Frekvensomformere for vifte- / pumpedrift Installasjon og energiriktig drift Potensiale for energibesparelser lønnsomhet? Eksempler på løsninger ved rehab og ettermontering 1 Arve Bruun Olsen Påstand Enhver h AC motor fortjener en frekvensomformer. Hvorfor? 2
Forbehold En del påstander fremsettes i denne presentasjonen. Påstandene er er ikke historiske fakta. Disse påstandene er basert på hva vi vet i dag. Presentasjonen er laget i februar/mars 2009. Inneholdet i presentasjonen er riktig på dette tidspunktet. Hvis denne prsentasjonen blir brukt senere, ønsker ikke Vacon å være ansvarlig for å oppdatere innholdet. 3 Vacon Vacon er et clean-technology company som utvikler og produserer frekvensomformere brukt til å kontrollere turtallet på elektriske motorer. Brukere er landbasert industri, marine og offshore foruten i kraftgenerering av fornybar energi. Vacon ble etablert i Finland i 1993 for å utvikle og produsere frekvensomformere for et globalt marked. Omsetning i 2007 var 232.2 MEUR Vacon AS ble etablert i 2002, omsatte for 116 MNOK i 2008 og har 9 ansatte 4
Frekvensomformere Hensikten med frekvensomformere er å kontrollere turtallet på en elektromotor Fordeler sparer energi forbedrer prosesskontrollen sparer mekanisk og elektrisk prosessutstyr AC drives blir også brukt i kraftanlegg for fornybar energi 5 Kraftelektronikk og muligheter Sun Energin Power Generation tuotanto Power Sähkön distribution siirto Power Voimalaitos plant G HVDC Anwendungen AF ASC Power Sähkön transformation muunto FACTS Back to Back Wind Tuuli G AF FACTS Mini HVDC Power Sähkön - distribution jakelu LV grid Fuel cell - Automation LV MV FACTS AC LV equipment G Drives M M M M AC DC AC M M DC Local M M M Laivat Ships Off-shores = Tehoelektroniikka- Power electronics & Motor moottorisovellus application M Sukellusveneet Submarines Source: Siemens Tokyo 2007 6
7 Hvilke fordeler kan frekvensomformere f gi et HVAC system? Kjøler Kjøletårn Ventilasjonsvifte Vannvarmer Kjøle coil Behov for omformer! Varme coil Energsparende teknologier Vi er mer og mer avhengig av elektrisitet. Estimater viser at Energiforbruket vil øke 50% i perioden 2005 2030. Forbruket av elektrisitet er estimert til å dobles på samme tid. 65% av elektrisitetproduksjonen foregår ved å brenne fossilt brensel (olje, kull og gass), noe som skaper mye utslipp av CO 2. All teknologi som kan bidra til reduksjon av elektrisitet er nødvendig. AC drives / frekvensomformere er en av teknologiene som gir energibesparende fordeler og hjelper til med å hindre klimaforandring 8
Endringer worldwide Elektriske k motorer bruker 30% av all energi som produseres i verden. Dagens situasjon: Ferre enn 10% av elektromotorer har frekvensomformer. I Europa kan bruk av frekvensomformer resultere i årlig besparelse på 50 TWh. Tilsvarende 11 kjernekraft a 1,000 MW Ekspertene estimerer potensialet for energisparing g er 134 TWh i China og ca 76 TWh i USA * Kilde: Energy Efficient Motor Driven Systems 9 Potensialet t for energisparing i med frekvensomformere i Europas industri EEM = High-efficiency motors VSD = Variable-speed drives Source: Advanced motors, VSDs, transmissions and systems design AníbalT. de Almeida and Fernando J. T. E. Ferreira University of Coimbra 10
Ny standard på virkningsgrad, IEC 60034-30 Gyldig fra 1.1.2010 Ny virkningsgradklasse Gammel virkn.gr.kl. Pris IE1 Standard Efficiency eff 2 100 % IE2 High Efficiency eff 1 115-130 % IE3 Premium Efficiency 140-170 % IE4 Super Premium Efficiency ikke definert? CEMEC-EU avtale IEC 60034-30 Poltall 2, 4 2, 4, 6 Effekt kw 1,1 90 0,75 370 Klasser eff3, eff2, eff1 IE1, IE2, IE3, IE4 Spenning/frekvens V/Hz 400 V/5 0Hz <1000 V, 50 ja 60 Hz Kapslingsklasse IP5x IP2x, IP4x, IP5x, IP6x Bremsemotorer No Yes Girmotorer No Yes EX-motorer No Yes 11 12 Økning av virkningsgrad Input power Input power 285% Transformer η = 98,6 % 160% Transformer η = 98,2 % f1 M 281% AC motor η = 94,3 % f2 157% AC drive η = 98,1 % 265% 160% 100% Pump η = 60 % Valve η = 62,5 % M 152% 142% 100% AC motor η = 96,8 % Pump η = 70 % Efficiency η = 35,1 % Efficiency η = 62,5 % Source: ZVEI
Frekvensomformer - Kraftomformer Tilførsell DC-Bus Utgang Mekanisk k 3 3 = = 1% 1.5% Motor 3 5... 15% 92... 82% P = 3 U rms I rms P = U dc I dc P = 3 U rms I rms cos φ P = ω T Konstant spenning cos φ ca. 1 Strømmen i hht. last Bare aktive effekt og tap fra systemet Konstant spenning Strømmen i hht. last Ca. 0 strøm ved 0 last (bare motor magnetsering) Spenningen er proposjonal med frekvensen Strøm i hht. last, akselrasjon og U/f kurve cos φ avhengig av motor Momentet er avhengig av last Turtall i hht. prosesskrav 11/03/2009 13 Inkjøps- / drifts - kost Innkjøp 49 % Innkjøp 2 % Drift (drivstoff/vedlikehold) 51% Drift (strøm) 98% 14
Levetidskostnader etidskostnader for en motor 100 % 12 år 15 år 20 år 10 % Strøm 96,8 % 98,7 % 99 % 1% Vedlikehold ld 0,9 % Invest. 23 2,3 % 0,2 % 0,1 % 1,1 % 0,9 % 0 1,5 kw 15 kw 110 kw 15 Sak: Avfallspumpestasjon
17 Ny Pumpestasjon Pumpe motorer: 22 kw, 400 V 2 motorer, en I drift en stand by (aldri begge samtidig) Softstarter vs. Frekvensomformer Elektrisk tilkopling til en pumpestasjon (Priser 17.4.2007 Fortum Oyj) Softstarter: Krever hovedsikring 3 x 100 A Frekvensomformer: Krever hovedsikring 3 x 63 A Source: 18 3 x 100 A Hovedsikring for Softstarter 3 x 100 A: Tilkoblingsavgift 8 960 EUR 3 x 100 A: Månedsleie 116 EUR Tilkoblingsavgift og 5 års månedlig leie Tilkoblingsavgift g og 20 års månedlig leie 15 920 EUR 36 800 EUR Eksklusive energikost
19 3 x 63 A hovedsikring for frekvensomformer 3 x 63 A: Tilkoblingsavgift 5 650 EUR Spart 3310 EUR 3 x 63 A: Månedsleie 57 EUR Sspart Tilkoblingsavgift og 5 års månedsleie 59 EUR/month Spart 6850 EUR Tilkoblingsavgift og 20 års månedsleie Spart 17 470 EUR 9 070 EUR 19 330 EUR Eksklusive kl energikost 20 Vacons løsning Frekvensomformere NXL 0046 5C5H1 SSV 00 AI 2 000 EUR/stk (2 stk) Samme installasjonsarbeid for AC drive og Softstarter Ikke behov for bypass -kontaktor Tilbakebetalingstid eksklusiv energikost 3 310 EUR + (59EUR/mnd * X mnd) = 4 000 EUR Tilbakebetalingstid er 12 måneder = 1 år Eksklusive energibesparelser
21 Frekvensomformer i pumpestasjon Pumpene er dimmensjonert for befolkningsvekst k 15-20 år frem i tid Spesiellt i begynnelsen er pumpekapasiteten langt under 100% Maksimal utnyttelse på høsten (regnperioder) Strømforbruk sammenlignet med softstarter: Antatt flow rates på pumpe Q % Tid % 100 90 0 5 For energy saving calculation 80 10 70 15 60 20 50 30 40 20 22 Energibesparelse 2 525 EUR / år Energipris 0,08 EUR/kWh
23 Besparelser ved AC drive løsning, år 1 Differanse i tilkoblingsavgift 8 960 EUR 5 650 EUR = 3 310 EUR Differanse i månedelig avgifter for et år 1 392 EUR 684 EUR = 708 EUR 59 EUR/mnd Energisparing (0,08 EUR/kWh) 2 525 EUR 210 EUR/mnd Total besparelse første året: 6 543 EUR Kostnader for AC drives: 4 000 EUR Tilbakebetalingstid er bare noen få måneder EUR 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 3 6 9 12 Time in Months Drives cost Savings 24
Spar energi ved optimalisering i av energiforbruket 25 26 Driftstid som funksjon av mengde/volum Driftstid % 25 20 Typisk vifte/pumpe lastprofil 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Væskemengde eller Volum %
27 Energisparing Med Vacon AC drive kan motorturtallet kontrolleres uten virkningsgrads-tap! Energisparing! 80% rpm = 48 % effekt 60% rpm = 22 % effekt 40% rpm = 12,5% effekt 28 Energisparing og levetidskost Innkjøp - 5 % Vedlikehold - 5% Energiforbruk- 90 % Levetidskostnader for pumpe
29 Kalkulatorer for energisparing Kalkulasjon av energibesparelse i pumpe- og vifteapplikasjoner Vacons pumpekalkulator kombinerer virkningsgrad affinity lover, løftehøyde, viskositet og gangtid for å kalkulere besparelse. http://www.vacon.com/default.aspx?id=463398 30
31 Reduserte mekaniske påkjenninger Trykk Trykkstøt i rør ved direkte start og stopp Direkte start Stopp Tid Repiterte trykkstøt reduserer levetiden 32 Redusert start strøm 800 700 600 ent % Line Curr 500 400 300 AC Drive Soft Start Star - Delta DOL 200 100 0 0 10 20 30 40 50 Hz
33 Vacon Compact AC Drive NX FR4 12A *) IP21/54: 128x292x190 mm NX FR5 31A *) IP21/54: 144x391x214mm NX FR 6 61A *) IP21/54: 195x519x237mm NX FR7 105A *) IP21/54: 237x591x257mm NX FR8 205 *) IP21/54: 285x721x288mm NX A IP21 A IP54 D IP54 Competitor A 12A *) Competitor D 11A NX A IP21 A IP54 D IP54 Competitor A 31A Competitor D 27A NX A IP21 A IP54 D IP54 Competitor A 59A Competitor D 52A NX A IP21 A IP54 D IP54 Competitor A 96A *) Competitor D 106A NX A IP21 A IP54 D IP54 Competitor A 180A *) **) Competitor D 160A *) **) *) The highest rating of the frame **) The highest rating of the wall mountable units 34 Redusert støy Endring i viftehastigheten endrer støyen fra viftebladene -> Lavere hastighet gir mindre støy Vacon NXs høye switchefrekvens resulterer i mindre motor støy Temperatur-kontrollert vifte reduserer støyen fra frekvensomformeren
35 Enkel installasjon Ingen spjeld eller ventiler er nødvendig for å reulere væske/luft-strøm eller trykk Unødvendig med reaktiv kompensering Mindre kabling sammenlignet med tradisjonelle løsninger Lav startstrøm fører til mindre sikringer og kabel Filter er integrert som standard ingen tilleggkabling RFI filter for 1st environment AC Cchokes for lave harmoniske Opsjonskort i kredittkortstørrelse for enkel oppdatering på anlegget 36 Enkel idriftsettelse Brukervennlig SW med forhandsinnstillte parametere Start-up wizard for enkel idriftsettelse Autotuning Allsidig PC verktøy fritt nedlastbart fra internet Data logging for feilsituasjoner Parameter back-up og kopi med keypad (NXS/P)
37 System integrasjon WWW Enkel tilkobling til automasjonssystem Tradisjonell I/O (Analog/ digital inn/ut-ganger, releer) Feltbusser (LON, N2, profibus, modbus, ethernet...) 38 Utstrakt Support og Service Vacons lokale og globale nettverk gir rask reponse 24/7 62 Vacon Service Centre i 40 land Alle bransjer er supportert lokalt Vacons dedikerte personell hjelper dere med deres løsninger Dimensjonering Funksjoner Funksjoner Standarder Anvendelses knowhow Documentasjon
39 NX Servicevennelig Avansert motorvern Data logger for feilsituasjoner Utbyttbar vifte Utbyttbar separat kontrolboks med opsjonskort Parameter back-up (NXS) Energisparing i og tilbakebetalingstid b t li tid med frekvensomformere Sparing 90 % 80 % 70 % 81% tilbakebetalingstid : 18 months Kilde: ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Eletronikindustrie e.v.) 60 % 50 % 40 % 35% tilbakebetalingstid: 6 months 44% tilbakebetalingstid: 24 months 32% tilbakebetalingstid : 12 months 30 % 20 % 10 % 0 % Heiser Vannbehandlingsanlegg Trykkøknings- Ventilation systemer stasjoner 40
41 NXS All In One Application Package Basic Application Standard Application Local/Remote Application SELECT APPLICATION WITH PARAMETER Multi-Step Application PID Control Application Multi-Purpose Application PFC Application +Special downloadable applications Multimaster PFC PID with firemode 42 Eksempel: stand-alone trykkkontroll Pressostat koblet direkte til frekvensomformer Trykkontroll med intern PID 0-10V regulator Trykkreferanse satt i panel/keypad Mulig å endre til 0-10V manuell hastihetskontroll med hand/auto bryter Hand/Aut o
43 Tradisjonell frekvensomformer med autobytte Supply 3 3 3 Pressure transmitter 44 Multimaster PFC applikasjon Lead 1 Next 1 Next 2 Lead 1 Nominal prod. Nominal prod. Next 1 #2 Own stop Next 2 #3 Own stop Myk alternering mellom pumpene
45 PID med brannmodus PID applikasjon med brannmodus for HMS krav Når Brannmodus er altivert med en digital inngang: alle software og hardware feil blir deaktivert run enable/run request er aktiv Endring av dreieretning er ikke tillatttt frekvensreferanse fra PID eller fast hastighet Frekvensomformeren går så lenge brannmodus er aktiv eller til den er brent opp Eksempel: ventilasjonsanlegg Lærerstudenthjem i Essingen, Stockholm Ventilasjonsanlegget blir styrt av CO 2 transmitter Regulering på konstant trykk 46
Eksempel: ventilasjonsanlegg Air conditioner TA-8 FA-8 Uten frekvensomformer Tillufts-vifte TA-8, en motor på 11 kw: Dagtid 10 t med fullt turtall, 14 t stopp på natt Forbruk/år: 36 MWh Fraluftsvifte FA-8, en motor på 5.5 5 kw: Dagtid 10h med fullt turtall, 14 h på halv effekt Forbruk/år: 24 MWh Air conditioner TA-8 FA-8 Med frekvensomformer Tilluftsvifte TA-8, en motor på 11 kw: Styrt i hht. behov og konstant trykk Forbruk/år: 22 MWh Fraluftsvifte FA-8, en motor på 5.5 5 kw: Styrt i hht. behov og konstant trykk Forbruk/år: 10 MWh 47 Vacon s mission Enhver AC motor fortjener en Vacon frekvensomformer. 48
Takk for oppmerksomheten 49