 9
Výhled Fosilní paliva se vyčerpají v tomto století předpověď pro ropu je rok 2050 Zásoby v podzemí jsou (optimistický výhled) (Oil & Gas Journal, World Oil) ropa = 32 years zemní plyn = 72 years uhlí = 252 years October 11, 2010 Slide 10
Potenciál pro zvýšení účinnosti a snížení spotřeby el. energie Příklad Japonska Amoung of electricity used to produce $1 of GDP Source: International Energy Agency, Key World Energy Statistics 2009 KWh 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Japan Germany Russia Brazil India US China Middle East World October 11, 2010 Slide 11
Jen 20% primární energie vytváří zisk Zbytek je na přeměnu, transport a neefektivní činnosti Primary energy Transport Generation T&D Industrial processes Industrial production Available energy 80% of energy is lost October 11, 2010 Slide 12
Snížení ztrát v energetickém řetězci Moderní technologie pomáhají ve všech stupních Primary energy Transport Generation T&D Industrial processes Industrial production Available energy Improved well efficiency Higher pipeline flows More efficient fuel combustion Lower line losses, higher substation efficiency ABB technologie může zdvojnásobit produktivitu Improved productivity More efficient motors & drives Process Automation Marine & pipelines Power plant automation Grid operation Process automation Drives & motors October 11, 2010 Slide 13
Efektivní využívání energie v průmyslu je důležité Více než 40% energie vyrobené na zemi je spotřebováváno v průmyslu. 65% elektrické energie v průmyslu je spotřebována elektrickými motory. Elektrický motor pracující v nepřetržitém provozu spotřebuje el. energii rovnající se nákladům na jeho pořízení již během prvních 8-12 týdnů nezávisle na jeho výkonu. Účet za elektřinu se pohybuje mezi 12.2% a 20% celkových provozních nákladů a stále se zvyšuje se stoupající cenou el. energie. October 11, 2010 Slide 14 * RWE Npower survey published in Utility Weekly16th March 2007
Efektivní využívání energie v průmyslu je důležité Pořizovací náklady tvoří jen 1% z celkových provozních nákladů během životnosti elektrického motoru Použití motoru s vyšší účinností tak významně redukuje jeho provozní náklady October 11, 2010 Slide 15
Spotřeba energie - elektrický motor Energie 97% Jedno převinutí 1% Pořizovací náklady 2% BU LV Motors October March 2010 11, 2010 Slide Slide 16 16
Ekonomika provozu el. motoru Celkové náklady. Spotřeba el. energie a servisní náklady Motory Typical s motor nižší účinností from other Motory s vyšší účinností Zisk se zvyšuje s každým dalším dnem provozu Návratnost menší než jeden rok Čas October 11, 2010 Slide 17
Motory s vyšší účinností Celková účinnost provozu Čtyři kroky k přidané hodnotě Motory pracují s nižším oteplením Tepl třída EFF High permeability steel reduce magnetic losses Increased amount of copper reduced copper losses Improved manufacturing techniques reduced heat and stress Motory s vyšší účinností a vysokou kvalitou použitých materiálů, konstrukčních prvků a technologií snižují provozní náklady Motory mají nížší hlučnost Hluk Reduced Iron, Rotor, Stator and copper losses Reduced wind age and friction losses Improved airflow Snížené namáhání Kvalita Provozní náklady Improved fan/cowl and bearing designs Improved balancing Improved bearings housing design Use of quality bearing / grease October 11, 2010 Slide 18
Nové schéma pro třídy účinnosti rok 2009 CEMEP spolu s IEC připravuje návrh na nové normy pro třídy účinnosti Committee Draft IEC 60034-30 Ed1 Cílem je celosvětová normalizace účinnostích tříd: v současné době se používají celosvětově různé normy (NEMA, EPACT, CEMEP, COPANT, AS/NZS, JIS, GB, ) je obtížné vyrábět motory, které by splňovali tyto normy po celém světě výkony: 0.75kW 370kW (t.j. ~98% trhu) Nové třídy : IE1 : Standard Efficiency (equivalent EFF2) IE 2 : High Efficiency (equivalent EFF1) IE 3 : Premium Efficiency (~1-3 point improvement on EFF1 levels) IE 4 : Super Premium Efficiency October 11, 2010 Slide 19
Nové účinnostní třídy dle IEC/EN 60034-30 Premium účinnost IE3 Premium Vyšší účinnost IE2 Srovnatelná s EFF1 Standardní účinnost IE1 Srovnatelná s EFF2 Také IE4 (Super Premium Efficiency), bude nad IE3 hodnoty budou definované. výkony: 0.75kW 370kW (t.j. ~98% trhu) October 11, 2010 Slide 20
Další vývoj dle EU MEPS Note! IE classes required by the regulation correspond to IE class defined in IEC/EN 60034-30 standard Fáze 1: Od 16. června, 2011 Fáze 2: Od 1. ledna, 2015 Motory musí mít min IE2 (ne IE1) Motory o výkonu 7.5 375 kw musí mít buď IE3 nebo IE2 pokud jsou napájené z měniče frekvence Fáze 3: Od 1. ledna, 2017 Motory o výkonu 0.75 375 kw musí mít buď IE3 nebo IE2 pokud jsou napájené z měniče frekvence October 11, 2010 Slide 21
Povinné označení IE na štítku motoru Od 16. června, 2011 povinně na štítku motoru: účinnost η (100%), η (75%), η (50%) při % zatížení a napětí U N Účinnost: IE2 nebo IE3 Rok výroby Example of the ABB s new rating plate October 11, 2010 Slide 22
Instalovaná báze motorů Typický příklad výrobního závodu Výkon kw 0.75-4 >4.0-15 >15-37 >37-75 Instalovaná báze % 58.8 26.4 9.1 2.9 Spotřebovaná energie % 4.8 10.4 12.7 12.7 >75-160 14.8% 84.4% 1.8 14.5 >160-355 >355-700 >700 0.7 0.2 0.1 15.8 13.4 15.7 Source: United States Industrial Motor Systems Market Opportunities Assessment, December 1998 October 11, 2010 Slide 23
Účinnost el. motorů - ELEKTRO 10_2008 October 11, 2010 Slide 24
Regulace motorů měniči frekvence Regulovaný výkon - snížení spotřeby Snížení spotřeby až 60 % Návratnost investice 6 až 18 měsíců Snížení nákladů na údržbu Měniči frekvence regulováno pouze asi jen 10 % motorů! October 11, 2010 Slide 25
Frekvenční měniče - princip U line U DC U out Supply L1 L2 L3 Rectifier DC link L + C - U d Inverter V1 V3 V5 V4 V6 V2 U1 V1 W1 Motor M 3 ~ Monitoring Control Control Electronics control, monitoring and communication October 11, 2010 Slide 26
Spouštění AC motorů DOL Y/D Proud Starting Current Star/Delta Softstartér D.O.L Frekvenční měnič Softstart FM otáčky October 11, 2010 Slide 27
Spouštění AC motorů frekvenční měniče Moment D.O.L T FM Softstart n Star/Delta Otáčky 1600 1600 1400 1400 1200 1200 Torque [Nm] 1000 800 600 Torque [Nm] 1000 800 600 400 400 200 200 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Speed [rpm ] Speed [rpm] max load cont loadability max loadability cont load max load neg max loadability neg max load cont loadability max loadability cont load max load neg max loadability neg FM kvadratic. zátěž. moment What is your actual cst? FM konstantní zátěž. moment October 11, 2010 Slide 28
Pohony s elektrickými motory Čerpadla jsou největšími spotřebiteli energie v průmyslu EU Ostatní Chladicí kompresory Ventilátory Čerpadla Kompresory vzduchové October 11, 2010 Slide 29
Příklad: regulace pohonů čerpadel škrcení bypassing (obtok) on/off regulace regulace otáček měniči frekvence October 11, 2010 Slide 30
Úspory - porovnání pro čerpadla (škrcení x měnič) October 11, 2010 Slide 31
Regulace škrcením x měničem frekvence Zdroj: Energy efficient motor driven systems, 2004, by European Copper Institute October 11, 2010 Slide 32
ABB výpočetní programy Snadné použití FanSave Úspory a návratnosti investic pro ventilátory PumpSave Úspory a návratnosti investic pro čerpadla Efficiency Tool Porovnání pohonů s vyšší a nižší účinností Energy Saving Tool Porovnání motorů s vyšší a nižší účinností October 11, 2010 Slide 33
Pump Save October 11, 2010 Slide 34
Teplárna Komořany October 11, 2010 Slide 35
Teplárna Komořany October 11, 2010 Slide 36
Porovnání VSE OČ 1 200 1 000 y = 3,542E-10x 2 + 1,448E-03x + 3,287E+02 R 2 = 9,575E-01 VSE OČ za měsíc v MWh 800 600 400 200 y = 7,048E-10x 2 + 6,618E-04x + 9,587E+01 R 2 = 8,160E-01 0 0 100 000 200 000 300 000 400 000 500 000 GJ do horkovodu za měsíc STARÁ OČ NOVÁ OČ Poly. (STARÁ OČ) Poly. (NOVÁ OČ) October 11, 2010 Slide 37
ELEKTRO 3/2008 October 11, 2010 Slide 38
Další rezervy jen proto, že 95% všech motorů je předimenzovaných! October 11, 2010 Slide 39
Co způsobí jen 10% rezerva? 300 250 Pressure 200 150 100 10% 50 0 1 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Flow October 11, 2010 Slide 40
Co způsobí jen 10% rezerva? 300 Original power requirement: 100x100 = 250 10 000 P.U. 200 New point: 110x136 = 15 000 P.U. Pressure 150 100 4 Fan is > 150% of nominal rating in power! 50 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1 2 Flow October 11, 2010 Slide 41
Za předpokladu, že typický pracovní bod je 80 180 Power Damper Ctrl Power VSD Ctrl Power Ideal Power 160 140 120 100 80 60 40 20 0 ZtrátyZtr ty! 0 20 40 60 80 100 120 Flow October 11, 2010 Slide 42
Další výhody elektrického regulovaného pohonu Měkký rozběh motoru Není překročen jmenovitý proud motoru Žádné násobky proudu při rozběhu Žádný pokles napětí v síti při rozběhu Žádný tepelný stres na motor při rozběhu Žádný limit počtu startů v časovém intervalu Výhody: Delší životnost motoru Méně údržby Menší poruchovost Variable Speed Drive October 11, 2010 Slide 43
Další výhody elektrického regulovaného pohonu Fluktuace napájecího napětí Měnič kompenzuje změny napájecího napětí typicky v rozsahu +/- 5% nebo dokonce +/-10% Bezpečný provoz s omezeným výkonem do poklesu napájecího napětí - 25% Překlenutí krátkodobých výpadků napájecího napětí při poklesu nebo ztrátě napájecího napětí může měnič pokračovat určitou dobu v provozu s využitím rotační energie poháněného zařízení 100% síťové napětí 90% 80% 75% Čas October 11, 2010 Slide 44 F-fluctuations Power factor
Další výhody elektrického regulovaného pohonu Menší spotřeba jalového výkonu Konstantní účiník v celém otáčkovém rozsahu s el. regulovaným pohonem s diodovým usměrňovačem: 0.95 up to 0.97 Úspora elektrické energie Snížení vlastní spotřeby October 11, 2010 Slide 45
Water Thailand: one of world s largest water treatment plants Replaced eddy current coupling drives on water pumps System efficiency increase: 15-30% Energy saving: 180,000 kwh/month Reduced CO 2 emissions: 90,000 kg/month Reduced maintenance cost Increased system reliability Longer lifetime of motor & pump October 11, 2010 Slide 46
Power US: University power plant Installed 1,000 hp AC drive for its scrubber booster fan Energy efficiency: improved by 25% over inlet vanes Energy saving: 1,460,000 kwh/year Reduced CO 2 emissions: 730,000 kg/year Better process controllability Less maintenance by soft starting No more start-up problems October 11, 2010 Slide 47
Plzeňská teplárenská: K fan 1250 kw, 0Č5 pump 2190 kw October 11, 2010 Slide 48
Cement Mexico: Cement Cruz Azul Replace existing damper fan control of two 1000 hp fixed speed ID fans Increased availability pushed productivity up by 42,000 tons Increased revenue of $900,000 p.a. In 2000, energy savings of $260,000 p.a. Maintenance reduced from 12 days to 8 hours Reduced speed reduces erosion of fan blades October 11, 2010 Slide 49
Použití měničů frekvence ve válcovnách MV Drives October 11, 2010 Slide 50
Další pohony v hutnictví a metalurgii Ventilátory vent. vysokých pecí vent. kotle odsávací vent. vent. koksár. pece vent. aglomerace Čerpadla ostřik okují Ostatní drtiče uhlí dopravníky October 11, 2010 Slide 51
Regulované pohony pasové dopravy-sokolov, Kosovo October 11, 2010 Slide 52
Stanice na pásovém dopravníku 1. container (right) main drives (ABB), trafos (SGB) 2. container (left) switchgears (ABB), belt tensioning drives (ABB), control system (ZAT) October 11, 2010 Slide 53
US Steel Košice ostřik okují: 3200 kw, ACS 1000 a AMI October 11, 2010 Slide 54
Ostřik okují US Steel - SR, Košice October 11, 2010 Slide 55
Aplikace měničů frekvence v hutnictví Těžní stroje ABB Pohony včetně řízení >600 těžních strojů >30 zemí 60 let zkušeností Celosvětový servis October 11, 2010 Slide 56
SW pro jeřáby October 11, 2010 Slide 57
Chemical, oil & gas Saudi Arabia: refinery upgraded to meet future demand for refined products Replaced fixed speed control of its shipping pumps Designed for 4.5 MW; now operating at 1-1.5 MW Estimated energy saving: 18,700,000 kwh/year Reduced CO 2 emissions: 9,350,000 kg/year Reduced maintenance Short payback period October 11, 2010 Slide 58
Dálková diagnostika měničů a přístup k datům Nepřetržitý monitoring na lokální síti přes fieldbus Email nebo SMS alarmy pro konc. uživatele pro ABB Vzdálená diagnostika a zákaznická podpora přes internet October 11, 2010 Slide 59
Frekvenční měniče U line U DC U out Supply L1 L2 L3 Rectifier DC link L + C - U d Inverter V1 V3 V5 V4 V6 V2 U1 V1 W1 Motor M 3 ~ Monitoring Control Control Electronics control, monitoring and communication October 11, 2010 Slide 60
Frekvenční měniče Line Equipment Wavef orm Operation Line voltage Line Supply Unit DC bus, capacitor and choke Inverter Unit Rectification Smoothing Inversion Motor M 3 Motor Princip October 11, 2010 Slide 61
Motory napájené z FM Vliv frekvenčních měničů: Zvýšené namáhání izolace Souhlasné napětí Ložiskové proudy Horší chlazení při nízkých otáčkách Přídavné ztráty díky nesinusovému napětí 2005-02-15 October 11, 2010 Slide 62
Konfigurace měničů a motorů 2005-02-15 U N 500 V Standard motor Standard motor Standard motor + Insulated N-bearing + Insulated N-bearing + Common mode filter U N > 500 V Standard motor Standard motor Standard motor < 600 V + du/dt - filter + Insulated N-bearing + Insulated N-bearing + du/dt-filter + du/dt filter + Common mode filter OR OR OR Reinforced insulation Reinforced insulation Reinforced insulation + Insulated N-bearing + Insulated N-bearing + Common mode filter U N > 600 V Reinforced insulation Reinforced insulation Reinforced insulation 690 V + Insulated N-bearing + Insulated N-bearing + du/dt - filter + du/dt-filter + du/dt -filter + Common mode filter October 11, 2010 Slide 63 IEC 250 IEC 280, 315 IEC 355 1) ABB does not recommend random wound EEx e motors for VSD applications
DTC ACS800, ACS 1000, ACS 2000, ACS 5000 ACS 800 single drive 6-pulse Supply Unit Motors M 3 AC 12-pulse Supply Unit Low Harmonic Supply Unit Regenerative Supply Unit ACS 800 multidrive Supply Section Drive Sections 6-pulse Supply Unit Braking Chopper Output Filters -du/dt -sine (Medium Voltage) Software: Standard System Application Master-Follower Crane Control Extruder Control Pump & Fan Control Centrifuge Control Spinning Control & Traverse Control 12-pulse Supply Unit M M M Regenerative Supply Unit October 11, 2010 Slide 64
ACS 800 Low harmonic drive, Zlatý Ampér 2009 Video Standard Limits October 11, 2010 Slide 65