VGF szaklap

Ezért kell cserélni a régi szivattyúkat

| |  422 | |

Ezért kell cserélni a régi szivattyúkat

A szivattyútechnológia az elmúlt években jelentősen átalakult. Villamos szempontból a készülékekben ma már nem lehet szabályozatlan aszinkron motorokat használni, az új direktíváknak megfelelően frekvenciaváltókat is be kell építeni, vagy más technológiákat kell alkalmazni. Gépészeti szempontból a lapátszögek, a járókerekek kialakítása változott. A cél az energiahatékonyság.

Drágán üzemelnek a régi motorok

A világon megtermelt villamos energia nagyobbik részét azipar használja fel, elsősorban a villamosmotorok (szivattyúk, ventillátorok, meghajtások, stb.) üzemeltetésére. Egyátlagosipari villamos motorműködtetésének teljes költsége az első tíz év üzemidő tekintetében kb. 95%-ban villamos energia költség, ehhez képest a beszerzési árés a karbantartás szinteelenyésző.Energia megtakarítás szempontjából elsősorban a villamosenergia felhasználásának csökkentése a cél, mert ez gyakorlatilag azonos mértékű lesz az összköltségmegtakarítással. Környezetvédelmi szempontból az sem mellékes, hogy a fogyasztás csökkenése arányos mértékbencsökkenti az energiatermelés során kibocsátottszéndioxidüvegházhatású gázokat is. Célszerűbb tehát jobb, korszerűbb, energiatakarékosabban üzemelő villamosmotorokat szerelni az egyes készülékekbe, hiszen az Európai Unió is szigorúan szabályozza az energiafelhasználás mértékét. Egyre inkább kiszorulnak a piacról a pazarlóan működő rendszerek, ennek köszönhetően az újdonságok fejlesztésére, kutatására az eddigieknél is nagyobb hangsúlyt fektetnek. Mit is jelent ez a gyakorlatban, tekintsük például a nedves tengelyű szivattyúkat. Az új szivattyúk energiafelhasználása a korábban gyártott átlagos műszaki színvonalú készülékekszivattyúk referencia energiafogyasztásának már csak a 23%-a lehet, azaz a forgalombahozható szivattyúk energiahatékonysági indexe EEI≤ 0,23 kell legyen.

A szabályozás tengerében

Az Európai Parlament 2005-ben elfogadott és hatálybaléptetettErP/EuP Irányelve (2005/32/EC DirectiveonEnergyusingProducts) az addigijogi szabályozástegyszerűbbés kötelezően használandóegységes keretbe foglalta,érvényességi körét is kiterjesztette,azonban még nem

volt meg hozzá minden szükséges eszköz, pl. szabvány,hogy a gyakorlatban is hatékonyan működjék a rendelet.Azonban 2008-ban megszülettekaz IEC 60034 szabványazonúj elemei, amelyekaz energia hatékonyság terén azeddiginél átláthatóbb helyzetet teremtettek. EzekfontosabbjaiazIEC 60034-2-1 (2007) szabvány, mely villamosmotorok hatásfokának szabványos mérési módszereit rögzíti, egységesíti(a módszerekegyes megoldásaihasonlóak az IEEE 112-Bmódszerhez). Valamint az IEC 60034-30 (2008) szabvány(korlátozott érvényességgel)3fázisú iparivillamosmotorokhatásfok, tehát energia hatékonyságszerinti osztályokba sorolását rögzítiés előírja azalacsonyabb hatásfokú motorok fokozatoskivonását a kereskedelemből.A szabvány tehát rögzíti, hogy a hatókörébe tartozóvillamos motorok hatásfokát milyen módszerrel kellszabványosan mérni, ill. hogy mely motor méretek, teljesítmények, fordulatszám értékek,konstrukció éskivitel,stb.esetében a hatásfok szerint milyenosztályokba kell az ipari motorokat besorolni.A magasabb osztályba sorolt gépek megjelölésekéntelterjedt az ECODESIGN MOTORmegnevezés. A szigorú intézkedéseket elsősorban a nagy és innovatív cégek voltak képesek teljesíteni, a szabályozással csak ők képesek versenyben maradni. A kisebb cégek többsége ezzel nehezen tudott, tud lépést tartani.

Hatékonysági osztályok

A direktíva értelmében az aszinkronmotorokra új hatékonysági osztályokat vezettek be, melyek alapján megtörténik a villamos motorok besorolása. Jelenleg négy IE(International Efficiency) osztályt különböztet meg a rendszer az európai rendeletnek köszönhetően. 

  • IE1 - Standard hatásfok osztály (Régi EFF2-nek felel meg, 2011. június 15-ig voltak forgalomba hozhatók)
  • IE2 - Magas hatásfok osztály (Régi EFF1-nek felel meg, 7,5 kW – 375 kW teljesítményű motorok csak 2014. december 31-ig voltak forgalomba hozhatók)
  • IE2 – Magas hatásfokú osztály (0,75 kW – 7,5 kW teljesítményű motorok 2016. december 31-ig még forgalomba hozható)
  • IE3 - Prémium hatásfok osztály (korlátozás nélkül forgalomba hozható)
  • IE4 - Szuper prémium hatásfok osztály (korlátozás nélkül forgalomba hozható)

Frekvenciaváltós aszinkron motorok

Az energia hatékony működéshez az aszinkron villanymotorokat szabályoznunk kell. A szabályozás legkézenfekvőbb, és legjobb módja pedig a frekvencia változtatása frekvenciaváltók segítségével. A hálózati frekvencia változtatásával a motorok fordulatszáma fokozatmentesen változtatható. Statikus félvezetőkkel a frekvencia értékét változtatva aszinkron motoroknál a legjobb hatásfokú üzemet tudjuk megvalósítani.

Frekvenciaváltókat már régóta gyártanak, ősük már a Kandó mozdonyokban is megtalálható volt, igaz más elven működött, mint a modern frekvenciaváltó berendezések. Ha megvizsgáljuk az aszinkron motorok nyomatéki görbéjét, akkor megfigyelhető, hogy a hajtó frekvencia hatására a vízszintes tengely mentén jobbra, balra eltolható, így alkalmas a fordulatszám változtatásra. Tudjuk, hogy a motor teljesítménye arányos a fordulatszám és a nyomaték szorzatával, melyből következik, hogy kisebb fordulatszámhoz kevesebb teljesítmény tartozik, azaz alacsonyabb fordulatszámon üzemeltetett aszinkron gép kevesebb áramot vesz fel a hálózatból. Az is látszik, hogy a motorok a névleges nyomatékának többszörösével túlterhelhetők (max.150%-al 60 másodpercig), amelynek értéke elsősorban a motor megfelelő hővédelmétől függ. Alacsony fordulatszámon is kritikussá válhat az üzem, mert a tengelyre szerelt ventilátor a lassú forgás hatására már nem képes elegendő hűtőlevegőt szállítani és a keletkező veszteséghőmiatt a motor túlmelegedhet. A maximális túlterhelésre és részüzemre a gyártók határoznak meg adatokat.Általános ökölszabályként elmondható, hogy a névleges fordulatszám feléig leszabályozható a motor fordulatszáma, utána csak teljesítménycsökkentéssel üzemelhet. A maximális fordulatszámot a motor mechanikai határfordulatszáma korlátozza be, melyet általában a gyártók a kétszeres névleges fordulatszámban adnak meg. A névleges frekvencia feletti tartományban azonban a motor fluxusa a fordulatszámmal fordított arányban csökken és ennek megfelelően a motor terhelhetősége is.

A frekvenciaváltó működése

Tekintsük át, hogyan is működik valójában egy egyszerű frekvenciaváltó. A frekvenciaváltó lényegében egy vezérelt egyenirányító és egy váltóirányító (inverter), melyet a közbensőköri részen egy egyenáramú kör köt össze. A betáplált feszültség kisebb teljesítményeknél lehet egy- vagy háromfázisú, nagyobb teljesítményeknél kizárólag háromfázisú. A betáplált áramot diódás híd egyenirányítja és a közbensőköri kondenzátorokat táplálja. A kondenzátorok egyrészt simítják a feszültség hullámosságát, másrészt kisebb hálózati ingadozásoknál tartják a feszültségszintet is. A közbensőköri egyenfeszültség többnyire ugyanis szabályozatlan, így a tápfeszültség csúcsértéke határozza meg az értékét. A közbensőköri egyenfeszültség impulzusszélesség-moduláció segítségével ismét váltakozó feszültséggé alakul. A kívánt hullámforma a kimeneti tranzisztorok (IGBT) meghatározott frekvenciával (kapcsolási frekvencia) történő ki- bekapcsolásával hozható létre, ami mint kimeneti feszültség tulajdonképpen egy négyszöghullám sorozatot eredményez. A kimeneti kapcsolóelemek vezérlését a szabályozóelektronika látja el, melynek feladata a motor fordulatszám- és áramszabályozásának az ellátása és a kapcsolási kép előállítása. A kimeneti frekvenciát tehát az inverterrel állíthatjuk be.

  Állandó mágneses forgórészű szinkron motorok

Az aszinkron motorok alternatívájaként szokták emlegetni az állandó mágnesesforgórészű szinkron motorokat, melyek az energia hatékonysággal kapcsolatos direktíváknak mégjobban megfelelnek. Takarékos működésük, jobbhatásfokuk mindinkább a széleskörű elterjedés irányába mutatnak.  

Az EC(ElectronicallyCommutated)  motorok az egyenáramú motorok hagyományos szénkefés kommutációja helyett kefe nélküli, elektronikusan vezérelt kommutációt alkalmaznak egyenáramú megtáplálással.

Manapság már 7kW-ig gyártanak EC motorokat. Ennek megvalósításához a gyártók a motor tekercselését állandó mágnesekkel helyettesítik, kommutációs áramköri elemeket építenek be, így kiküszöbölhető a szénkefék mechanikus kopása. Egy EC motorban az elektromágnesek nem mozognak; helyettük az állandó mágnesek forognak, és az armatúra marad nyugvó, így a mozgó armatúrába könnyen átvihető az áram. Az állórész egyszerűen tekercspárokból áll, melyek egy ferromágneses lemezekből álló magon vannak. A kefe-kommutátor rendszert felváltja egy elektronikus vezérlő. A vezérlő hasonlóan osztja el az áramot, mint az egyenáramú kefés motornál történik, de ez egy félvezetős áramkör a kefe-kommutátor rendszer helyett. A tekercspárokra egymás után kapcsol feszültséget a vezérlő, így jön létre a forgó mágneses mező.

Az állandó mágneses motoroknak 1-10%-al jobb a hatásfokuk, mint egy átlagos hárompólusú aszinkronmotornak, mert az állandó mágnesek miatt a forgórész-veszteségek gyakorlatilag elkerülhetőek. Ez függ az aszinkronmotor minőségétől és a teljesítménytartományától, nagyobb teljesítménytartományoknál a hatásfokok közti eltérés lecsökken. Ami azonban még számottevőbb, hogy alacsony fordulatszámon, részterheléses üzemben (az esetek 80%-a ilyen) jelentős mértékben jobb az EC motorok hatásfoka, mint akár az AC, akár a frekvenciaváltós AC motorok esetében.

Nem a levegőbe beszélünk

A fent említett három motort (AC motor, frekvenciaváltós AC, valamint EC motor + frekvenciaváltó ) energiahatékonyság szempontjából módunk volt összehasonlítani. Az egyik vezető szivattyúgyártó, forgalmazó budaörsi telephelyén volt elhelyezve a mérési összeállítás. A mérés lényege, hogy összehasonlítottuk különböző térfogatáramok mellett a 3 szivattyú teljesítmény felvételét.  A szükséges munkapont Q=14m3/h és H=40m volt. Mértünk részterhelésen is, 5m3/h teljesítménynél.

A szabályozatlan AC motorral meghajtott szivattyú nem tud leszabályozni 40m nyomásra (mivel csak 50Hz frekvencián hajt), ezért feleslegesen sok villamos energiát vesz fel. A frekvenciaváltós AC már jobb, mert alacsonyabb fordulaton működik, hiszen ez is elég a 40m tartásához (főleg részterhelésen 5m³/h esetén). Az EC motoros szivattyú pedig jelentősen kevesebb energiát vesz fel, mint az első két esetben. A mérés azt bizonyítja, hogy érdemes jó hatásfokú, szabályozott szivattyúkat használni, főleg olyan területeken, ahol magasabb az üzemidő.

 

Q (m3/h)

H (m)

P(kW)

AC motoros szivattyú

14

55

4

AC motoros szivattyú

5

63

2,7

AC+ frekvenciaváltó

14

40

3,1

AC+ frekvenciaváltó

5

40

1,7

EC+ frekvenciaváltó

14

40

2,7

EC+ frekvenciaváltó

5

40

1,4

 

EnergiahatékonyságSzivattyú