Hoe aandrijvingen energie besparen

Hoe aandrijvingen energie besparen

Energie wordt gedefinieerd als de capaciteit van een fysiek systeem om werk te verrichten. Energie is in beginsel een fundamentele kwantiteit die kan bestaan in verschillende vormen, in het bijzonder uit warmte, licht, kinetische, elektrische en potentiële energie. Energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, maar kan wel worden omgezet tussen verschillende vormen. Kinetische (bewegings)energie bijvoorbeeld die ontstaat door te klappen, wordt in warmte en geluid omgezet wanneer uw handen contact met elkaar maken.

Energie-efficiëntie heeft betrekking op de verhouding van nuttige energie die kan worden omgezet van eenEnergie-efficiëntie = minimaliseren van verliezen
bron in een gewenste vorm. Bij het omzetten van energie is de gegenereerde ‘gewenste energievorm’ (indien gemeten in joules) altijd minder dan de energiebron in joules, aangezien er tijdens het omzettingsproces enige energie in andere vormen over gaat.

Direct geschakelde motoren kunnen hun toerental niet aanpassen. Deze zijn ontwikkeld om te draaien op een vooraf ingesteld toerental op basis van het aantal polen en de specifieke voedingsspanning en frequentie. Zelfs voor systemen met een vast toerental kan het lastig zijn een motor te vinden die op het juiste toerental voor de specifieke toepassing roteert. Hierbij moeten wellicht extra onderdelen worden besteld, zoals:

  • Tandwielen
  • Procesregelingen (dempers)
  • AC-aandrijvingen

Alle motoren zijn voorzien van een naamplaatje dat het toerental in omwentelingen per minuut (omw/min) bij een ingestelde spanningsfrequentie en belastingsstroom aangeeft. AC-aandrijvingen zijn apparaten die ontwikkeld zijn voor een effectieve toerentalregeling van AC-motoren door het manipuleren van spanning en frequentie, en daardoor van de magnetische flux in de motor.

Door het toerental van een motor te regelen op basis van moderne AC-aandrijvingen kunnen gebruikers niet alleen profiteren van een veel betere procesbeheersing, maar kunnen zij ook de slijtage van machines terugdringen, de vermogensfactor vergroten en grote energiebesparingen realiseren.

De meeste belastingprofielen van applicaties kunnen worden onderverdeeld in de volgende koppelcategorieën:

  • Constant koppel - bijv. transportbanden, vereisen dikwijls een startkoppel dat dicht bij het nominale koppel van de motor ligt en
    vertonen slechts kleine veranderingen bij het benaderen van het nominale toerental.
  • Lineaire koppels - zoals schroefcompressors, hebben een meer lineair draaimoment, dat evenredig
    aan het toerental toeneemt.
  • Variabele koppels - zoals pompen en ventilatoren, hebben draaimomenten die in het kwadraat
    met het toerental toenemen en 100% koppel bereiken net onder het nominale toerental.

Type belastingen

Uitgaande van de toerentalregeling kunnen de grootste besparingen worden behaald bij applicaties waarbij een variabel koppel is vereist, zoals pompen en ventilatoren. Vanwege de relatie tussen toerental en vermogen kan door een eenvoudige verlaging van het ventilatortoerental met 20% een energiebesparing van bijna 50% worden gerealiseerd.

Het verlagen van het motortoerental is gewoonlijk de eerste stap om energie te besparen, waarbij kleine veranderingen in toerental voor grote kostenbesparingen kunnen zorgen. AC-aandrijvingen bieden hiervoor de middelen; maar zijn ze nog tot meer in staat?

Aangepaste V/Hz verhouding voor ventilatoren en centrifugaalpompen

Aanpassen van de V/Hz verhouding voor ventilatoren en centrifugaalpompen, is een functie binnen  de AC-aandrijvingen van Control Techniques , die u verdere energiebesparingen kan opleveren bij het regelen van variabele koppels, zoals voor pompen en ventilatoren.

Door het toerental van variabele koppels te regelen, kunnen er energiebesparingen evenredig aan de toerentalafname worden gerealiseerd. Dit komt doordat vermogen een product is van koppel en toerental, waarbij variabele koppels evenredig aan het kwadraat van het toerental toenemen. In de lineaire spanningsfrequentiemodus kunnen AC-aandrijvingen 100% koppel leveren tot aan het nominale motortoerental; dat betekent dat er altijd ruim voldoende koppel beschikbaar is tot aan het nominale toerental.

Aangepaste V/Hz verhouding voor ventilatoren en centrifugaalpompen - beschikbaar koppel

Door het aanpassen van de V/Hz verhouding voor ventilatoren en centrifugaalpompen wordt de verhouding tussen lineaire spanning en frequentie zodanig gemanipuleerd, dat het koppel, en daardoor de flux, in de statorwikkelingen van de motor verminderd wordt, wat zorgt voor een afname van verlies.

Dynamische V/Hz verhouding

In de aandrijvingen van Control Techniques is de dynamische V/Hz verhouding geïntegreerd: deze is ontwikkeld voor toepassingen waarbij vermogensverlies in de motor bij lage belastingscondities tot een minimum wordt beperkt. In deze modus zal de aandrijving de spanning afstemmen op de frequentiekarakteristieken die worden overgebracht op de motor, afhankelijk van het belastingsniveau, zodanig dat bij een licht belastingsniveau de spanning op de motor voor een bepaalde frequentie wordt verminderd. Hierdoor wordt de magnetiseringsstroom (of flux producerende) stroom verminderd, die op zijn beurt verliezen in de motor vermindert.

PID-regeling

Zoals reeds eerder besproken, kunnen AC-aandrijvingen het energieverbruik significant beperken door het motortoerental exact af te stemmen op het voor de toepassing vereiste vermogen. Om het motortoerental dynamisch te variëren, is een Closed Loop regeling nodig, die rekening houdt met het gemeten uitgangsvermogen van een proces. Gewoonlijk wordt dit toegepast bij toepassingen met druk-, niveau- en temperatuurregeling. De meest gebruikelijke regelmethode is de PID-regelkring (Proportioneel, Integraal, Differentiaal). Alle aandrijvingen van Control Techniques beschikken over één of meer PID-regelkringen binnen het product.

Actieve front end-systemen (AFE)

De ingangstrap van een niet-regeneratieve AC-aandrijving is gewoonlijk een diode-gelijkrichter. Daarom kan er geen stroom worden teruggevoerd naar de AC-voeding en wordt overtollige energie binnen het systeem vernietigd in een vermogensweerstand en omgezet in warmte. AFE-systemen maken gebruik van een gecontroleerde IGBT gelijkrichterbrug; deze maakt het mogelijk dat energie van en naar AC-voeding kan stromen. Dit biedt veel meer rendement dan standaard AC-aandrijvingen in toepassingen waarbij het afremmen van het mechanisch systeem tot verspilling van energie in de remweerstand zou leiden.

De standaard Unidrive SP van Control Techniques kan worden aangesloten als een AFE-systeem. Er worden twee aandrijvingen gebruikt, waarvan de ene dient voor de regeling van de energiestroom van de lijnvoeding naar de DC-bus en de andere dient voor de regeling van de energiestroom van de DC-bus naar de motor. De belangrijkste voordelen van een AC-regeneratiesysteem zijn:

  • Energiebesparing
  • De ingaande stroom is sinusvormig
  • De ingaande stroom heeft een vermogensfactor die bijna gelijk is aan 1
  • Er kan een cosinus phi worden geïmplementeerd

Systemen met gekoppelde tussenkringen

De DC-bussystemen bieden een andere methode om de bedrijfskosten te drukken, door energie uit te wisselen tussen aandrijvingen. Een toepassing waarbij dit heel effectief is, betreft systemen waarbij materiaal wordt op- en afgewikkeld. Bij deze toepassing is het belangrijk om spanning op het materiaal te houden; hiervoor remt de afwikkelaar constant af en zorgt de opwikkelaar voor een de trekkracht. Binnen een ideaal systeem is de energie die nodig is precies voldoende om systeemverliezen op te vangen.

De combinatie van een AFE met een normaal DC-bussysteem  biedt een maximaal flexibel vermogenssysteem, waarbij in twee richtingen energie kan stromen tussen aandrijvingen en de voeding. Het is gebruikelijk voor deze toepassingen dat er één AFE-eenheid wordt gebruikt voor meerdere aandrijvingen. De AFE wordt afgestemd op de systeemeisen.

Berekenen van het rendement op investering (ROI) voor energiebesparingstoepassingen

Software van Control Techniques helpt u bij het analyseren van uw energieverbruik voor verschillende toepassingen en het berekenen van kostenbesparingen door gebruik te maken van AC-aandrijvingen. De belangrijkste softwarefuncties zijn:

  • Schatting van het energieverbruik bij gebruik van AC-aandrijvingen voor ventilatoren en pompen
  • Vergelijking van energieverbruik tussen AC-aandrijvingen en traditionele bedieningsmethoden
  • Weergave van energiekosten, besparingen en terugverdientijd
  • Grafische weergave van flow versus kosten, uren en tijd
  • Gebruikersspecifiek rapport
  • Geïntegreerde rekenmodule voor berekeningen van vermogen, koppel, AC-motoren, wet van Ohm enz.