Szivattyúk hatékonyságának növelése
2015/12. lapszám | Lantos Tivadar | 3216 |
Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A szivattyútechnológia az elmúlt években jelentősen átalakult. Villamos szempontból a készülékekben ma már nem lehet szabályozatlan aszinkronmotorokat használni, az új direktíváknak megfelelően frekvenciaváltókat is be kell építeni, vagy más, hatékonyabb technológiát kell alkalmazni. Gépészeti szempontból a lapátszögek, járókerekek kialakítása változott.
ErP-re reszelve
Kívülről nincsenek látványos dizájnmegoldások, a gépészeti fejlesztések a szivattyúk belsejében zajlanak. A szivattyúban az energia átalakítása a járókerékben, valamint a csigaházban történik, melyeknek geometriai változtatásával (például a lapátszög állításával) jelentős mértékű energiamegtakarítás érhető el. A mai anyagmegmunkálási módszerekkel (lézertechnika) finomíthatóvá vált a belső szerkezet, pontosabb értékek beállítására van lehetőség. A gyártók több ezer szivattyú tesztelésével, átkonfigurálásával érhették el a legjobb energiamegtakarítási eredményeket. Ebben a tekintetben komoly szigorítások voltak minden szivattyútípusra vonatkozóan.
A MEI (Minimum Efficiency Index) írja elő azt a küszöbértékeket, melyeknek – az ErP tekintetében – a gyártóknak meg kell felelni (MEI>0,4). A nedves tengelyű szivattyúkra az EEI (Energy Efficiency Index) vonatkozik; az új szabályozásnak köszönhetően az EEI>0,23. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy megmérték a régebben használatos szivattyúk energiafelhasználását, ez vették 1-nek, és ma ennek az értéknek a 23 százalékánál nem lehet nagyobb az energiafogyasztás. Ez az érték méréssel könnyen meghatározható, összefoglalva, a teljesítményfelvételnek alacsonyabbnak, a hatásfoknak pedig magasabbnak kell lennie. A hidraulikai hatásfokban is néhány százalékos javulást értek el a gyártók, ami nagymértékben hozzájárul az energiahatékony üzemeléshez. Ennek következtében a piacon kapható szivattyúk alsó 40 százaléka már nem helyezhető forgalomba.
A szabályozás tengerében
Az Európai Parlament által 2005-ben elfogadott és hatályba léptetett ErP/EuP irányelv (2005/32/EC Directive on Energy using Products) az addigi jogi szabályozást egyszerűbb és kötelezően használandó, egységes keretbe foglalta, érvényességi körét is kiterjesztette, azonban még nem volt meg hozzá minden szükséges eszköz, például szabvány, hogy a gyakorlatban is hatékonyan működjék a rendelet. Azonban 2008-ban megszülettek az IEC 60034 szabvány azon új elemei, amelyek az energiahatékonyság terén az eddiginél átláthatóbb helyzetet teremtettek. Ezek fontosabbjai az IEC 60034-2-1 (2007) szabvány, amely a villamos motorok hatásfokának szabványos mérési módszereit rögzíti, egységesíti, valamint az IEC 60034-30 (2008) szabvány (korlátozott érvényességgel), amely a 3 fázisú ipari villamos motorok hatásfok, tehát energiahatékonyság szerinti osztályokba sorolását rögzíti, és előírja az alacsonyabb hatásfokú motorok fokozatos kivonását a kereskedelemből.
A szabvány tehát rögzíti, hogy a hatókörébe tartozó villamos motorok hatásfokát milyen módszerrel kell szabványosan mérni, illetve hogy mely motorméretek, -teljesítmények, -fordulatszám-értékek, -konstrukciók és -kivitelek stb. esetében a hatásfok szerint milyen osztályokba kell az ipari motorokat besorolni. (A magasabb osztályba sorolt gépek megjelöléseként elterjedt az ECODESIGN MOTOR megnevezés.) 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.
Villamos oldalon több a lehetőség
A világon megtermelt villamos energia nagyobbik részét az ipar használja fel, elsősorban a villamos motorok (szivattyúk, ventilátorok, meghajtások stb.) üzemeltetésére.
Egy átlagos ipari villamos motor működtetésének teljes költsége az első tízévi üzemidő tekintetében kb. 95%-ban villamosenergia-költség, ehhez képest a beszerzési ár és a karbantartás szinte elenyésző. Energiamegtakarítás szempontjából elsősorban a villamos energia felhasználásának a csökkentése a cél, mert ez gyakorlatilag azonos mértékű lesz az összköltség-megtakarítással. Környezetvédelmi szempontból az sem mellékes, hogy a fogyasztás csökkenése arányos mértékben csökkenti az energiatermelés során kibocsátott szén-dioxid és egyéb üvegházhatású gázok mennyiségét is.
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 hatásfokosztály (a régi EFF2-nek felel meg, az ilyen berendezések 2011. június 15-ig voltak forgalomba hozhatók),
- IE2 – magas hatásfokosztály (a régi EFF1-nek felel meg, a 7,5-375 kW teljesítményű motorok csak 2014. december 31-ig voltak forgalomba hozhatók),
- IE2 – magas hatásfokú osztály (a 0,75-7,5 kW teljesítményű motorok 2016. december 31-ig még forgalomba hozhatók),
- IE3 – prémium hatásfokosztály (korlátozás nélkül forgalomba hozhatók az ide tartozó berendezések),
- IE4 – szuper prémium hatásfokosztály (korlátozás nélkül forgalomba hozható berendezések).
Frekvenciaváltós aszinkronmotorok
Az energiahatékony működéshez az aszinkron villanymotorokat szabályoznunk kell, ennek 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 aszinkronmotoroknál 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. 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.
 |
 |
| 1. ábra: EC motor felépítése 1. állórész, 2. állandó mágneses forgórész, 3. optimalizált tekercsek |
2. ábra: EC motor |
3. ábra: Frekvenciaváltó sematikus képe
1. Betáplálás (jellemzően 3×400 V AC), 2. Háromfázisú egyenirányító híd, amely egyenáramot állít elő, 3. Közbenső kör, 4. Szűrőtekercsek, 5. Nagy kapacitású szűrőkondenzátor, amelyen előáll a közbenső köri szűrt, kb. 520 V-os egyenfeszültség, 6. Félvezetős kapcsolóüzemű teljesítményfokozat. Háromfázisú tranzisztorhíd (általában IGBT), amely a közbenső köri DC feszültségből PWM jel segítségével előállítja a motor számára a változtatható frekvenciát és feszültséget, 7. A meghajtott hagyományos 400 V AC aszinkronmotor, 8. Vezérlő elektronika, amely vezérli a teljesítményfokozatot, ellenőrzi az üzemi körülményeket, előállítja a kimenő jeleket, kezeli a bemeneteket, lehetővé teszi a paraméterezést stb.
Állandó mágneses forgórészű szinkronmotorok
Az aszinkronmotorok alternatívájaként szokták emlegetni az állandó mágneses forgórészű szinkronmotorokat, melyek az energiahatékonysággal kapcsolatos direktíváknak még inkább megfelelnek. Takarékos működésük, jobb hatásfokuk mindinkább a széleskörű elterjedés irányába mutat. Az EC (Electronically Commutated) motorok az egyenáramú motorok hagyományos szénkefés kommutációja helyett kefe nélküli, elektronikusan vezérelt kommutációt alkalmaznak egyenáramú megtáplálással.
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 telephelyén volt elhelyezve a mérési összeállítás. A mérés lényege, hogy összehasonlítottuk különböző térfogatáramok mellett a 3 szivattyú teljesítményfelvételét. A szükséges munkapont Q = 14 m3/h és H = 40 m volt. Mértünk részterhelésen is, 5 m3/h teljesítménynél. A szabályozatlan AC motorral meghajtott szivattyú nem tud leszabályozni 40 m nyomásra (mivel csak 50 Hz frekvencián hajt), ezért feleslegesen sok villamos energiát vesz fel. A frekvenciaváltós AC már jobb, mert alacsonyabb fordulaton működik, hiszen ez is elég a 40 m tartásához (főleg részterhelésen, 5 m3/h esetén). Az EC motoros szivattyú pedig jelentősen kevesebb energiát vesz fel, mint az első két eset. A mérés azt bizonyítja, hogy érdemes jó hatásfokú, szabályozott szivattyúkat használni, főleg olyan területeken, ahol magasabb az üzemidő.
Manapság már 7 kW-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%-kal jobb a hatásfokuk, mint egy átlagos hárompólusú aszinkronmotornak, mert az állandó mágnesek miatt a forgórész-veszteségek gyakorlatilag elkerülhetők. Ez függ az aszinkronmotor minőségétől és 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.
A mérés kiértékelése
| 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 |
