Toerenregeling in de industrie

Toerenregeling in de industrie Vergelijk van magneetkoppeling (MK) en frequentieregelaar (FR) Aerdenhout, 30 maart 2015 TPA adviseurs

Inhoud 1. Inleiding .......................................................................................................................................................... 3 2. Energieverliezen en ‐besparingen .......................................................................................................... 4 3. Economie ........................................................................................................................................................ 6 4. Conclusies .................................................................................................................................................... 12 Bijlagen Lijst van tabellen en figuren Tabel 1.

Vermogen naar toerentalreductie / slip, voor MK en FR ....................................................................... 4

Figuur 2.

Opgenomen vermogen naar toerentalreductie / slip, voor Smoorklep, MK en FR ................................ 5

Tabel 3.

Waarden opgenomen vermogen vlgs figuur 2 ....................................................................................... 5

Figuur 4.

Terugverdientijden voor FR (0 en 90 meter) en MK (variabel (0 en 90 meter) en vast) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem, (zie onderstaande tabel 5 met waarden) .................. 7

Tabel 5.

Terugverdientijden voor FR (0 en 90 meter) en MK variabel (0 en 90 meter) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem ............................................................................................ 7

Figuur 6.

Terugverdientijden voor FR (150 meter) en MK (variabel (0 en 150 meter) en MK vast bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem in ATEX omgeving (zie onderstaande tabel 7 met waarden) ............................................................................................................................................... 8

Tabel 7.

Terugverdientijden voor FR (150 meter) en MK variabel (150 meter) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem in ATEX omgeving ............................................................... 8

Figuur 8.

Verschil in terugverdientijden van de MK variabel t.o.v. FR – op basis van energiekostenbesparing ... 9

Figuur 9.

Besparingen en Ontsparingen in TCO van de MK t.o.v. de FR ‐ met energie‐, onderhouds‐ en vervangingskosten in de TCO ............................................................................................................... 10

Figuur 10. Besparingen en Ontsparingen in TCO van de MK t.o.v. de FR ‐ inclusief kosten voor uitval en stilstand in de TCO ................................................................................................................................ 11 Figuur 11. Regelposities in een aandrijving systeem ............................................................................................... 12 Bijlagen Schema B1. Variable Speed Drives ........................................................................................................................... 14 Tabel B2. Vermogens naar toerentalreductie / slip, voor Smoorklep, MK en FR ................................................ 15

2 Toerenregeling in de industrie, Vergelijk MK en FR

1.

Inleiding

Achtergrond Toepassing van toerenregeling bij elektrische aandrijvingen, in het bijzonder bij pomp‐ en ventilatiesystemen, biedt goede mogelijkheden voor energiebesparing en verlaging van onderhoudskosten en de total cost of ownership (TCO). Voor toerenregeling van aandrijvingen zijn diverse technieken beschikbaar, zie figuur B.1 (bijlage). Elke techniek voor toerenregeling heeft specifieke voor‐ en nadelen (karakteristieken) afhankelijk van de precieze toepassing. De frequentieregelaar is tegenwoordig veruit de meest voorkomende keuze voor een toerenregeling. Echter de permanent magneet slipkoppeling (hierna magneetkoppeling of MK) heeft bepaalde karakteristieken die het afhankelijk van de specifieke toepassing mogelijk een goed alternatief voor de frequentieregelaar maken. In deze notitie wordt dit kort nader uitgewerkt. De magneetkoppeling (1) kan net als de frequentieregelaar het toerental van het gedreven apparaat regelen en zo voorzien in de benodigde procesvraag (druk, flow). Dit is een energetisch efficiëntere oplossing vergeleken met de inzet van een smoorklep of bypass met een niet geregelde pomp. De energetische voordelen van beide technieken zijn het grootst bij pompen en ventilatoren met een variabel koppel, zoals centrifugaal pompen en ventilatoren. Om deze voordelen en onderlinge verschillen nader uit te werken is een voorbeeld case doorgerekend op energetische en economische karakteristieken met als uitgangspunt: een pomptoepassing met smoorklep. De vervangopties zijn frequentieregeling (FR) en magneetkoppeling (MK). Op moment van schrijven (Q1 2015) zijn er geen meetgegevens van de magneetkoppeling uit de praktijk beschikbaar. Over de magneetkoppeling Kenmerkend voor de magneetkoppeling is de contactloze overbrenging via twee magnetische schijven. De instelbare afstand tussen de schijven zorgt voor de toerentalreductie. Er is een uitvoering voor een vast gereduceerd toerental (een constant snelheid overbrenging; hierna de MK‐ vast) en een uitvoering met een traploos regelbaar toerental (hierna de MK‐variabel). De magneetkoppeling regelt de snelheid van de pomp (het gedreven apparaat) door het variëren van de slip. Het rendement is daarmee rechtevenredig met de snelheidsafname. En bedraagt minimaal 2‐ 3% tot een maximum van 50% 2 (regelbare uitvoering). Tegenover dit energetische verlies staan voordelen door het ontbreken van een fysieke koppeling met het aangedreven apparaat (pomp, ventilator). In vergelijking met andere koppelingen als direct drive (as) en flexibele koppelingen, en in vergelijking met frequentieregelaars: ‐ Uitlijning is minder kritisch (enkele millimeters is toelaatbaar3) ‐ Er worden geen trillingen via de koppeling overgebracht, waardoor er minder slijtage optreedt, in koppeling en aangedreven apparaat, in vergelijking met flexibele koppelingen, snaar‐ overbrengingen en direct drive. ‐ Traploos instelbaar (op basis van slip). ‐ Lage installatie‐/bekabelingskosten in vergelijking met frequentieregelaar. ‐ Geen noodzaak om voorzieningen te treffen om netverstoringen te corrigeren (door harmonische en cos phi). 1

In deze notitie verwijst dit naar het type “een traploos regelbaar toerental”, tenzij anders aangegeven. Voor een 100 kW pompaandrijving betekent dit 3 kW verlies bij 2‐3% slip en 12,5 kW verlies bij 50% slip, zie tabel B2. 3 Opgave fabrikant MK 2


2.

Energieverliezen en ‐besparingen

In dit rekenvoorbeeld wordt een frequentiegeregelde pomptoepassing van een 100 kW4 (motor + pomp + FR) vergeleken met een door een magneetkoppeling geregelde pomptoepassing. De pomp wordt geregeld van 5% tot 50% flowreductie (toerental), middels de frequentieregelaar, en bij de magneetkoppeling door de slip te vergroten. De verliezen (in kW asvermogen) zijn als volgt – zie ook tabel 1, regels B2 en C2, en figuur 2:  Bij de magneetkoppeling bedragen de verliezen door slip tussen de 5% tot 15% van het nominale vermogen: van 4,5 kW bij 5% slip tot maximaal 14,7 kW bij 30% slip, om bij meer slip weer af te nemen tot 12,5 kW bij 50% slip.  Bij de frequentieregelaar liggen de verliezen tussen de 6% tot 14% van het opgenomen vermogen en bedraagt resp. 6,2 kW bij 5% en 2,4 kW bij 50% toerenreductie.  Het motorrendement daalt met 2% ‐ 3% bij 50% deellastbedrijf (zowel bij MK als bij FR), met in het geval van de combinatie met een frequentieregelaar een extra 1%‐1,5% rendementsafname.  De energieverliezen van de frequentieregelaar en de magneetkoppeling zijn o vergelijkbaar in het regelbereik 5% ‐ 7%: nl. 5 tot 6 kW, en o in het regelbereik >7% zijn de verliezen van de magneetkoppeling 2 kW tot 10 kW hoger dan bij de frequentieregelaar. Percentage speedreduction / slip 5% 10% 20%

Drive‐system elements

30%

40%

50%

B1. Motor shaft speed Motor shaft power Motor efficiency B2. Coupling slip speed Coupling slip power B3. Pump shaft speed with x% slip Pump mechanical power

rpm kW % rpm kW % kW

1490 90,3 90,4% 74,5 4,5 95% 86

1491 81,2 90,2% 149 8,1 90% 73

1493 64,3 90,0% 299 12,9 80% 51

1495 49,2 89,0% 449 14,7 70% 34

1496 36,2 88,0% 598 14,5 60% 22

1497 25,1 87,0% 749 12,5 50% 13

C1. VFD: % speed reduction VFD efficiency VFD losses C2. Motor shaft speed Motor shaft power Motor efficiency C3. Pump mechanical power

% % kW rpm kW % kW

5% 94% 6,2 1416 86 88,9% 86

10% 93% 6,2 1342 73 88,7% 73

20% 92% 5,1 1194 51 88,5% 51

30% 90% 4,4 1047 34 87,5% 34

40% 88% 3,4 898 22 86,5% 22

50% 86% 2,4 749 13 85,5% 13

Tabel 1. Vermogen naar toerentalreductie / slip, voor MK en FR

De verliezen worden als warmte aan de omgeving afgegeven: in de elektromotor en bij de magneetkoppeling direct in de koppeling. De verliezen van de frequentieregelaar worden direct in de regelaar zelf afgegeven; afhankelijk van de plaatsing van de frequentieregelaar, is dit ook bij de aandrijving zelf, dan wel in de kast waar de frequentieregelaar is geplaatst. Deze kast wordt extra gekoeld met omgevingslucht, met behulp van een ventilator (het energieverbruik is inbegrepen in deze berekening), en soms met gekoelde lucht (het airco‐/koel‐ energieverbruik is niet inbegrepen in deze berekening). 4

Fictieve waarde, om vergelijk van overbrengingen inzichtelijk te maken. 4

Toerenregeling in de industrie, Vergelijk MK en FR

Figuur 2. Opgenomen vermogen naar deellastbedrijf: smoorklep (P‐klep), magneetkoppeling (P‐MK) en frequentieregelaar (P‐FR)

Power consumption (grid) a Flex coupling drive (grid) b Magn. Coupling drive (grid) c VFD+motor combined (grid) Difference b ‐ c (PMK ‐ VFD)

kW kW kW kW

5% 105 100 103 ‐2,8

Tabel 3. Waarden opgenomen vermogen vlgs figuur 2

10% 103 90 89 1,4

20% 99 71 63 8,3

30% 97 55 44 11,5

40% 96 41 29 12,6

50% 95 29 17 11,8

Zowel met de magneetkoppeling als met de frequentieregelaar zijn grote energiebesparingen te realiseren t.o.v. de uitgangssituatie met de smoorklep (zie ook tabel B.2 in de bijlage):  tussen de 5% en de 70% voor de magneetkoppeling afhankelijk van de toerentalreductie, en  tussen de 2% en 82% voor de frequentieregelaar. In een onderling vergelijk blijkt de energiebesparing met de magneetkoppeling circa 77% tot 90% te bedragen van de besparing met de frequentieregelaar in het regelbereik tussen 10% en 50% toerentalreductie. Bij toerentalreducties tot circa 5‐7% is de magneetkoppeling licht in het voordeel. Voor het vergelijk van de economische aspecten van de magneetkoppeling en de frequentieregelaar wordt hierna gerekend met een gemiddelde waarde van 80% energiebesparing haalbaar met de magneetkoppeling ten opzichte van de besparing met een frequentieregelaar in vergelijkbare situatie.


3.

Economie

De eenvoudige terugverdientijd (TVT) is een gangbare maat om de rentabiliteit van een investering in energiebesparing uit te drukken. De TVT is de tijd waarin de investering zich terugbetaalt middels de besparingen op operationele kosten; veelal wordt hier vanuit gemak, eenvoud en soms ook vanwege het ontbreken van andere kostengegevens alleen met de energiekosten. Een beter beeld van de voor‐ en nadelen van een energie‐efficiency investering ontstaat door met de TCO (total cost of ownership) te rekenen. Hiermee worden de kosten én besparingen over de levensduur van het apparaat meegenomen. Effecten van de investering op onderhoudskosten, stilstandstijden, tussentijdse vervanging e.d. worden in de berekening meegenomen. In de onderstaande berekeningen zijn TVT en TCO uitgewerkt voor de verschillende situaties. Daarbij zijn de volgende drie situaties vergeleken5: Standaard industriële omgeving (d.w.z. niet‐ATEX): 1. De frequentieregelaar wordt direct op/bij de pomp gemonteerd, de totale investeringskosten bestaan uit aanschaf‐ en installatiekosten. 2. De frequentieregelaar wordt in een aparte meterkast opgenomen, met extra kosten voor plaatsing op afstand (90 meter bekabeling) en (ruimte in) meterkast. ATEX omgeving: 3. Plaatsing in een ATEX‐zone (e of d). De frequentieregelaar wordt bij voorkeur buiten de ATEX‐zone geplaatst, op een afstand van 150 meter (speciale afgeschermde kabel), en er is sprake van bijkomende kosten voor onder meer hercertificering van de elektromotor (bij plaatsing bij bestaande elektromotor). Vergelijk op basis van terugverdientijd energiebesparing In de figuren 4, 6 en 8 zijn de verschillen in TVT tussen de magneetkoppeling‐varianten en de frequentieregelaar voor plaatsing met en zonder additionele bekabeling en in ATEX en niet‐ATEX omgeving grafisch weergegeven. 



Op basis van de kale terugverdientijd is de frequentieregelaar in het voordeel bij plaatsing direct bij de aandrijving. Wanneer de frequentieregelaar op afstand wordt geplaatst (90 meter), zijn de frequentieregelaar en permanent magneetkoppeling circa gelijk in rentabiliteit. Voor de drie varianten met additionele kosten voor bekabeling en voor de ATEX‐omgeving (groen, paars, rode lijn) is de magneetkoppeling in het voordeel.

Standaard omgeving (niet‐ATEX):  Bij plaatsingen op afstand (90 meter) heeft de regelbare magneetkoppeling (MK‐variabel) circa gelijke terugverdientijden als de frequentieregelaar, en bedraagt <3 jaar bij vermogens groter dan 35 kW.  Bij plaatsing zonder extra bekabeling heeft de frequentieregelaar terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 10 kW.  De MK‐vast heeft terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 20 kW. In een ATEX‐omgeving bij plaatsing op afstand (150 meter) is de magneetkoppeling sterk in het voordeel:  De MK‐vast heeft terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 20 kW.  De MK‐variabel heeft terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 30 kW.  De frequentieregelaar heeft terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 190 kW. 5

Voor eenvoud en transparantie zijn de data (voor pompdata, energieverbruik, ‐prijs en bedrijfstijd) uit de CE‐ DCMR‐rapportage als uitgangspunt genomen. 6 Toerenregeling in de industrie, Vergelijk MK en FR

Zie figuur 4 en figuur 6 (volgende bladzijde) met bijhorende tabel 5 en tabel 7 (volgende bladzijde).

Figuur 4. Terugverdientijden voor FR (0 en 90 meter), MK‐var (0, 90 meter) en MK‐vast bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem, (zie onderstaande tabel 5 met waarden) Smoorklep Energie‐ verbruik met klep kW Pnom 5,5 15,5 30 45 110 160 250

kW Pnom 5,5 15,5 30 45 110 160 250

Smoor 20% 20% 20% 20% 20% 20%

kWh 29571 98601 196608 270199 648480 887865 2000000

Frequentieregelaar (FR) Energiebesparing Aanschaf Prijs met FR geinstl., 0 m kabels % kWh EUR EUR 25,4 7511 1500 2.000 29,6 29186 2200 3.200 31,6 62128 3500 5.000 32,1 86734 4700 6.700 32,1 208162 8000 12.000 32,7 290332 11500 17.000 30,0 600000 27450 35.450 Magneetkoppeling Variabel (MKvar) Energie‐ Energie‐ Aanschaf Prijs besparing besparing geinstl., met MK 0 m kabels % kWh EUR EUR 20% 6009 7.100 8.100 24% 23349 9.300 10.300 25% 49702 10.400 11.400 26% 69387 11.100 12.100 26% 166530 18.800 19.800 26% 232266 20.900 21.900 24% 480000 36.300 37.300

Prijs TVT TVT geinstl., FR FR incl. 90 0 m kab 90 m kab m kabels EUR jaar jaar 12.000 4,1 24,6 13.200 1,7 7,0 15.000 1,2 3,7 16.700 1,2 3,0 22.000 0,9 1,6 27.000 0,9 1,4 45.450 0,9 1,2

Prijs geinstl. 90 m kabels EUR 8.700 10.900 12.000 12.700 20.400 22.500 37.900

TVT TVT MKvar MKvar 0 m 90 m kabels kabels jaar jaar 20,7 22,3 6,8 7,2 3,5 3,7 2,7 2,8 1,8 1,9 1,5 1,5 1,2 1,2

Prijs‐ factor 0 m

Prijs‐ factor 90 m

MK vs FR MK vs FR 4,1 0,7 3,2 0,8 2,3 0,8 1,8 0,8 1,7 0,9 1,3 0,8 1,1 0,8 Verschil in TVT MKvar MKvar min FR min FR 0 m 90 m jaar 16,6 5,1 2,3 1,5 0,9 0,5 0,3

jaar ‐2,3 0,2 0,0 ‐0,1 0,3 0,1 0,0

Tabel 5. Terugverdientijden voor FR (0 en 90 meter) en MK variabel (0 en 90 meter) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem 7 Toerenregeling in de industrie, Vergelijk MK en FR

Figuur 6. Terugverdientijden voor FR (150 meter) en MK (variabel (0 en 150 meter) en MK vast bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem in ATEX omgeving (zie onderstaande tabel 7 met waarden) Smoorklep Frequentieregelaar (FR) Energie‐ Energiebesparing Aanschaf verbruik met FR met klep kW Pnom 5,5 15,5 30 45 110 160 250

Smoor 20% 20% 20% 20% 20% 20%

kWh 29571 98601 196608 270199 648480 887865 2000000

% 25,4 29,6 31,6 32,1 32,1 32,7 30

kWh 7511 29186 62128 86734 208162 290332 600000

EUR 1500 2200 3500 4700 8000 11500 27450

Extra

EUR 1625 2650 4125 5525 10000 14125 28588

Magneetkoppeling Variabel (MK‐var) Energie‐ Energie‐ Aanschaf besparing besparing

kW Pnom 5,5 15,5 30 45 110 160 250

% 20% 24% 25% 26% 26% 26% 24%

kWh 6009 23349 49702 69387 166530 232266 480000

EUR 7.100 9.300 10.400 11.100 18.800 20.900 36.300

Prijs geinstl., 0 m kabels EUR 3.625 5.850 9.125 12.225 22.000 31.125 64.038


TVT TVT FR FR 0 m 150 m kabels kabels jaar jaar 7,4 70,9 3,1 19,4 2,3 9,9 2,2 7,7 1,6 3,9 1,6 3,3 1,6 2,4

Prijs‐factor MK vs FR 150 m



TVT TVT MKvar MKvar 0 m 150 m kabels kabels jaar jaar 20,7 23,3 6,8 7,4 3,5 3,8 2,7 2,9 1,8 1,9 1,5 1,5 1,2 1,2

Verschil in TVT: MK min FR 150 m [jaar] ‐47,6 ‐12,0 ‐6,1 ‐4,8 ‐2,0 ‐1,8 ‐1,2

Tabel 7. Terugverdientijden voor FR (150 meter) en MK variabel (150 meter) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem in ATEX omgeving

0,3 0,3 0,3 0,3 0,4 0,4 0,4


Figuur 8. Verschil in terugverdientijden van de MK variabel t.o.v. FR – op basis van energiekostenbesparing

Vergelijk op basis van Total Cost of Ownership (TCO) Een vergelijk van de Total Cost of Ownership (TCO) of Life Cycle Costs (LCC) van investeringen geeft volwaardiger informatie over de werkelijke (toegevoegde) waarde van een investering in apparatuur voor energiebesparing, procesverbetering. Belangrijke factoren tijdens de gebruiksfase (operating phase) zijn ‐ naast energiekosten ‐ de operationele kosten en stilstandskosten. Afhankelijk van het type aandrijfsysteem, bijvoorbeeld bij pompsystemen, kunnen de onderhoudskosten ook een factor van betekenis vormen op de TCO / LCC (zie onderstaand kader). LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd Procurement: Cic = initial capital cost (procurement cost), Cin = installation and commissioning costs Operating: Ce = energy cost, Co = operating cost, Cs = downtime and lost production costs Servicing: Cm = maintenance cost, Cenv = environmental cost Disposal: Cd = decommissioning and disposal costs One of the biggest factors in the life cycle cost formula is the energy cost. Higher Investments which bring the energy consumption down will, in many applications, have only a minor impact. Systeemgrens Bij het doorrekenen van de TCO ligt het voor de hand om alle componenten van het aandrijfsysteem mee te nemen: d.w.z. pomp, elektromotor, regelaar en toebehoren. Dit in tegenstelling tot de berekeningen hier gepresenteerde berekeningen van de terugverdientijd, waar pomp en elektromotor buiten beschouwing bleven. Een knelpunt bij TCO‐analyses is de beschikbaarheid van goede, betrouwbare gegevens van de kosten(verschillen) gedurende de gebruiksduur, en dan vooral de kosten voor onderhoud, down‐ 9 Toerenregeling in de industrie, Vergelijk MK en FR

time, en uitval. Zijn deze kosten inzichtelijk voor de bestaande situatie? En hoe kunnen de kwaliteiten van de alternatieven ‐ de frequentieregelaar en de magneetkoppeling – hierin worden opgenomen? Bij de onderstaande berekeningen is hiertoe gewerkt met een aantal variabelen, om zo de invloed van bepaalde kosten te illustreren, en om aan te geven waar de potentiele winstpunten liggen bij de TCO van een toepassing. Energiekosten in de TCO (regelaar) In onderstaande berekeningen is gerekend met de energiekosten, onderhoudskosten en tussentijdse vervanging (van frequentieregelaar) voor een gebruiksduur van 20 jaar. Eventuele kosten door stilstand, productieverlies zijn niet meegerekend. De kosten (in % van TCO) over 20 jaar zijn voor respectievelijk Investering, Energie en Onderhoud voor de situatie ‘Standaard 0 meter’:  FR: 4% (investering), 94% (energie) en 2% (onderhoud)  MKvariabel: 2% (investering), 98% (energie) en <1% (onderhoud). En voor de situatie voor ‘ATEX 150 meter’ zijn de percentages:  FR: 9% (investering), 86% (energie) en 5% (onderhoud)  MKvariabel: 2% (investering), 98% (energie) en <1% (onderhoud). Met deze kosten‐verhoudingen is, zie figuur 9:  bij de situatie ‘Standaard 0 meter’ heeft de frequentieregelaar lagere TCO (blauwe lijn) dan de magneetkoppeling.  bij de situatie ’90 meter’ (rode lijn ) heeft de magneetkoppeling tot ca. 75 kW lagere TCO dan de frequentieregelaar.  bij de situatie ‘ATEX 150 meter’ heeft de magneetkoppeling (groene en paarse lijn) lagere TCO dan de frequentieregelaar.

Figuur 9. Besparingen en Ontsparingen in TCO van de MK t.o.v. de FR ‐ met energie‐, onderhouds‐ en vervangingskosten in de TCO

10


Kosten voor downtime en productieverliezen in TCO (pomp+motor+regelaar) In de volgende berekeningen zijn de kosten voor stilstand en productieverlies wél meegerekend, in aanvulling op de energiekosten, onderhoudskosten en kosten voor tussentijdse vervanging (van frequentieregelaar), én zijn er kosten meegerekend voor onderhoud/vervanging van pomp en elektromotor, voor een gebruiksduur van 20 jaar. De kosten voor stilstand/uitval zijn in dit voorbeeld geschat op 14%‐18% van de TCO.

Figuur 10. Besparingen en Ontsparingen in TCO van de MK t.o.v. de FR ‐ inclusief kosten voor uitval en stilstand in de TCO

De totale kosten (% van TCO) over 20 jaar zijn nu voor respectievelijk investering, energie, onderhoud en stilstand/uitval voor de situatie ‘Standaard 0 meter’:  FR: 8% (investering), 66% (energie), 8% (onderhoud) en 18% (stilstand/uitval)  MKvariabel: 7% (investering), 74% (energie), 7% (onderhoud) en 14% (stilstand/uitval). Met deze kostenverhoudingen biedt de MK wél lagere TCO t.o.v. de frequentieregelaar, bij alle vermogens: zie de lichte blauwe lijn in figuur 10 (TCO II), t.o.v. de donkerblauwe lijn (TCO I).


4.

Conclusies

Toerenregeling biedt een groot besparingspotentieel bij pomp‐ en ventilatiesystemen waar opbrengstregeling wordt toegepast met smoorkleppen of bypasses (overeenkomend met regelpositie T3 in figuur 11). Dit geldt in het bijzonder voor processen met een variabele flow/vraag in de tijd, maar ook voor veel processen met een vaste gereduceerde flow/vraag in de tijd. Met het vervangen van de smoorklep of bypass door een frequentieregelaar (positie T1) of een magneetkoppeling (positie T2) wordt regeling van het juiste toerental van de pomp of ventilator mogelijk.

Figuur 11. Regelposities in een aandrijving systeem

Daarbij heeft de magneetkoppeling specifieke voor‐ en nadelen ten opzichte van de frequentieregelaar, de meest gangbare toepassing voor toerenregeling. Hoe deze voors en tegens uitpakken verschilt per situatie, afhankelijk van de productieomgeving (ATEX, stof, vuil), het vermogen, de aandrijftrein, de gewenste regelbaarheid, energieprijs, bedrijfstijd, en dergelijke. In zijn algemeenheid kan worden gesteld: ‐

De magneetkoppeling is door zijn mechanische eenvoud al snel rendabel toe te passen in productieomgevingen als ATEX en omgevingen met stof, vuil, agressieve media. Een frequentieregelaar heeft in deze omgevingen veelal hogere investerings‐ en onderhoudskosten.

‐

In alle situaties is de magneetkoppeling in het nadeel (t.o.v. de frequentieregelaar) door de hogere energieverliezen. De extra warmteproductie (in de magneetkoppeling) wordt middels convectie aan de omgeving afgegeven.

‐

In standaard productieomgevingen werkt dit nadeel van de hogere energieverliezen negatief uit voor de magneetkoppeling in vergelijking met de frequentieregelaar. Specifieke eisen/omstandigheden kunnen de magneetkoppeling een voordeel geven, bijvoorbeeld situaties waar sprake is van hoge uitval frequentie, eenvoud van bediening/vervanging. Bij de analyse dient de gehéle aandrijflijn en de precieze vraag (bv. pompkarakteristiek) te worden bekeken.

‐

De frequentieregelaar heeft unieke eigenschappen, zoals de regelbaarheid van de aandrijving: snelheid en exactheid van regelen van koppel en toeren, en een belastbaarheid van 100% en meer.

‐

De magneetkoppeling heeft unieke eigenschappen: hij heeft bij installatie een minder nauwkeurige uitlijning nodig, en geeft minder trillingen en geluid door de contactloze overbrenging. En met de mechanische eenvoud van de magneetkoppeling zijn er minder of geen (in vergelijking met een frequentieregelaar) voorzieningen nodig om de power factor in het bedrijf op een voldoende niveau te houden. 12


Bronnen ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

Laaghangend fruit in de industrie, Energiebesparende maatregelen voor vergunningplichtige industriële bedrijven, CE Delft, februari 2014 Evaluating adjustable speed, Permanent Magnetic Coupling Drives, A.R. Budris, Waterworld.com Back to basics – Pump coupling selection, A.R. Budris, Waterworld.com Variable Speed Pumping — A Guide to Successful Applications, Executive Summary; US Department of Energy, Europump, Hydraulic Institute, May 2004 Permanent magnet couplings and adjustable speed drives technology, F. Holden; ME Plant & Maintenance, p. 31, 32, Issue Jan/Feb 2012 Considerations about Zytec couplings, A. Veltman, Piak Electronic Design B.V., januari 2015 Procesindustrie kan energie besparen op pompen, Utilities, april 2013 Energiebesparing, Invloed van “ Power Quality” op energiegebruik, Dr. ir. J.F.G. (Sjef) Cobben, TU/e, 7 oktober 2010 Persoonlijke communicaties met Duursma Aandrijftechniek, WEG Nederland, Emerson Nederland, KSB Nederland, Zytec Nederland Life Cycle Costs, documentatie van Lenze en KSB Documentatiebladen van Zytec, 2014 Facts Worth Knowing about Frequency Converters, Danfoss, December 2014 Premium Efficiency Motor Selection And Application Guide, US Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, February 2014 Best Practice Efficiënte Aandrijvingen, RVO, 2014/2015


Bijlagen Schema B1. Variable Speed Drives

Bron: Variable Speed Pumping, Executive Summary, US DOE, Hydraulic Institue, Europump, 2004.


Tabel B2. Vermogens naar toerentalreductie / slip, voor Smoorklep (control valve), MK (Slipkoppeling) en FR (VFD) Percentage Speed reduction / Slip percentage 0% 5% 10% 20%

Drive‐system elements B1. Motor shaft speed Motor shaft torque Motor shaft power (Pnom = 90 kW??) Motor efficiency

rpm Nm kW %

B1. Slip percentage Slipkoppeling Coupling slip speed Coupling torque Coupling slip power (=to be dissipated) B.2 Pump shaft speed with x% slip Pump shaft speed (1:1) Pump shaft torque (decr. with square of speed) Pump shaft torque (decr. with square of speed) Pump mechanical power (met 3e macht speed) Pump flow reduction = speed red. Pump pressure reduction Motor energy consumption (reduction?)

1490 640 100 90,4%

30%

40%

50%

1490 579 90,3 90,4%

1491 520 81,2 90,2%

1493 411 64,3 90,0%

1495 314 49,2 89,0%

1496 231 36,2 88,0%

1497 160 25,1 87,0%

rpm Nm kW

5% 74,5 579 4,5

10% 149 520 8,1

20% 299 411 12,9

30% 449 314 14,7

40% 598 231 14,5

50% 749 160 12,5

% rpm % Nm kW

95% 1416 90,3% 579 86

90% 1342 81% 520 73

80% 1194 64% 411 51

70% 1047 49% 314 34

60% 898 36% 231 22

50% 749 25% 160 13

5% 10%

10% 19%

20% 36%

30% 51%

40% 64%

50% 75%

0% 94%

5% 94%

10% 93%

20% 92%

30% 90%

40% 88%

50% 86%

6,4

6,2

6,2

5,1

4,4

3,4

2,4

1490 640 100 88,9%

1416 579 86 88,9%

1342 520 73 88,7%

1194 411 51 88,5%

1047 314 34 87,5%

898 231 22 86,5%

749 160 13 85,5%

% % %

C1. VFD: % speed reduction VFD efficiency VFD losses VFD losses

% % % Pnom kW

C2. Motor shaft speed Motor shaft torque Motor shaft power Motor efficiency (eff4)

rpm Nm kW %

hr/year 8.000 €/kWh 0,10 Power consumption (shaft) A Flex coupling drive = full speed B Magn. Coupling drive C VFD+motor combined

kW kW kW

100 na 106

90 92

81 79

64 56

49 39

36 25

25 15

Power consumption (grid) a Flex coupling drive = full speed (grid) b Magn. Coupling drive (grid) c VFD+motor combined (grid) Difference Output Power Magn. Vs. Motor+VFD

kW kW kW kW

111 na 119 na

100 102,7 ‐2,8

90 88,6 1,4

71 63,1 8,3

55 43,7 11,5

41 28,5 12,6

29 17,1 11,8

Energy cost a Direct drive (full speed) DD with control valve (95% efficiency) b Magn. Slip Coupling drive savings vs control valve savings vs control valve c VFD+Motor combined savings vs control valve savings vs control valve bc Slip coupling vs VFD savings: %‐pnts difference bc Slip coupling energy savings % of VFD savings

EUR/yr 88.496 EUR/yr EUR/yr EUR/yr % EUR/yr 94.968 EUR/yr % % points %

84.071 79.954 4.117 5% 82.167 1.903 2% 3% 216%

82.764 72.014 10.750 13% 70.869 11.895 14% ‐1% 90%

79.503 57.122 22.381 28% 50.513 28.990 36% ‐8% 77,2%

77.921 44.190 33.731 43% 34.959 42.962 55% ‐12% 79%

77.141 32.900 44.241 57% 22.821 54.320 70% ‐13% 81,4%

76.370 23.066 53.304 70% 13.645 62.725 82% ‐12% 85%


Toerenregeling in de industrie

Recommend Documents