Aszinkron motorok energiahatékonyságának és üzemi viszonyainak vizsgálata
Gyökér Gyula okl. vill. mérnök
[email protected]
Az vizsgálatok helyszine 1. Fővárosi Csatornázási Művek: Észak-Pesti Telep, Dél-Pesti Telep, 3. Szegedi Vízművek: Klébersberg és Algyői Telep 4. Érdi Regionális Vízművek szennyvíztisztító telepei: Érd, Pusztazámor, Törökbálint
Hajtott gépek: - csigák, - keverők, - szivattyúk, - ventilátorok, - fúvók, - kompresszorok Motor teljesítmények: 1…630 kW, 0,4…6 kV Vizsgált gépek száma: 486
Szegedi Vízművek Klébersberg Szennyvíztisztító Telep
FCsM Észak-Pesti Telep Biogáz Motor-Generátor
Archimédes Csiga
A villamos energia fogyasztás megoszlása Világítás 19%
Villamos motorok, hajtások 51%
Hő, kémiai alk. 16%
Informatika, hírközlés 14%
Energiahatékonyság Az energiahatékonyság ésszerű, tudatos energiafelhasználás: motorok esetében ez jobb üzemi hatásfokot ill. a fordulatszám szabályozását jelenti az alkalmazott technológiától függően. A legolcsóbb és az egyetlen környezetbarát energia az, amelyet nem használunk fel Tények: 1. A villamos energia több mint felét a villamos motorok fogyasztják 2. Egy folyamatos technológiában működő villamos motor árát akár két nagyságrenddel meghaladhatja a motor életciklusa során felhasznált energia költsége!
A legnagyobb villamos energia fogyasztó - az aszinkron motor főbb jellemzői • • • • •
Előnyök: Egyszerű, robusztus szerkezet Megbízhatóság Minimális karbantartási igény Versenyképes ár Széles típusválaszték
Hátrányok: • A gépnagyságtól erőteljesen függő hatásfok • Nagy meddő igény (cos fi=0,7…0,9) • Nagy indítóáramok (Istart=In*5…7)
Pvill/Pn
Aszinkron motor tipikus üzemi jelleggörbéi 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Pvill/Pn I/In n/ns η cos φ Pteng/Pn 0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
Motor veszteségi teljesítmény jellemző megoszlása
10 kW-os (2p=4) aszinkron motor veszteségi teljesítmények • Terhelés függő: • PCu-st = 400 W • P rotor = 250 W
65 % Pveszt=1,0 kW
Pinput=11 kW Pteng =10 kW
• • • •
Terhelés független: PFe = 200 W Pjár = 100 W Pmech= 50 W 35 % Pü= PFe+Pjár+Pmech+PCu-ü η=Pteng/Pinput=90,9 % IEC 60034-1 darabvizsgálati előírás: Pü, Iü mérése kötelező!
Motor hatásfok nemzetközi előírások (2p=4; 50Hz)
Hatásfok kategória jelölése P(kW) 2p=4 Eff3
1,1
2,2
4
7,5
15
22
37
55
90
<76.2 <81.0
<84.2
<87.0
<89.4
<90.5
<92.0
<93.0
<93.9
≥76.2 ≥81.0
≥82.6
≥87.0
≥89.4
≥90.5
≥92.0
≥93.0
≥93.9
≥83.8 ≥86.4
≥88.3
≥90.1
≥91.8
≥92.6
≥93.6
≥94.2
≥95.0
η (%) Eff2
η (%) Eff1
η (%)
VILLAMOS GÉPEK JELANALÍZISE
FESZÜLTSÉG
ÁRAM
TELJESÍTMÉNY
u(t) Ueff U-pv
P Q S Cos φ M-pv
i(t) Ieff I-pv
OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY, USA Motor áram analízis MCSA : On-Line Monitoring and Analysis of Current to Assess the Condition of an Induction Motor Drive System
A VILLAMOS JEL MÉRŐESZKÖZEI Áramérzékelők: -Hagyományos áramváltók, -Lakatfogók, -Hall-cellás áramváltók, -Rogowski-tekercsek
Feszültségérzékelők: Feszültségosztók, Feszültségváltók, Hall-cellás feszváltók, Feszültségleválasztók
Helyszíni mérés a kapcsolótérben
A VILLAMOS JEL ANALÍZIS ELŐNYEI és ALKALMAZÁSA 1. 2. 3. -
A mérés nem zavarja a termelési folyamatot és a kapcsolótérben egyszerűen elvégezhető Bármilyen fordulatszámú, kivitelű és teljesítményű gép esetén jól alkalmazható Univerzális jellegű, mert képes kimutatni: a villamos gép hatásfokát és üzemének jellemzőit az energiaellátás minőségét, zavarait, a villamos vezérlés, szabályozás hibáit, a villamos gép hibáit (állórész, forgórész, csapágy, stb.) a mechanikai erőátvitel hibáit (kiegyensúlyozatlanság, tengelykapcsolódás, fogaskerék-kapcsolódás, stb.), a munkagép hibáit (kiegyensúlyozatlanság, csapágy, fellazulás, rezonancia, kavitáció, stb.) egyéb, technológiai- és rendszertechnikai eredetű anomáliákat
A háromfázisú aszinkron motor hatásfokának meghatározása kizárólag villamos mérések alapján!
ηmot=Pteng/Pvill Pvill=ur(t)*ir(t)+us(t)*is(t)+ur(t)*ir(t)
Pteng=Mteng*ωrot
A háromfázisú aszinkron motor mechanikai nyomatékának meghatározása
Mteng=Mlégr-Mveszt Mlégr=1,5*pp*Im(ψs*is) ψs= f(us, Is*Rs) Mveszt ≈Pü/ωrot ≈ const Mteng≈Mlégr - Pü/ωrot
A szlipfrekvencia ill. a motor fordulatszám meghatározása a villamos áramjel spektrumból 15 kW-os recirkulációs szivattyú motor állandó üzem Motor áram Park-vektor spektrum (FFT) 1 0
5
10
15 f(Hz)
0,1 Ipv-amppeak(A)
1,708984375
0,01
0,001
0,0001
20
2524,56665039
30
A motor fordulatszám kiszámítása a villamos áramjel spektrumból
n=(2*Lf-Sf)/2p, ahol n – motor fordulatszám Lf=50 Hz – tápfrekvencia 2p – motor pólusszám Sf – szlipfrekvencia n=(2*50-1,701)/4=24,57 1/s=1474,5 1/min Mitől függ a mérés pontossága?
Törött kalickarúd hatása a motoráram spektrumra I(A)
Timföldőrlő golyósmalom hajtás kalickás motorjának áram spektruma 1000
100
10
i-acs(A)
1 46
47
48
49
50
0,1 f(Hz)
51
52
53
54
MOTOR ÜZEM JELLEMZŐK (15 kW, 2p=4, 380 V, sziv.)
Jelölés/Mértékegység
Mennyiség
Fázisfeszültség, effektív
Ua-eff (V)
227,15
Fázisfeszültség, effektív
Ub-eff (V)
225,05
Fázisfeszültség, effektív
Uc-eff (V)
225,98
Vonali tápfeszültség effektív középértéke
Uv-eff (V)
391,55
%
103,04
Au (%)
0,48
Motor áram
Ia-eff (A)
25,08
Motor áram
Ib-eff (A)
24,07
Motor áram
Ic-eff (A)
25,41
%
86,30
Áram aszimmetria (max. eltérés/átlag)
Aa (%)
3,14
Látszólagos teljesítményfelvétel
S (kVA)
16,86
Hatásos teljesítményfelvétel
P (kW)
13,33
(%)
76,98
Q (kVAr)
10,31
Cos fi
0,79
Légrésnyomaték
M (Nm)
74,80
Motor fordulatszám
n (1/min)
1474
Tengelyteljesítmény
Pteng (kW)
11,55
Veszteségi teljesítmény
Pveszt (kW)
1,76
%
86,7
Feszültség szint (Uátlag/Un) Feszültség aszimmetria (max. eltérés/átlag)
Motor áram szint (Iátlag/In)
Terhelés (Pteng/Pnévl) Meddő teljesítményfelvétel Teljesítménytényező
Motor üzemi hatásfok (Eff2=89,4 ; Eff3=91,8)
A VJA-n alapuló műszaki audit megállapításai 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Tervezési hibák Gyártási, telepítési, szerelési hibák Vezérlési, szabályozástechnikai hibák Üzemeltetési hibák (kézi-automatikus üzem, gépkezelő, operátor) Karbantartási hibák (beállítás, kenés, felesleges gépmegbontás) Javítási, felújítási hibák, nem megfelelő vagy hibás alkatrészek beépítése Energiaellátási, energiahatékonysági, meddőgazdálkodási hiányosságok A kezelési- és karbantartási dokumentáció és előírások hiányosságai
Telephelyenként 15…35 % villamos energia megtakarítási lehetőség! Hiányos tervezés, üzemeltetés, karbantartás: • Névlegesnél alacsonyabb feszültségen történő üzemelés • Alacsony terhelésen (50 % alatt) történő üzemelés • A meddőkompenzáció hiányosságai • Fordulatszám szabályozás hiánya • A tervezők és beruházók nem ismerik az energiahatékony motorokat. A Life Cycle Costing szemlélet hiánya
Terepi mérőeszközök 3-fázisú teljesítmény mérő és analizátor
3-fázisú tranziens adatgyűjtő
MOM-Park hőközpont online számítógépes mérőrendszere
HOLCIM forgókemence hajtás integrált diagnosztikai rendszere
Az irányítástechnika és informatika forradalma: az egyedi eszközöktől az integrált intelligens rendszerekig Érzékelők, Mérőeszközök, Távadók, Védelmi eszközök, Diagnosztikai eszközök, Folyamatirányítás, Hálózatok, Szuperszámítógépek
online-,offline-, valósidejű adatfeldolgozás, beágyazott rendszerek, LAN, wireless, Internet, cloud computing, szakértői rendszerek, szimulációs rendszerek, kaotikus dinamika, mesterséges intelligencia, neurális hálózatok, fuzzy, stb…
Kitekintés
