Villamos hajtások energiatakarékossági vizsgálatai

2007/6. lapszám | Sümeghy Péter |  5110 |

Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Mind az iparban, mind a háztartásokban számos helyen alkalmaznak villamos motorokat, illetve egybeépített motor–munkagép egységeket. Az alkalmazások jelentős területe a különböző folyadékok és légnemű anyagok szállítása, keringetése, nyomásfokozása.

A tapasztalatok szerint napjainkban még számos gazdaságtalanul működő villamos motor–szivattyú, valamint motor– ventilátor egység van üzemben, aminek oka egyrészt a telepítésük óta eltelt idő és az ezalatt esetleg megváltozott szállítási igény, másrészt a technikai fejlődés eredményeként gyártott korszerűbb, energiatakarékos egységek nem kellő ütemű elterjedése, valamint az üzemeltetők ilyen irányú ismerethiánya.

Ipari alkalmazások esetén a villamos hajtásrendszerek általánosan a következő elemekből állnak: villamos energiaellátó rendszer, szabályozó készülék, villamos motor.

A munkagép az – itt szivattyú –, ami értelemszerűen a villamos motorhoz a megfelelő mechanikus áttételrendszerrel, tengelykapcsolóval (kompakt egységeknél esetleg közvetlenül) kapcsolódik. A szállított folyadék pedig valamilyen vezetékrendszeren jut el a rendeltetési helyére, így egy általánosnak nevezhető szivattyú gépcsoport az előzőeket kiegészítve a következő elemekből épül fel: mechanikus áttételrendszer, szivattyú (munkagép), csővezetékrendszer és technológia (a vezetékhez csatlakozó rendszer).

A gyakorlatban a vizsgálatnál a technológiai igényből kiindulva kell haladni a szivattyú és a villamos motor felé. Általános esetben a felülvizsgálat a villamos energiaellátó rendszer és a technológia közötti szakaszra terjed ki, hiszen a technológia által megkívánt paraméterek általában adottak, megköveteltek, és gyakran a villamos hálózat átalakítása is problémás. Ilyen módon a szivattyú feladatának a technológia számára pT nyomáson biztosított VT térfogatáram biztosítása tekinthető. Ezt a technológiai nyomást a szállítás elemzése során a szivattyú és a fogadó hely közötti szintkülönbség miatti nyomáskülönbséggel együtt statikus nyomásként kell kezelni. Az előírt értéket kell tartani önműködő vagy kézi szabályozással.

A vizsgálatok fontos eleme a szivatytyúhoz csatlakozó csővezetékrendszer. Feltételezhető, hogy a vezeték átmérője a tervezés során az akkori térfogatáramhoz lett meghatározva, azonban igen gyakori, hogy az aktuálisan szállított közeg térfogatárama jelentős mértékben eltér a tervezési értékektől. Fontos kiemelni, hogy a helyszíni terepszemlék és az adatgyűjtés egyik legnehezebb része – főleg összetett rendszerek esetén – a csővezetékrendszer valós paramétereinek a megállapítása. Előfordulhat, hogy a régi tervrajzok már nem fellelhetők, valamint problémát okozhat a számításokhoz szükséges csősúrlódási tényező meghatározása is. Az ismert vezetékméretek és térfogatáram figyelembevételével kiszámolható a vezetékben az áramlás miatti nyomásesés, és a technológiai nyomás és a szintkülönbség miatti statikus nyomáskülönbség segítségével már megrajzolható a csővezeték jelleggörbéje, s ennek ismeretében meghatározható a szivattyú teljesítményigénye.

Szivattyú, mint munkagép

A villamos hajtásokban leggyakrabban alkalmazott munkagépek a szivattyúk és a ventilátorok. A hazai ipari gyakorlatban a legnagyobb számban örvényszivattyúk és dugattyús szivattyúk üzemelnek. A két típus alkalmazását elsősorban az üzemi nyomás és a szállítandó közeg tulajdonságai határozzák meg. Közepes és nagy nyomásra szállításnál, ha a folyadék viszkozitása nagy, vagy nyírásra érzékeny, továbbá a térfogatáram nem változhat a szállítási nyomással, akkor a térfogat-kiszorítási elven működő szivatytyúk beépítése a kedvező (dugattyús, fogaskerék-, membránszivattyú stb.). Kis nyomás esetén vagy zagy szállításakor a helyes választás a kinetikus (örvény) elven működő szivattyúk alkalmazása.
Ha a szállítandó közeg légnemű, akkor a szállítást épületgépészeti megoldásokban ventilátorok végezhetik. Ezek szintén örvényelven működő gépek, és a szivattyúkhoz hasonlóan az áramlás irányának módosításától függően radiális, fél-axiális és axiális kialakításúak lehetnek. A lapátozás kialakítása szerint is eltérő típusú örvénygépek léteznek.

Az energiagazdálkodás szempontjából a munkagépek körültekintő kiválasztása, a technológiai igénnyel történő öszszehangolása, rendszerbe illesztése azért is fontos, mert hozzájuk illesztik a villamos motorokat, s a rossz kiválasztás miatt a veszteség halmozódik.

Az energetikai veszteségfeltárás során szerte az országban gyakran tapasztalható a túlméretezés. Sok esetben a megváltozott technológia igények miatt válik túlméretezetté egy-egy szivattyú. A szivattyúk veszteségelemzésének bemutatása során a következő megnevezések kerülnek alkalmazásra:

• A szivattyú hasznos teljesítménye az a teljesítmény, amely a munkaközeg nyomásának emeléséhez szükséges lenne 100%-os szivattyú-összhatásfok mellett.
• A szivattyú névleges teljesítményigénye egy a kiválasztása idején feltételezett munkaponthoz (névleges szállított térfogatáramhoz és szállítómagassághoz, vagy nyomáskülönbséghez) tartozó teljesítményigény.
• A szivattyú munkaponti teljesítményigénye az üzemvitel során a tényleges munkapontban kialakuló, a villamos motor tengelyteljesítményével megegyező teljesítmény.
• A szivattyú névleges veszteségének az a veszteség tekinthető, amelyik a névleges teljesítményhez tartozó szivattyúhatásfokkal határozható meg.
• A szivattyú munkaponti vesztesége a fojtásos szabályozás esetén a csővezeték-jelleggörbén feltételezett munkaponthoz számított veszteség.
• A szivattyú fojtási vesztesége a fojtásos szabályozás esetén a csővezeték-jelleggörbén feltételezett munkaponthoz és a tényleges munkaponthoz számított teljesítmény különbsége.

Mechanikus áttételrendszer

A mechanikus áttételrendszer feladata a villamos motor által szolgáltatott nyomaték és fordulatszám módosítása a munkagép igényeinek megfelelően. A hajtóművek további fontos feladata lehet a munkagépről származó káros lengések elhatárolása a villamos motortól és villamos hálózattól, valamint változó üzemi paraméterekhez való alkalmazkodás megvalósítása.

A hajtóművek többek közt csoportosíthatók hajtástechnikai szempontok szerint, amikor általában a két fő rendezőelv az áttétel megvalósításának módja és a tengelyelrendezés jellege. Így meghatározhatók:

• állandó áttételű hajtások,
• fokozatonként beállítható áttételű hajtások,
• fokozatmentesen beállítható áttételű hajtások,
• forgásirány-váltó hajtások.

A hajtóművek fontos jellemzője, hogy a nyomaték-, ill. a forgómozgás-átvitel erőzárással (súrlódási erő) vagy alakzárással (kényszerkapcsolat, fogazat), esetleg valamilyen közbenső segédelem segítségével történik. Ez utóbbi hajtások összefoglaló nevükön a vonóelemes hajtások (szíj, lánc), de itt is felállítható az erőátvitel módja szerinti csoportosítás, mint: erőzáró vonóelemes hajtások (lapos szíj, ékszíj, fogazott szíj) és alakzáró vonóelemes hajtások (fogas szíj, lánc).

Általában egy-egy hajtási feladathoz kapcsolódó nyomaték- és fordulatszám-módosítás többféle hajtóműtípus segítségével megoldható. Energiagazdálkodási megfontolások szerint azonban mindig törekedni kell a legkisebb veszteséget okozó megoldás kiválasztására.

Az egyes elemek beépítésének korlátot szab a megvalósítható áttétel és a módosítható teljesítmény, és gyakran a működési hőmérséklet is. A hajtóművek alkalmazásának azonban ettől eltérő szempontjai is vannak, hiszen a megcsúszni képes hajtóelemek biztonsági szerepet is betölthetnek túlterhelés esetén, vagy alkalmasak lehetnek a munkagép egyenetlen járásának mérséklésére.

Az egyik talán leggyakrabban alkalmazott hajtóműtípus a hengeres fogaskerekes vagy kúpkerekes hajtómű. Ennek nagy előnye, hogy nagy teljesítmény átvitelére képes, több fokozatot alkalmazva már viszonylag nagy módosítás mellett. A külső körülményekre viszonylag érzéketlen, jó hatásfokú, és az összekapcsolandó tengelyekre nem jelent járulékos terhelést. A kiválasztás szempontja lehet azonban az is, hogy a hajtott gép milyen távol van a villamos motortól, hiszen nagyobb távolságoknál már meggondolandó egy öntvényházas fogaskerekes hajtómű alkalmazása. Ilyenkor a lehetséges alternatívák a szíj- és lánchajtások, az üzemi paraméterektől függően. Azokban az esetekben, amikor nagy áttétel megvalósítása a feladat, nagy teljesítmény átvitele mellett, akkor a bolygó-, hullám- és ciklohajtóművek alkalmazása szokásos.

Az energetikai felülvizsgálat során az előzőkben leírtak alapján érdemes megvizsgálni, hogy egy adott feladat teljesítéséhez a legjobb hatásfokú hajtóműtípust alkalmazták-e, és milyen alternatívák lehetnek. Ezután az alkalmazott hajtás jóságát kell megvizsgálni, ha lehetőség van rá, a korábbi felülvizsgálatok eredményeit az üzemeltetőtől beszerezni. A leggyakoribb hatásfokrontó tényező a kopás, a helytelen kenés, és szíjhajtásoknál a szíj anyagának öregedése, elhasználódása és megnyúlása is káros. Fogaskerekeknél a legegyszerűbb ellenőrzés a zaj és a melegedés vizsgálata.

Érdemes odafigyelni olajcserénél az olajban található fémszemcsék mennyiségére és méretére is, mert ezek figyelmeztethetnek a kopásra, amit ezután a hajtóműház szétszerelésével vagy a kémlelőnyíláson át szemrevételezéssel is ellenőrizhetünk. A szíjhajtások ellenőrzésére egyszerű módszer a szlip mérése. A rugalmas vonóelemet alkalmazó hajtások fő ismérve, hogy rendelkeznek szlippel, vagyis csúszással.

Villamos motorok

A hajtásrendszer következő eleme a villamos motor, aminek talán a legfontosabb a szerepe a hajtás optimális hatásfokának kialakításában. A gyakorlatban a veszteségek nagy részét a túlméretezett és alulterhelt motorok okozzák. Ennek elkerülése a megfelelő motorméretezéssel és illesztéssel érhető el. Az újonnan választott motor lehetőleg energiatakarékos kialakítású legyen, ami megfelelő üzemórák mellett a gyors megtérülést és a hosszú távú gazdaságos üzemeltetést is biztosítja.

Általában a motorok a névleges teljesítményük körüli tartományban üzemelnek a legjobb hatásfokkal, és a névleges teljesítményhez határozható meg legegyszerűbben a motorok terhelésfüggő és állandó veszteségeinek az aránya.
Az energiatakarékossági intézkedések (motorcsere, frekvenciaváltó alkalmazása stb.) általában csak a nagyobb teljesítmények (pl. Pn>10 kW) és nagyobb éves üzemóraszámok (pl. 2000 h/év) esetén ígérnek ésszerű időn belüli megtérülést, ezért sok esetben nem számolhatók ilyen kedvező megtérülési idők. (A motorok cseréjénél figyelembe kell venni, hogy az energiatakarékos kialakítású motorok névleges fordulatszáma jellemzően mintegy 5-10 f/min-nel nagyobb a hagyományos kialakítású motorokénál. Az affinitástörvények értelmében a szivattyúk szükséges teljesítménye a fordulatszám köbével, míg a szállított anyagmennyiség a fordulatszámmal lineárisan arányos. Ez a fogyasztás és az anyagáram szükségtelen növekedését eredményezheti.)

A gyakorlatban előfordulhat olyan eset is, hogy nem tudjuk a megfelelő adatokat beszerezni a vizsgálandó villamos motorról (katalógus, részben olvasható adattábla), viszont lehetőségünk van mérések elvégzésére. A motor terhelésének viszonylag egyszerű meghatározása a szlipmérés, ami nem más, mint a motor szinkron és terhelt fordulatszáma közötti különbség. A szinkron fordulatszám a motor forgó mágneses mezejének fordulatszáma (3000, 1500, 1000, 750 ford./min). A terheletlen motor közel szinkron fordulatszámmal forog, a teljes terheléshez tartozó fordulatszám ez alatt van kb. 1-4%-kal, ami leggyakrabban a motor típustábláján is szerepel. A vizsgálat eszközigénye csekély, mivel fordulatszámmérőre, feszültség- és árammérőre van csak szükség. A mérések kockázatosak lehetnek, ezért ügyelni kell rá, hogy azokat a feladatra alkalmas, képzett személy végezze.

Szabályozás

Anyagot szállító munkagépek üzemeltetésénél gyakran jelentkező feladat a szállítandó anyagmennyiség változtatása, szabályozása. A helyesen kialakított szabályozás jelentős mértékben befolyásolja a rendszer energiafelhasználását. Energetikai szempontból nem közömbös, hogy a beavatkozás a rendszer melyik eleménél és milyen módon történik. A beavatkozó szerv gyakran valamilyen szabályozó szelep. A szelep helytelen kiválasztása a legjobb minőségű szabályozókészülék működését is elronthatja, mivel az épületgépészeti berendezések csak ritkán működnek a méretezési állapotban, ezért mind a tervezés, mind az üzemviteli elemzés során át kell gondolni a rendszer teljes szabályozási tartományban való működését, változó, valós üzemi viszonyok között.

Csővezetékrendszer-szabályozás során gyakori megoldás a fojtásos szabályozás. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a szállított anyagmennyiséget a csővezetékrendszeren elhelyezett fojtószelep segítségével lehet változtatni. A fojtásos szabályozás laposabb jelleggörbéjű szivattyú- és rendszer-jelleggörbék esetén a veszteség szempontjából kedvezőbb.

Egy másik szabályozási megoldás lehet a megkerülő ág (by-pass) alkalmazása. Ebben az esetben tulajdonképpen a szállított anyagmennyiséget egy szeleppel szabályozott csővezetéken visszavezetjük a szívóoldalra. Itt is a vezetékrendszer jelleggörbéje változik, azonban az eredmény egy laposabb parabola lesz. A by-pass szabályozás elsősorban akkor lehet kedvező, ha a vezetékrendszer és a szivattyú jelleggörbéje is nagy meredekségű.

A járókerék módosításával történő szabályozás esetében nem lehet igazi szabályozásról beszélni, hanem inkább a megváltozott igényekhez alkalmazkodó beszabályozásról. A legegyszerűbb megoldás többfokozatú szivattyú esetében a járókerekek számának csökkentése, azonban ez nem mindig elegendő, mert így csak bizonyos lépcsőkben lehet a paramétereket befolyásolni. A pontosabb beszabályozáshoz a járókerekek leesztergálása szokásos, amivel azonban a hatásfok kismértékben romlik. A módszer részletes ismertetése nem célja ennek a cikknek, azonban fontos megjegyezni, hogy általában ez a szivattyú vagy ventilátor áramlástechnikai tulajdonságainak megváltozásával jár, ami gyakran igényli a jelleggörbék újbóli kimérését.

Frekvenciaváltóval végzett szabályozás során felhasználjuk az örvényelven működő gépek alapösszefüggéseit, az affinitástörvényeket, amelyek megmutatják, hogy a fordulatszámmal arányosan változik a szállított térfogatáram, a négyzetével arányosan változik a létrehozott nyomáskülönbség, és a köbével arányosan változik a felvett teljesítmény. Ezek alapján megrajzolhatók a fordulatszám változtatásával kialakuló szivattyú-jelleggörbék. A fordulatszám-szabályozás végtelen számú jelleggörbe beállítását teszi lehetővé, így a csővezeték-jelleggörbe bármely pontjában lehetőség van kialakítani a munkapontot, a fojtásos és a by-pass szabályozás járulékos veszteségei nélkül. Azonban ez a megoldás sem tökéletes, mert a szivattyú hatásfoka csak a méretezési pontban lehet maximális, kisebb fordulatszámon kis mértékben csökken.

A fordulatszám-szabályozás kialakítása örvényszivattyúk hajtásánál akár 50% fölötti energia-megtakarítást is eredményezhet. Frekvenciaváltóval lehetőség van a gépegység ún. lágyindítására, ami elkerülhetővé teszi a motor, a tengelykapcsoló és a villamos hálózat felesleges túlméretezését. A dinamikus hatások csökkentésével hozzájárul számos alkatrész hosszabb élettartamához, valamint a kisebb fordulatszám hatására a csapágyak élettartama is növekszik.
Üzemelő rendszerek esetében körültekintően kell eljárni a frekvenciaváltók telepítésével. Régebbi típusú vagy nem ilyen célra tervezett villamos motorok esetében a két probléma fordulhat elő.

1. A veszteségek jelentős növekedése: Régi típusú frekvenciaváltók, amelyek nem alkalmaznak impulzusszélesség-modulációt, jelentős felharmonikus-többletveszteséget okoznak a forgórész rudazataiban az áramkiszorítás jelenségén keresztül. Ez a növekedés kiteheti a névleges pontbeli veszteségek 20-30%-át is, ami miatt a motort (a névleges teljesítményét) le kell értékelni. Inverterhez tervezett motorok esetén – a speciális kialakítás miatt – a többletveszteségek jelentősen kisebbek.
2. A szigetelőanyag idő előtti tönkremenetele: Az új típusú frekvenciaváltók már gyors működésű IGBT tranzisztorokat alkalmaznak, amelyek nagy meredekségű feszültséghullámokkal táplálják a motorokat. Ha hosszú a motor és a frekvenciaváltó közötti kábel, akkor a hullámjelenségek miatt a motoron közel kétszeres feszültség jelenhet meg, ami a ház (illetve a föld) felé lévő szigeteléseket teheti tönkre. Ezért lehetőleg olyan elrendezésre kell törekedni, hogy a kábelek rövidek legyenek, vagy szűrőkört kell alkalmazni a frekvenciaváltó és a motor között. Tovább rontja a helyzetet, hogy ilyenkor a motoron belül nem egyenletes a feszültség eloszlása, ami a menetek közötti szigetelést teheti tönkre. A meghibásodás statisztikai törvényt követ (Weibull-eloszlás), tehát annak csak a valószínűsége növekszik meg.

Frekvenciaváltóhoz tervezett motorok szigetelését ezen jelenségek figyelembevételével alakítják ki (ezek ezért kissé drágábbak a normál motoroknál). Az 1. és 2. pontokban ismertetettek miatt ilyen esetekben frekvenciaváltóhoz tervezett motorok alkalmazása ajánlott, legjobb megoldás, ha azonos cégtől kerül mind a motor, mind a frekvenciaváltó beszerzésre, mert ez esetben biztosan jól illeszkednek egymáshoz. Fontos felhívni a figyelmet, hogy ha egy meglévő frekvenciaváltó motorját lecserélik, akkor először meg kell határozni az inverter típusát. Feszültséginverter esetén a motor cserélhető a maximális teljesítmény betartásával. Áraminverter esetén azonban a motor és az inverter illeszkedik egymáshoz, tehát csak szakértő bevonásával szabad a cserét végrehajtani.

Villamos energiaellátó rendszer

Általában nem a szokásos gépészeti feladatok közé tartozik a villamos energiaellátó rendszer vizsgálata, de fontos felhívni a figyelmet néhány, ezt a területet érintő problémára, ami jelentősen befolyásolhatja a hajtásrendszer, elsősorban a villamos motor veszteségeit.

A feszültségszint fenntartása

A névleges terhelés mellett a motorra jutó feszültség eltérése a névleges értéktől kisebb legyen, mint 5%. Ilyen mértékű feszültségcsökkenés névleges terhelés mellett a motorok hatásfokát mintegy 2-4%-kal csökkenti, az üzemi hőmérséklet növekedése mellett. Az 5%-nál nagyobb feszültségemelkedés csökkenti a teljesítménytényezőt, és így a hatásfok sem növekszik. (Megjegyzendő, hogy a régi, 380 V-ra készült motorok jelenleg 400 V-ról üzemelnek, ami 5,3%-os feszültségemelkedést jelent.)

A háromfázisú feszültségrendszer aszimmetriájának csökkentése

Háromfázisú táplálásnál a hatásfok jelentős csökkenését eredményezheti a feszültségrendszer aszimmetriája, amely, ha 5%-nál nagyobb, akkor nem javasolható aszinkron motor működtetése a hálózatról.

Teljesítménytényező maximalizálása

Számos esetben zavart okozhat, ha a teljesítménytényező 90-95% alá esik. Ennek korrigálása megfelelően méretezett kondenzátorral lehetséges.

Az energiaellátás minőségének fenntartása (50 Hz szinuszos feszültség)

A villamos motorok alapvetően szinuszos feszültségre vannak tervezve, amennyiben a jelalak torzul, csökken a motor hatásfoka. A rezonanciajelenségek miatt meg kell vizsgálni a fázisjavító kondenzátorok hatását a jelalakra.

Megfelelő transzformátorok kiválasztása

Az elöregedett és nem megfelelően terhelt transzformátorok is rontják a rendszer hatásfokát.

Hálózati veszteségek felismerése

Meghatározott időközönként szükséges elvégezni az elektromos hálózat felülvizsgálatát, megkeresni az esetleges hibás csatlakozásokat, gyenge földeléseket, mert ezek nem csak a veszteségeket növelik, hanem kockázatosak, és csökkentik a rendszer megbízhatóságát.

Épületfelügyeleti rendszerek

Az épületautomatizálás a felügyeleti, vezérlő-, szabályozó- és folyamatirányító berendezéseket foglalja magában azzal a céllal, hogy a létesítmények üzemi berendezéseinek működési folyamatait önműködően és gazdasági szempontok figyelembe vételével üzemeltetni lehessen. Az automatizálásba bevonandó berendezések közé tartoznak a fűtési, a hűtési, a klímatechnikai, a szellőzéstechnikai, az egészségügyi, a világítástechnikai, a biztonságtechnikai, a hangosítási, a villamosenergia-ellátási, szükségáram-ellátási és gyengeáramú berendezések elemei, tehát a létesítmények teljes ellátástechnikája és üzemvitele.

Egy jól megtervezett rendszer a komfortparaméterek (hőmérséklet, páratartalom) ellenőrzésén és szabályozásán túl jelentős energia-megtakarításra is képes a rendszerek optimális kihasználásával. Az integrált rendszerek az egyes részrendszereket kötik össze, és kommunikációt létesítenek köztük.

---