Studiul Problemelor de Eficienta Energetica

Studiul problemelor de eficiență energetică

Cap. I. – Introducere în studiul problemelor de eficiență energetică

În condițiile economiei de piața și a unei acerbe concurente, eficienta economica a oricarei activitati de productie este esentiala. Noul concept de management global tinde să diminueze importanta unei stricte specializari și presupune formarea unor specialisti cu puternice cunostinte interdisciplinare, capabili să gestioneze eficient economia unei intreprinderi dar, în același timp, să aibă și solide cunostinte legate de tehnica și tehnologiile utilizate în domeniul lor de activitate.

În decursul timpului energia a fost oxigenul de care civilizatia umană a avut nevoie pentru progresul tehnologic continuu. De la începutul revoluției industriale, acum mai bine de două secole, consumul de energie a crescut treptat odată cu creșterea nivelului de trai, în special în țările puternic industrializate. De fapt, consumul de energie raportat la numărul de locuitori a fost un barometru al prosperității economice. Statele Unite ale Americii au cel mai ridicat nivel de trai din lume. Cu doar 5% din populația globului, consumă 25% din energia totală. Japonia, pe de altă parte, consumă 5% din totalul de energie cu 2% din populația lumii. India și China împreună, cu 38% din totalul populației consumă doar a zecea parte din energia consumată de SUA.

În figura următoare este prezentată o comparație între tipurile de resurse energetice globale și cele ale SUA:

Fig. 1 Resursele de energie

Întreaga civilizație actuală se bazează pe producerea, transmiterea și conversia energiei sub forma ei electrică. Sistemele electrice sunt implicate în toate aspectele vieții moderne. Probabil ar fi un efort de imaginație greu de efectuat pentru omul zilelor noastre să realizeze cum se desfasura viața acum o sută și mai bine de ani când această forma de energie nu era implicată în viața omenirii.

Figura 2 prezintă repartiția procentuală a surselor primare de energie folosite pentru producerea energiei electrice în diferite țări:

Fig. 2 Producerea energiei electrice din diferite surse

Dispariția energiei electrice de consumat și a sistemelor electrice dedicate să o facă utilizabilă ar produce un colaps în evoluția societății umane. Dar dezvoltarea și evoluția societății umane în ultimii 100 de ani, bazată pe o energie ieftină, se apropie de final. Două sunt cauzele esențiale: epuizarea combustibililor fosili abundenți (și deci ieftini) și poluarea care crește pe măsura utilizării lor tot mai intensive, datorată creșterii populației. Se apropie astfel un punct critic al intersecției curbelor de scădere a resurselor și de creștere a poluării, prevăzut a avea loc în circa 10 – 15 ani . În consecință procesele de producție și modul de viață bazat pe un consum intensiv și ineficient al energiei, și deci al celei electrice, trebuiesc stopate și înlocuite.

Obțierea unei eficiențe energetice ridicate se realizează în general prin adoptarea de soluții tehnologice moderne în procesul de producție.

Creșterea eficienței energetice este în atenția permanentă a marilor firme care se află în competiție pe piață, o atenție deosebită fiind acordată reducerii consumului de energie electrică și folosirii de instalații și utilaje cu eficiență ridicată.

Schimbările de natură tehnologică au fost atât de rapide în ultimul timp, încât se poate vorbi acum despre o nouă revoluție tehnologică, a cărei forță motrică a constituit-o lupta acerbă pentru creșterea competitivității și eficienței în contextul globalizării economiei. Mutațiile care au loc pe plan mondial în domeniul tehnologiilor influențează sensibil sectoarele energetice din fiecare țară prin implicațiile profunde asupra cererii și consumului de energie electrică, precum și asupra activității tuturor actorilor din lanțul energetic. Creșterea necesităților de energie electrică pe măsura dezvoltării societații umane, a progresului economic și social, impune firmelor din zona energetică găsirea unor soluții tehnice superioare de producere, distribuție și furnizare a energiei electrice, concomitent cu sporirea eficienței fiecărei verigi din lanțul energetic.

Se știe că cea mai ieftină energie este cea economisită. Atât componentele electrice cât și modul lor de operare, conversia controlată optimal a energiei prin electronica de putere, pot asigura economii majore de energie.

Preocupările privind creșterea randamentului motoarelor electrice s-au intensificat recent, în special datorită Acordului CEMEP (Comisia Europeană a Producătorilor de Mașini Electrice și Electronică de Putere). CEMEP (European Commission of Electric Machinery and Power Electrics Manufacturers) a reușit să obțină acordul producătorilor de motoare de a crește randamentul motoarelor din gama de puteri de la 1 la 100 kW comercializate în prezent.

Creștere randamentului motoarelor este exemplificată în figura 3:

Fig. 3 Comparație a randamentelor motoarelor de diferite tipuri

Obiectivul ultimilor ani a fost acela de a elimina de pe piață motoarele din clasa de eficiență EFF3 și înlocuirea lor cu motoare de clasă EFF2. Acest obiectiv a fost îndeplinit cu succes. Mai mult, deja se utilizează motoarele de clasă EFF1. În acest caz însă, există limite de ordin economic deoarece caracteristicile clasei de eficiență EFF1 pot fi menținute numai dacă motoarele trifazate asincrone sunt supradimensionate, ceea ce înseamnă consum crescut de cupru și, deci, un preț mai mare.

Pentru proiectarea de motoare electrice eficiente energetic trebuiesc luați în considerare următorii factori:

randamentul

factorul de putere

durata de viață a înfășurărilor

caracteristicile turație-cuplu mecanic

curentul de pornire și curentul nominal

durata de viață a rulmenților

structura mecanică

zgomotul

concentricitatea

proprietățile electro-magnetice

vibrațiile

asigurarea mentenanței

incălzirea înfășurărilor.

Electronica de putere a avut o dezvoltare impetuoasă în anii '90, ajungând un domeniu stiințifico-tehnic matur. Un domeniu deosebit de aplicație al ei este cel al instalațiilor industriale care lucrează cu debit variabil. La acestea se poate obține o economie de energie considerabilă utilizând sistemele cu turație variabilă antrenate prin sisteme convertor electronic-mașină asincronă (CE-MA).

Metodele tradiționale de control al vitezei de curgere a fluidelor prin utilizarea valvelor nu mai sunt adecvate în prezent deoarece costul energiei este ridicat. De aceea apare necesitatea aplicării acestor metode noi, de înaltă eficiență. Se pare că eficiența acestor metode este evidentă și că sistemele CE-MA se vor impune pe piață fără efort.

Metodele de creștere a eficienței energetice se impart în:

A. Metode de natură tehnologică ce constau în modernizarea liniilor tehnologice.

B. Metode de natură electrică cum ar fi: modernizarea distribuitoarelor de 20 kV și 0.4 kV; montarea de baterii de compensare automată a factorului de putere cu condensatoare nepoluante care să permită creșterea cosφ peste valoarea neutrală(0.92); automatizarea instalațiilor tehnologice.

În condițiile accentuării crizei energetice, dezvoltarea electronicii de putere a făcut posibilă extinderea fără precedent a acționărilor de curent alternativ în industrie, transporturi, telecomunicații, etc. Această extindere este amplificată și de dezvoltarea microcontrolerelor, procesoarelor de semnal (DSP), circuitelor specializate (ASIC), modulelor inteligente de putere (IMP), care împreună cu avantajele deja cunoscute ale motoarelor de curent alternativ (robustețe și fiabilitate bună, eforturi minime pentru întreținere, preț de cost scăazut și randament ridicat), înclină serios balanța în favoarea acestor motoare pentru acționări electrice moderne.

CAP. II – Posibilități de ameliorare a eficienței

energetice a instalațiilor industriale

Introducerea pe scară largă a automatizării și robotizării, realizarea noilor tipuri de mașini unelte cu comanda program au con

dus la necesitatea utilizarii unor sisteme de acționare cât mai rapide și fiabile.

Acționarea electrică poate fi definită numai dacă se ia în considerație întreg ansamblul din care face parte, adică instalația industrială și dacă se ține seama de scopul principal urmărit: realizarea unui proces tehnologic de producție. Instalația în care se utilizează acționări electrice cuprinde în mod necesar următoarele trei părți: mașina electrică, elementele de transmisie a mișcării și mașina de lucru. Procesul tehnologic de fabricație este realizat de mașina de lucru, care este pusă în mișcare de mașina electrică de acționare prin intermediul elementelor de transmisie. Adeseori în instalațiile moderne se utilizează mai multe mașini electrice de acționare fiecare antrenând printr-un organ de transmisie câte un mecanism executor al mașinii de lucru. Astfel, în general sistemul de acționare electrică cuprinde mașinile electrice cu echipamentul de alimentare și comandă al acestora și transmisiile la mecanismele executoare ale mașinii de lucru, care, în corelare cu componentele electrice, realizează procesul tehnologic de fabricație.
În instalațiile cu acționare electrică se realizează conversia electromecanică a energiei, mașina electrică îndeplinind rolul de convertor al energiei electrice în energie mecanică și uneori, în regim de frânare prin recuperare, de convertor al energiei mecanice în energie electrică în funcție de condițiile de funcționare determinate de procesul tehnologic efectuat de mecanismul executor sau de lucru. Între toate componentele acestor instalații există o interdependență strânsă, permițând considerarea acționării ca un sistem prin care se realizează conversia electromecanică a energiei și în care se asigură pe cale electrică controlul energiei mecanice.

În decursul dezvoltării istorice acționarea electrică a apărut prin înlocuirea motorului hidraulic, cu abur sau cu combustie internă printr-o mașină electrică, obținându-se acționarea pe grupe, la care mai multe mașini de lucru sunt acționate de la aceeași mașină electrică. Folosirea mașinilor electrice a permis însă trecerea la acționarea individuală, în care fiecare mașină de lucru are motorul său de acțtionare, obținându-se avantajul dispunerii utilajelor în flux tehnologic și înlocuirea vechilor transmisii prin curele la distanțe mari și voluminoase prin transmisii compacte de angrenaje individuale.

Cerințele obținerii unor performanțe de nivel superior pentru mașinile de lucru, în vederea realizării unei productivități din ce în ce mai mari, au determinat creșterea complexității lor funcționale și constructive, inclusiv perfecționarea sistemului de acționare electrică. Astfel apare tendința de apropiere a mașinilor electrice de mecanismele executoare, născându-se cel mai modern sistem de acționare electrică, actionarea multiplă, la care fiecare mecanism de execuție al mașinii de lucru are motorul său de acționare. Aplicarea pe scară tot mai largă a acționării multiple și pretențiile crescânde de economie și productivitate a instalațiilor industriale, au determinat mărirea exigențelor privind reglajul vitezei, pornirea, frânarea, reversarea și corelarea funcționării mașinilor electrice ale aceleiași instalații. Pentru satisfacerea acestor cerințe s-au dezvoltat din ce în ce mai mult acționările complexe, reglabile și automatizarea proceselor de producție. O altă consecință a fost răspândirea unor noi tipuri de organe de transmisie dintre mașina electrică și mecanismul executor, cum ar fi de exemplu cuplajele electromagnetice, care favorizează extinderea comenzii automate și asupra acestei parți a sistemului de acționare.

Motorul asincron polifazat a tranșat definitiv lupta dintre adepții producerii și transportului energiei electrice în curent continuu și cei în curent alternativ. Înainte de inventarea acestuia era foarte clar pentru toată lumea (poate doar cu excepția lui Edison) că producerea energiei electrice la locul sursei de energie primară (cădere hidraulică sau mină de cărbuni)ază extinderea comenzii automate și asupra acestei parți a sistemului de acționare.

Motorul asincron polifazat a tranșat definitiv lupta dintre adepții producerii și transportului energiei electrice în curent continuu și cei în curent alternativ. Înainte de inventarea acestuia era foarte clar pentru toată lumea (poate doar cu excepția lui Edison) că producerea energiei electrice la locul sursei de energie primară (cădere hidraulică sau mină de cărbuni) și transportul ei pe linii de înaltă tensiune este soluția cea mai eficientă din punct de vedere economic. Din păcate majoritatea aplicațiilor, la acea dată, necesitau curent continuu de joasă tensiune. Motorul lui Tesla (motorul asincron) a rezolvat simultan două probleme: pe de o parte a permis conversia directă a energiei electrice de curent alternativ în lucru mecanic, iar pe de altă parte a permis realizarea unor convertoare electromecanice, grup motor-generator, care să transforme energia de curent alternativ în energie de curent continuu la parametrii de tensiune și curent doriți.

Mașina asincronă este o mașină de curent alternativ care are o turație variabilă în sarcină, la o frecvență constantă a rețelei. Cele mai răspândite mașini asincrone sunt cele fără colector denumite și masini de inducție, și utilizate ca motoare aproape în exclusivitate.

Motoarele asincrone trifazate formează cea mai mare categorie de consumatori de energie electrică din sistemul energetic fiind utilizate în toate domeniile de activitate. Motoarele monofazate sunt utilizate în special în instalații de uz gospodăresc.

Majoritatea covârșitoare a motoarelor rotative de acționare, peste 96% este constituită de motoare asincrone trifazate cu rotorul în scurtcircuit sau bobinat. Primul motor asincron de tip industrial apare în 1889, construit de M.O. Dolivo-Dobrovolski, care a fructificat lucrările anterioare ale lui G. Ferraris și N. Tesla. Folosirea pe scară largă a motoarelor asincrone se poate explica prin robustețea și simplitatea sa, preț redus, siguranță în exploatare. Acționările electrice cu motoare asincrone se folosesc în toate sectoarele consumatoare de energie electrică: industrie, agricultură, transporturi, casnic, etc. În general acționările industriale în curent alternativ se realizează cu motor asincron datorită avantajelor prezentate mai sus precum și proprietăților sale în regim de motor: pornire simplă, caracteristicile de funcționare convenabile, posibilități de utilizare în scopul frânarii electrice și de modificare a turației.

Motorul asincron reprezintă astăzi principalul element de conversie a energiei electrice în lucru mecanic. În țările industriale dezvoltate peste jumătate din energia electrică produsă servește la alimentarea motoarelor electrice, cea mai mare parte pentru cele asincrone. Pe de altă parte, progresele tehnice din ultimii ani din domeniul elementelor de comutație statică de putere, a tehnicilor și sistemelor de comandă au permis motorului asincron să pătrundă în sectoare care anterior le erau închise: tracțiunea electrică, acționări cu gamă largă de turație, roboți industriali, maș unelte, etc.

Până nu demult motorul asincron era destinat alimentă directe de la rețea, funcționarea să asigurând o viteză mai mult sau mai puțin constantă. Din această categorie fac parte acționări de pompe, ventilatoare, instalații de aer condiționat etc. Reglajul debitului sau al presiunii se făcea fie pe partea de sarcină prin obturarea conductelor de ieșire, fie pe partea de alimentare prin alimentarea intermitentă a motorului. Evident, astfel de soluții sunt ineficiente și odată cu progresele realizate în dezvoltarea convertoarelor de frecvență chiar și pentru motoare de putere mică, a devenit posibil, nu numai din punct de vedere tehnic dar și economic, o reglare simultană a frecvenței și tensiunii, și implicit o viteză modificabilă în limite relativ largi, îmbunătățind astfel eficiența globală a sistemului.

În functie de cerințele sarcinii, mașina poate funcționa continuu sau intermitent astfel încât parametrii de ieșire ai instalației (pompe, ventilatoare etc.) să fie cei doriți. Utilizarea motoarelor alimentate intermitent de la rețea conduce la reducerea duratei de viață a mașinii și evident și a instalațiilor de acționare. Astfel, un motor normal proiectat a funcționa continuu 20 de ani, în cazul utilizării sale într-o instalație cu 6 porniri/opriri pe oră, își va consuma „viața” normală în mai puțin de un an. Evident că suprasolicitările repetate electrice, termice și mecanice reduc substanțial viața mașinii. Utilizarea convertoarelor statice de frecvență permite nu numai o continuă reglare a vitezei mașinii, ci reduce totodată și aceste tipuri de solicitări, ceea ce evident asigură reducerea cheltuielilor de exploatare. Totodată, utilizarea acestor sisteme de frecvență variabilă a permis extinderea domeniului de utilizare a mașinilor asincrone și în domenii de aplicații în care sunt necesare viteze foarte mari. Pe baza cataloagelor firmelor constructoare de mașini de mică putere se poate trasa un grafic cu limite superioare de viteză funcție de puterea lor nominală (Fig. 4).

Fig. 4 Variația vitezei maxime a motoarelor

asincrone 0 – 10kW

În țările industrial dezvoltate, aproximativ jumătate din energia electrică produsă este consumată de către motoarele electrice, în bună parte din aceasta de către motoarele asincrone și ca atare randamentul acestora este deosebit de important. Într-un studiu recent al Departamentului Energiei din Statele Unite se arată că utilizarea de motoare asincrone de eficiență ridicată comandate adecvat poate reduce consumul lor de energie electrică între 11% și 18%. Într-un singur an un motor asincron poate consuma energie electrică în valoare de 10 ori mai mare decât valoarea să de achiziție și din această cauză o îmbunătățire a eficienței lor și a sistemelor de comandă poate fi amortizată într-un timp foarte scurt, în general între un an și doi. Un motor de randament ridicat „premium” (cu încărcări electrice și magnetice mai scăzute, deci de dimensiuni mai ridicate) prezintă pierderi mai coborâte cu 10÷40% (respectiv un randament crescut cu 1-10%) și costă cu 15-30% mai mult decât un motor standard. Identic, se poate demonstra că din punct de vedere economic pentru motoare până la 100 kW deteriorate, este mai economică înlocuirea lor cu motoare noi decât să fie rebobinate. Experiența arată că rebobinarea unui motor vechi reduce randamentul acestuia cu 1-3% față de performanțele inițiale.

De remarcat că un motor normal prezintă un randament maxim de 89%, în timp ce un „super” motor de aceeași putere poate atinge 93%. Se observă, de asemenea, faptul că pe măsură ce sarcina scade are loc o reducere a randamentului acestora. Pierderile Joule în înfășurări scad pe măsură ce sarcina se micșorează, în timp ce pierderile în fier rămân constante contribuind în bună măsură la reducerea randamentului.

Această observație sugerează ideea că o posibilă reducere a pierderilor în fier se poate face prin reducerea tensiunii de alimentare la sarcini subnominale.

Variația pierderilor în mașină funcție de tensiunea de alimentare și diverse sarcini este prezentată în Fig. 5, remarcându-se faptul că fiecărei sarcini în parte îi corespunde o tensiune optimă de alimentare.

Fig.5. Efectul modificării tensiunii asupra pierderilor

din motor pentru diverse sarcini

Evident, pe masură ce tensiunea scade și fluxul din întrefier se reduce corespunzător, pentru a se asigura producerea aceluiași cuplu electromagnetic este necesară o creștere a curentului din mașină. Drept urmare, sub o anumită valoare a tensiunii, pierderile Joule din înfășurări încep să crească mai repede decât scad pierderile în fier. Economisirea de energie pe această cale este eficientă doar pentru sarcini reduse ale mașinii și evident este nulă pentru sarcina nominală. Soluția este interesantă pentru a fi utilizată în cazul mașinilor ce lucrează cu ciclu intermitent, Fig.6.

Fig.6. Puterea economisită funcție de timpul în care mașina

funcționează în sarcină nominală, iar restul de timp la sarcina afișată

motor monofazat b) motor trifazat

Un studiu recent al Institutului de Cercetări pentru Energie Electrică din Statele Unite (EPRI) arată că peste 60% din motoarele asincrone din SUA funcționează în medie sub 60% din puterea lor nominală. Pentru astfel de cazuri se recomandă utilizarea unor variatoare de tensiune trifazate cu tiristoare sau triace, Fig. 7. De exemplu, pentru același motor de 10kW care funcționează cu sarcină intermitentă mediată de 30%, economia de energie este aproximativ de 500 USD pe an, iar sistemul de control se amortizează în ceva mai mult de 12 luni.

Fig.7. Variator de tensiune cu tiristoare

montate în antiparalel

Funcție de destinație, motoarele asincrone sunt utilizate atât în aplicații în care prin specificația de lucru trebuie să funcționeze cu viteză variabilă comandată sau în aplicații în care mărimea urmărită este ieșirea ansamblului motor asincron – pompă,

ventilator etc., respectiv, debit, presiune sau temperatură.

Dacă în primul caz lucrurile sunt clare și soluția este unică – utilizarea convertoarelor statice de frecvență (CSF), în al doilea caz soluția depinde de considerente economice și de ciclul de funcționare al instalațiilor. Pentru o instalație de pompare care

funcționează la sarcină nominală și viteză nominală, care umple un rezervor de apă după care se oprește și își reia ciclul după câteva minute sau ore, este suficientă utilizarea unui motor cuplat direct la rețea, în timp ce pentru altă instalație de acelasi tip dar la care debitul este reglat în limite largi cu ajutorul unei vane, o funcționare cu viteză variabilă a mașinii de antrenare pare deosebit de atractivă.

Comanda frecvenței permite nu numai reglarea vitezei motorului dar producerea totodată de către mașină a unui cuplu nominal la pornire în condiții de alimentare la curent nominal. Această caracteristică face posibilă utilizarea în acționările alimentate de la convertoare de frecvență a unor motoare cu rezistență rotorică redusă, deci din clasa

foarte eficiente.

Performantele sistemelor de acționare electrică (SAE)

Performanțele SAE se apreciază prin indicatorii săi de calitate :

• eneregetici

• tehnici

• economici

• de exploatare

1. INDICATORII ENERGETICI – se referă la calitatea conversiei energiei:

a) Randamentul conversiei electromagnetice, egal cu raportul dintre energia

utilă și cea consumată:

Randamentul static, egal cu raportul dintre puterea utilă și cea consumată:

c) Randamentul electromagnetic, egal cu raportul dintre puterea utilă și puterea

reactivă inmagazinată:

Randamentul global, egal cu produsul randamentelor aparaturii de conectare , motorului electric și a mecanismului de lucru .

e) Factorul de putere, egal cu raportul dintre puterea electrică activă și puterea

aparentă consumată:

2. INDICATORII TEHNICI

Calitatea reglării poate fi apreciată în funcție de eficiența ei economică. În domeniul acționării electrice eficiența economică este determinată de productivitatea

mașinii acționate și de calitatea produselor prelucrate .

Prin optimizarea unei acționări electrice reglate se urmărește atingerea indicilor

optimi de calitate staționari și dinamici . Asfel , de exemplu , la unele instalații de

reglare prezintă importanță în primul rând rapiditatea și precizia cu care marimea dată

urmărește comenzile date prin intermediul mărimii de intrare (mecanismele laminoarelor reversibile , servomecanismele de poziție ); la alte instalații contează mai mult rapiditatea și precizia cu care se inlătură efectele perturbațiilor de sarcină (acționările laminoarelor continue , reglarea tensiunii generatoarelor , etc.). Marimile de intrare și perturbațiile apar în unele instalații sub formă de variații în treaptă , la altele ca variații în rampă.

Principalii indicatori de calitate pentru o acționare automatizată sunt următorii :

a) Gama reglării egală cu raportul dintre valorile extreme ale vitezei

arborelui mecanismului de lucru:

b) Sensul reglării se referă la faptul că viteza de pe o caracteristică artificială poate fi mai mare sau mai mică decât viteza de pe caracteristica naturală la același cuplu rezistent.

c) Finețea reglării exprimată prin raportul dintre valorile a două trepte

succesive:

d) Precizia reglării se exprimă prin abaterea staționară maximă a mărimii

reglate de la valoarea prescrisă în condiția cea mai nefavorabilă a marimilor

perturbatoare ( sarcină ,tensiune de alimentare , temperatură a mediului ambiant , etc.)

e) Constanta reglării se exprimă prin abaterea staționară maximă a mărimii

reglate față de o valoare dată stabilită , în combinația cea mai defavorabilă a marimilor

perturbatoare , într-un interval de timp precizat . De exemplu, la prelucrarea unei piese pe o mașină-unealtă contează mai puțin coincidența vitezei cu gradația de pe cadranul potențiometrului valorii prescrise , în schimb are importanță menținerea constantă a valorii odată stabilite , în intervalul de timp în care se prelucrează piesa .

f) Durata procesului tranzitoriu

f) Coeficientul de depășire sau suprareglarea – este raportul dintre depașirea maximă a valorii mărimii reglate și valoarea staționară.

Depășirea poate să ducă la suprasolicitarea și uzura prematură a utilajului și instalației.

g) Gradul de amortizare – determină numărul de oscilații până în momentul în care mărimea reglata intră definitiv în plaja . Procesul tranzitoriu poate fi complet amortizat , fără nici o oscilație , oscilant cu o singură oscilație sau oscilant cu 2 sau mai multe oscilații .

3. INDICATORII ECONOMICI ȘI DE EXPLOATARE

a) Puterea instalată kW

b) Costul puterii instalate lei / kW

b) Puterea instalată raportată la greutatea instalației kW / kg

Pentru creșterea eficienței energetice în instalațiile ce folosesc motoare electrice trebuie să ținem seama de următoarele lucruri:

a. Evitarea supradimensionării motoarelor

– Atunci când motoarele nu sunt dimensionate corect, eficiența lor scade considerabil. Motoarele nu ar trebui să funcționeze la mai puțin de 65% din sarcina totală și se recomandă ca intotdeauna să funcționeze sub sarcina totală.

– Cerințele sarcinii trebuie să corespundă puterii acționate. Funcționarea motoarelor în condiții extreme de umiditate, temperatură, praf, substanțe chimice, etc. afectează performanțele motorului, îi reduc durata de viață și îi scad fiabilitatea. Evitarea acestor situații conduce la prelungirea duratei de viață a motorului, ceea ce la rândul ei duce la economii.

b. Evaluarea motoarelor din punct de vedere al consumului energetic

Trebuie identificate motoarele cu cel mai mare consum de energie (respectiv motoarele cele mai mari cu cele mai multe ore de funcționare). Acestea oferă cele mai bune posibilități de a realiza economii.

c. Analizarea posibilității înlocuirii motoarelor vechi cu motoare eficiente energetic

– Motoarele foarte eficiente (proiectate mai bine) pot duce la reducerea pierderilor.

– Acestea consuma mai puțină energie electrică decat un motor clasic similar, în condițiile dezvoltării aceleiași energii mecanice.

– Sunt mai fiabile, necesită mai puțină întreținere și au o durată de viață mai lungă dar sunt și mai scumpe. Cu toate acestea, performanțele lor globale sunt mai bune.

d. Utilizarea dispozitivele de pornire lentă (soft-startere)

Dispozitivele de pornire lentă reprezintă o posibilitate relativ ieftină de economisire de energie și bani. Acestea pot rezolva problemele legate de pornirea și oprirea motorului, reducându-i degradarea, asigurând factor de putere mai bun și îmbunătățindu-i eficiența.

e. Evaluarea motoarelor cu turație variabilă

Motoarele cu turație variabilă pot fi foarte utile în vederea reducerii consumului de energie. Acționările electrice reglabile sunt recomandate în special pentru cazurile în care sarcina variază considerabil, întrucât permit o mai bună adaptare a motorului și subsistemului mecanic la cerințele procesului.

Economia de energie în procesele industriale

Posibilități de creștere a eficienței energetice la sistemele de pompare

Motorul trebuie să corespundă cerințelor procesului și pentru aceasta trebuie să folosim pompe sau acționări electrice reglabile mai bine dimensionate. Se pot realiza economii mari.

Vom putea obține astfel porniri și opriri lente ale pompelor prin simpla utilizare a dispozitivelor de pornire lentă. Acestea vor reduce și solicitarea mecanică și vor prelungi durata de viață utilă a pompelor.

Pompele sunt motoare electrice cu sarcină variabilă – vom realiza mai multe economii acționându-le cu un motor asincron controlat de o acționare electrică reglabilă. O pompă care funcționează la jumătate din viteză utilizează doar o optime din putere (puterea necesară pentru ventilatoare, pompe și suflante variază cu cubul turației). Cu alte cuvinte, vom putea pompa cu 12,5% din energia care ar fi necesară fără o acționare electrică reglabilă.

Alte avantaje ale utilizării acționărilor electrice reglabile la pompe: precizie mare a fluxului și control al nivelului presiunii; reducerea curentilor de vârf; reducerea costurilor de întreținere datorită duratei de viața prelungite a motorului; eliminarea șocurilor de presiune.

Posibilități de creștere a eficienței energetice la sistemele de ventilație

Ventilatoarele acționate de motoare asincrone se pot roti numai la turație aproape constantă , în felul acesta debitul fiind constant. În majoritatea cazurilor, reducerea turației se face cu ajutorul unor restrictoare sau șuntând fluxul cu ajutorul unei supape sau a unei clapete, reducând în felul acesta performanțele ventilatorului. Acționările electrice reglabile variază turația axului, reducând consumul de energie mult mai eficient.

Ca și pompele și suflantele, acționările electrice reglabile permit economii importante, în special când lucrează cu debite mai mici decât cele nominale.

Pe piață există palete proiectate special astfel încât să reducă și mai mult consumul de energie.

Sistemele mari de ventilație: acționările electrice reglabile oferă strategii complexe de control care permit circulația aerului numai atunci când este necesar. Acestea sunt rentabile mai ales pentru suprafețe mari, complexe comerciale mari, etc.

Posibilități de creștere a eficienței energetice la sistemele cu funcționare intermitentă

Unele motoare au doar două regimuri de operare: fie sunt deconectate fie sunt conectate atunci când funcționează la turații joase. Aceste comutații continue duc la pierderi mari și la deteriorarea motoarelor.

Dacă avem astfel de motoare, apelăm la una din următoarele soluții:

Motoare în trepte

Motoare asincrone mici cu acționări electrice reglabile incluzând turații în trepte multiple sau în salturi

Pentru motoarele care funcționează sub sarcini diverse, turația motorului trebuie să fie variată pentru a obține cele mai bune performanțe. Dacă nu, apare un exces de alimentare cu putere, ceea ce înseamnă risipă de energie.

Acționările electrice reglabile (variable speed drives – VSD) sunt dispozitive care permit varierea turației axului în funcție de sarcina acționată, reducând în felul acesta consumul de energie. În plus, asigură pornirea lentă, oferind avantajele dispozitivelor de pornire lentă. Figura următoare prezintă modul în care VSD pot scădea consumurile de energie la pompe.

Fig. 8. Economia de energie funcție de variația turației

Motoarele cu turație variabilă sunt disponibile pentru toate nivelurile de putere. Totuși, trebuie luat în considerație faptul că rentabilitatea unei acționări electrice reglabile crește în raport cu variația sarcinii și numărul de ore de funcționare:

Nu există producție de serie la acționările electrice reglabile pentru motoarele de puteri mari, astfel ca acestea trebuie făcute la comandă, ceea ce mărește prețul.

În general, acționările electrice reglabile nu sunt rentabile pentru motoare mai mici de 10-15 kW.

Acționările electrice reglabile ar putea fi folosite pentru a evita problemele legate de pornire. Totuși, nu este cazul din cauza diferenței mari de preț dintre o acționare reglabilă și un dispozitiv de pornire lentă.

Utilizarea acționărilor electrice în automatizarea proceselor

Mecanizarea proceselor de producție a constituit o etapă esențială în dezvoltarea tehnică a proceselor respective și a condus la uriașe creșteri ale productivității muncii. Datorită mecanizării s-a redus considerabil efortul fizic depus de om în cazul procesului de producție, întrucât mașinile motoare asigură transformarea diferitelor forme de energie din natură în alte forme de energie direct utilizabile pentru acționarea mașinilor unelte care execută operațiile de prelucrare a materiilor prime și a semifabricatelor.

După etapa mecanizării omul îndeplinește în principal funcția de conducere a

proceselor de tehnologice de producție. Operațiile de conducere nu necesită decât un efort fizic redus, dar necesită un efort intelectual important. Pe de altă parte unele procese tehnice se desfășoară rapid, încât viteza de reacție a unui operator uman este insuficientă pentru a transmite o comandă necesară în timp util.

Se constată astfel că la un anumit stadiu de dezvoltare a proceselor de producție

devine necesar ca o parte din funcțiile de conducere să fie transferate unor echipamente și aparate destinate în special acestui scop, reprezentând echipamente și aparate de automatizare. Omul rămâne însă cu supravegherea generală a funcționării instalațiilor automatizate și cu adoptarea deciziilor și soluțiilor de perfecționare și optimizare.

Prin automatizarea proceselor de producție se urmărește asigurarea condițiilor de desfășurare a acestora fără intervenția nemijlocită a operatorului uman. Această etapă presupune crearea acelor mijloace tehnice capabile să asigure evoluția proceselor într-un sens prestabilit, asigurându-se producția de bunuri materiale la parametrii doriți.

Etapa automatizării presupune existența proceselor de producție astfel concepute încât să permită implementarea mijloacelor de automatizare capabile să intervină într-un sens dorit asupra proceselor asigurând condițiile de evoluție a acestora în deplină concordanță cu cerințele optime.

Considerații privind reglarea vitezei în SAE

Sistemele de acționare electrică trebuie să asigure condițiile tehnice privind variația în timp a vitezei, cuplului, accelerațiilor la pornire și frânare și dacă se

impune, a altor parametri care caracterizează procesul tehnologoc în care se integrează

mașina de lucru acționată.

Sistemele reglabile de acționare electrică fac parte din clasa proceselor rapide a

instalațiilor de automatizare, fiind utilizate în toate domeniile de activitate industrială.

Astfel de SAE reglabile sunt frecvent întâlnite în siderurgie (forjă, laminoare), construcții

de mașini (mașini-unelte, poduri rulante), transporturi (benzi rulante, căi cu role, tracțiune

electrică), industria minieră (mașini de extracție), industria ușoară (mașini textile, fabrici

de hârtie), precum și în alte sectoare de activitate industrială.

În realizarea SAE se utilizează echipamente modulare tipizate, constituind sisteme unificate , caracterizate prin semnale standard și o structură funcțională și constructivă modulară.

O asemenea soluție prezintă numeroase avantaje, atât pentru proiectant și

fabricant, cât și pentru utilizator. Sistemele unificate sunt constituite din urmatoarele categorii de elemente funcționale:

• elemente de măsurare – traductoare – care efectuează conversia mărimii măsurate

într-o tensiune de curent continuu a cărei limită de variație trebuie să se încadreze în limitele semnalului unificat

• regulatorul – care constituie elementul de prelucrare a informației privind valorile

impuse și măsurate ale mărimilor reglate

• elemente de comandă a organelor de execuție care, în cazul acționărilor cu

tiristoare, sunt grupate în complexul de comandă pe grilă

• dispozitive electronice de putere (tiristoare ,diode )

• elemente auxiliare (surse de alimentare , blocuri logice ,elemente prag , ș.a. care

să asigure desfășurarea corectă a acționării electrice în concordanță cu interblocările

impuse de procesul tehnologic.

Realizarea sistemelor unificate a permis elaborarea unor scheme tipice de acționare electrică reglabilă prin utilizarea de elemente tipizate.

Complexitatea acestor instalații depinde de caracterul uni- sau bidirecțional al

acționării, de puterea instalată – sub acest aspect fiind elaborate scheme pentru instalații

de mică, medie, mare și foarte mare putere – dar mai ales în condițiile tehnice în regim dinamic de funcționare impuse de procesul tehnologic deservit.

Toate schemele, indiferent de scopul și soluția aleasă, se compun din două părți

funcțional distincte:

• partea de forță – care constă din mutatoarele cu tiristoare pentru alimentarea motorului pe indus sau pe excitație, echipamentul de conectare – deconectare, bobinele de filtrare -limitare și eventual transformatoare de adaptare a tensiunii rețelei la tensiunea nominală a motorului .

Pentru instalații de mică putere se utilizează întreaga gamă de mutatoare complet sau semicomandate, în timp ce pentru instalațiile de medie și mare putere sunt utilizate în exclusivitate mutatoare în punte trifazată complet comandată.

• partea de reglare – constituită din regulatoare, dispozitivul de comandă pe grilă, blocuri de protecție și semnalizare .

Reglarea vitezei motorului asincron prin modificarea frecvenței de alimentare rămâne cea mai eficientă metodă de reglare.

Din expresia n=(60f/p)(1-s), care reprezintă turația motorului în funcție de frecvență, se poate vedea că acestea sunt direct proporționale.

Expresiile simplificate ale cuplului maxim și a alunecării maxime, valabile la frecvențe nu prea joase sunt :

Mm=k1U12/f12 ;

sm=k2/f1 ;

Din aceste expresii se observă că la creșterea frecvenței cuplul maxim cât și alunecarea maximă scad.

Cuplul critic scade aproximativ invers proporțional cu pătratul frecvenței, iar alunecarea maximă invers proporțional cu aceasta. Caracteristicele de frecvență sunt în

Fig.9.

M

n

s M

Fig.9. Caracteristicile de frecvență

Vitezele de sincronism pentru două frecvențe diferite sunt diferite, dar căderea de tensiune corespunzătoare cuplului critic rămâne constantă, deci rigiditatea caracteristicilor se modifică.

În cazul variației tensiunii de alimentare, se observă că alunecarea maximă nu depinde de aceasta, iar cuplul maxim este direct proporțional cu pătratul acesteia. Caracteristicile de tensiune arată ca cele din figura 10.

M n

s M

Fig.10. Caracteristicile de tensiune

La variații mari ale frecvenței tensiunii de alimentare variază și fluxul magnetic pe pol al motorului, deoarece pentru tensiune efectivă constantă, creșterea sau scăderea frecvenței este compensată de scăderea sau mărirea fluxului, cuplul critic scăzând odată cu creșterea frecvenței. La viteze superioare celei nominale coeficientul de supraîncărcare scade. În practică, pentru ca motorul să funcționeze în condiții cât mai apropiate de cele nominale, se folosește metoda de reglaj prin variația simultană a tensiunii și frecvenței de alimentare, astfel ca raportul U/f să rămână constant, deci cuplul maxim să rămână constant. În acest caz caracteristicile mecanice arată ca cele din figura 11.

n Mm M

Fig.11. Caracteristicile mecanice la U/f=const.

Gama de reglaj în acest caz ajunge până la 1:10 la viteze subnominale și 4:1 la viteze supranominale. La frecvențe reduse, reactanța înfășurării statorice se reduce, deci nu se mai poate neglija rezistența pe fază față de reactanța de scurtcircuit și în acest caz, tensiunea trebuie scăzută mai puțin decât frecvența.

Modificarea frecvenței se poate face fie alimentând motorul de la un generator sincron, fie folosind convertoare de frecvență.

Convertoarele de frecvență transformă curentul alternativ de o anumită frecvență în curent alternativ de o altă frecvență. Ele au o sferă largă de aplicabilitate în tehnică, deoarece există multe receptoare care necesită o sursă de energie cu frecvență diferită de frecvență rețelei (lămpi fluorescente, cuptoare de inducție, etc) sau cu frecvență variabilă (sistemele de acționare cu motoare electrice de curent alternativ).

După structura circuitului energetic, convertoarele de frecvență pot fi :

Convertoare de frecvență indirecte

Convertoare de frecvență directe .

Convertoarele de frecvență indirecte realizează modificarea frecvenței în două etape prin intermediul proceselor de redresare și modulare. Aceste convertoare sunt intâlnite în literatură și sub denumirea de convertoare de frecvență cu circuit intermediar de curent continuu.

Spre deosebire de acestea, convertoarele de frecvență directe permit modificarea frecvenței într-o singură etapă, fără transformarea prealabilă a curentului alternativ în curent continuu. Ambele tipuri de convertoare pot fi realizate sub formă de convectoare conduse de la rețea (neautonome) sau independente (autonome).

După modul în care se realizează comutația, deosebim două tipuri de convertoare de frecvență directe:

Convertoare de frecvență directe cu comutație naturală

Convertoare de frecvență directe cu comutație forțată.

În literatură, convertoarele de frecvență cu comutațtie naturală sunt întâlnite și sub denumirea de cicloconvertoare, având în vedere că funcționarea acestora se bazează pe conectarea ciclică a fazelor sistemului receptor la fazele sistemului generator.

Convertoare de frecvență cu comutație naturală

Primele convertoare de frecvență cu comutație naturală au fost construite cu ventile ionice și s-au folosit în tehnică încă din deceniul al patrulea din secolul XX, la stațiile electrice destinate alimentării rețelei de tramvaie, în curent alternativ monofazat cu frecvența de Hz . Convertoarele de frecvență cu ventile ionice nu s-au extins prea mult, atât datorită dezavantajelor ventilelor ionice, cât și a stadiului nesatisfacator existent în tehnica comenzii până la apariția elementelor semiconductoare. Odată cu progresele realizate prin apariția tiristoarelor, aceste convertoare au căpătat numeroase aplicații.

Forma tensiunii la ieșire depinde de modul în care se face comanda ventilelor. În practică, se utilizează mai ales convertoare de frecvență cu tensiune de ieșire având forma de undă apropiată de un trapez. În literatură, convertoarele de frecvență cu tensiune de ieșire „sinusoidală” se numesc convertoare de frecvență comandate, iar cele cu tensiunea de formă „trapezoidală” sunt denumite și convertoare trapez.

Convertoare de frecvență cu comutație forțată

La convertoarele de frecvență cu comutație naturală, posibilitățile de modificare a parametrilor energetici sunt limitate în mare masură de faptul că procesul comutării curentului de la o faza la alta este condiționat de existența unei anumite tensiuni între faze. Cu alte cuvinte, la aceste convertoare comanda comutării directe a ventilelor nu poate fi făcută arbitrar, ci numai la anumite momente de-a lungul unei perioade. Posibilități de comandă mult mai largi și implicit de modificare a parametrilor energetici rezultă la convertoarele de frecvență cu comutație forțată.

Prin introducerea în structura convertoarelor a unor circuite speciale de comutație, de regulă a circuitelor de comutație cu condensator, devine posibilă comanda comutării directe a ventilelor la momente independente de valoarea tensiunii între faze. În acest caz, momentul comenzii ventilelor este condiționat de existența unei tensiuni pozitive minime pe ventil. Pentru tensiuni mai mari decât această tensiune minimă comanda ventilelor este posibilă, în principiu, la orice moment.

Există și alte condiții care limitează comanda ventilelor la convertoarele de frecvență cu comutație forțată, determinate de structura circuitului energetic și de regimul de funcționare a convertorului, dar în comparație cu convertoarele cu comutație naurală, intervalul de comandă admisibil, adică domeniul de modificare a unghiului de comandă (plaja de comandă) este cu mult mai mare. Prin mărirea plajei de comandă devine posibilă lărgirea domeniului de modificare a frecvenței, îmbunătățirea factorului de putere și a altor parametrii ai convertorului.

Schema electrică de forță a convertorului static de frecvență cu circuit intermediar de c.c.

În Fig. 12 este prezentată schema electrică de forță a convertorului static de frecvență.

Fig. 12. Convertor static de frecvență cu disiparea energiei de frânare

Schema bloc a unui astfel de convertor are următoarea componență:

– bloc redresor

– circuit intermediar

– chopper de frânare

– bloc invertor

Convertorul static indirect de frecvență are funcția de a modifica frecvența și tensiunea de la iesire necesară alimentarii motorului asincron cu rotorul în scurcircuit.

La acest convertor se pot lega mai multe motoare în paralel în funcție de condițiile de

proiectare cerute. Caracteristic la convertoarele statice de frecvență este existența circuitului intermediar pentru o tensiune continuă ce are în componență și un chopper de frânare. Rolul chopperului de frânare este de a disipa surplusul de energie din circuitul intermediar în regimul de frânare al motorului.

Comenzile de sens și de trepte de viteză, comanda de validare electrofrână sunt transmise prin prelucrarea circuitului de forță. Un alt rol al unității de comandă este de a realiza accelerarea și decelerarea motorului, cât și pornirea sau frânarea acestuia.

Funcționarea convertorului static de frecvență se bazează pe tehnica de reglare a tensiuni realizată prin modularea sinusoidală ce este caracterizată de factor de modulare în frecvență și factor de modulare în amplitudine.

Modularea sinusoidală constă în comanda a două semnale diferite (un semnal sinusoidal modulat cu frecvența f a fundamentalei tensiunii de iesire și care are o amplitudine variabilă A și un semnal de referință – purtător ce reprezintă o funcție multiplă triunghiulară având amplitudinea Atr constantă).

Funcția triunghiulară trebuie să-și schimbe polaritatea la sfârșitul fiecărei alternanțe. Impulsurile de amorsare și blocare date tranzistorului sunt determinate de punctele rezultate în urma intersecției dintre cele două semnale, determinate prin intermediul unui comparator.

Astfel tensiunea de ieșire este reglabilă prin modificarea amplitudinii A<Atr.

În Fig. 13 se prezintă principiul modulației sinusoidale numai pentru semnal corespunzător unei singure faze.

Fig. 13. Principiul modulației pentru o singură fază

În funcționarea invertorului se urmărește ca amplitudinea Atr să nu fie mai mică decât amplitudinea semnalului sinusoidal A întrucât tensiunea rezultată ar fi nemodulată.

Convertoarele statice de frecvență pot avea la intrare un convertor combinat cu functionare în 4 cadrane, pentru recuperarea energiei de frânare a motoarelor de curent alternativ în rețea, iar la ieșire un invertor trifazat caracterizat tot prin comandă PWM.

Fig. 14. Convertor static de frecvență cu recuperarea

energiei de frânare

Convertoarele de frecvență pentru controlul turației motoarelor asincrone sunt fabricate în gama de puteri 0,37 – 1200kW și permit obținerea unor avantaje deosebite:

– Gamă foarte largă de reglare a rotației;
  – Flexibilitate în programare pentru orice tip de aplicație practică ;
  – Posibilitate de comunicare cu calculatoare de proces și automate programabile;
  – Protecție integrală a convertorului și motorului;
  – Eficiență și fiabilitate deosebite;
  Se folosesc atat în domeniul cuplurilor constante (benzi transportatoare, linii de îmbuteliere etc.), cat și în cel al cuplurilor variabile (pompe, ventilatoare, etc.)

Controlul și reglarea vitezei sistemelor electromecanice de acționare este și rămîne în continuare o problemă foarte importantă pentru orice întreprindere din mai multe considerente:

– Necesitatea impusă de procesul de producție;
  – Economia de materii prime și materiale;
  – Economia de energie electrică;
  – Reducerea costurilor de întreținere;
  – Creșterea cantitativă și calitativă a producției;
  – Reducerea zgomotelor și vibrațiilor;
  – Automatizarea proceselor.

În prezent sistemele de acționare reglabile care acoperă cel mai bine toate aceste criterii sunt cele formate din motoare asincrone trifazate cu colivie și convertoare statice electronice de frecvență.

Utilizarea convertoarelor de frecvență în sistemele de acționare conduce la numeroase și importante avantaje ce nu pot fi obținute în alte moduri: 

– Reglajul într-o gamă largă și extrem de precis a rotației motorului;
  – Creșterea siguranței în funcționare – motoarele asincrone cu colivie sunt mult mai robuste și mai fiabile decît celelalte tipuri de motoare și se pot elimina variatoarele mecanice cu o fiabilitate scăzută datorită elementelor în mișcare;
  – Reducerea consumului de energie electrică cu până la 75% în timpul procesului acționat (50% în cazul pompelor centrifuge și ventilatoarelor) datorită adaptării automate a parametrilor electrici la puterea mecanică necesară, și a eliminării consumurilor inutile în perioadele de mers în gol sau subîncărcat;
  – Reducerea consumului de energie reactivă – se exclude astfel necesitatea instalațiilor foarte costisitoare de compensare a factorului de putere;
  – Reducerea drastică a costurilor de întreținere prin eliminarea șocurilor electrice, mecanice sau de altă natură din instalație și prin protejarea acesteia în situații periculoase.
– Convertorul de frecvență este un echipament static , fară elemente în mișcare , ce nu necesită întreținere periodică , cu un înalt grad de fiabilitate și cu o durată lungă de viață (15-20 ani).

– Mărirea considerabilă a duratei de viață a motorului datorită protejării integrale a acestuia la:
  * scurtcircuit;
  * supracurent;
  * funcționare în două faze;
  * supratemperatură – prin înlocuirea unui releu termic în circuitul de comandă al convertorului , ce ia în calcul temperatura motorului și rotația acestuia , parametru ce este foarte important mai ales cînd are valori mai mici , iar autoventilația este diminuată.

– Eliminarea pornirilor motorului prin cuplare directă la rețea, fenomen ce are ca urmări:
       * îmbătrînirea rapidă a izolației acestuia (în special la procesele care necesită porniri și opriri frecvente);
       * perturbații în rețeaua de alimentare, în special subtensiuni sau căderi de tensiune.
       * protejarea instalației mecanice în situația apariției unei suprasarcini sau a   unui blocaj datorită funcției de limitare a curentului prin motor și implicit a  cuplului acestuia;
  – Posibilitatea de automatizare a procesului tehnologic prin includerea convertorului de frecvență intr-o buclă închisă de reglaj cu utilizarea regulatorului PID digital programabil încorporat.

Domeniile de utilizare a convertoarelor de frecvență sunt, ca și avantajele, nelimitate:

benzi transportoare;

poduri rulante;

linii de montaj;

linii de îmbuteliere;

lifturi, macarale, elevatoare;

mașini-unelte din industria construcțiilor de mașini, industria de prelucrare a lemnului sau din alte domenii (strunguri, freze, fierastraie, etc.)

mașini de bobinat;

mașini de ambalat și paletizat;

mixere, extrudere;

pompe centrifuge;

mașini din industria textilă și alimentară;

fabrici de hîrtie;

pompe din centrale de termoficare urbană, din industria chimică și alimentară;

ventilatoare;

compresoare;

standuri de încercări.

CAP. III Studii economice comparative între soluțiile

clasice și cele moderne

Utilizarea clasică a pompelor

În varianta clasică pompele sunt comandate cu ajutorul unui contactor cu bobină de 12V sau 24V de către operator.

În cazul în care există exces de debit acesta este evacuat pintr-o supapă ce se găsește pe calea de refulare ca în figura 15. în acest moment operatorul poate lua decizia de a opri pompa în cazul în care acest lucru este posibil (se pompează un lichid într-un bazin, rezervor, etc.)

Fig. 15. Schema de principiu a unei instalații

de pompare

Lista elementelor componente:

A – Rezervor

B – Motor electric

C – Pompă

D – Supapă de descărcare

E – Distribuitor

Introducerea acționărilor moderne la sistemele de pompare

Fig. 16. Îmbunătățirea randamentului instalațiilor de pompare la

reducerea frecvenței tensiunii de alimentare

Comparație sisteme pompare

Fig. 17. Studiul modernizării unei instalații de pompare

atât din punct de vedere electric cât și tehnologic

Studiu economic pentru o automatizare simplă a unei pompe ce alimentează un castel cu apă

Considerăm o pompă ce alimentează un castel de apă ca în figură cu următoarele date tehnice:

putere pompă 10 kw

debit pompă 30 mc/h

volum bazin 500mc

consum de apă 20 mc/h.

Făcând niște calcule economice simple putem determina economia de energie ce se realizează folosind automatizarea pentru această pompă.

1. Fără automatizare, pompa funcționează non stop.
Consumul de energie zilnic: Wz = Pn x t = 10 x 24 = 240kwh
Consum de energie lunar: Wl = Wz x 30 = 240 x 30 = 7200kwh
2. Cu automatizare, pompa funcționează cel mult 6 ore/zi
Consumul de energie zilnic: Wz = Pn x t = 10 x 6 = 60kwh
Consum de energie lunar: Wl = Wz x 30 = 60 x 30 = 1800kwh
3. Rezultă o economie de energie lunară: Wlec = 7200 – 1800 = 5400kwh

Aceste calcule dovedesc o creștere substanțială a eficienței energetice în ceea ce privește pompele folosind sisteme de acționare automată.

Studiu economic privind trecerea la acționări ce folosesc motoare cu randament crescut

Considerăm două motoare de putere 10kW: primul un motor standard M1 cu un randament de 89%, iar al doilea un motor cu eficiență energetică crescută M2 având un randament de 92%. Timpul anual de funcționare este de 4500 de ore. Dacă M2 costă cu 500 lei mai mult decât M1 și prețul energiei electrice este 0.4012 lei/kWh avem:

1.Pentru M1:

Cheltuielile anuale de energie sunt:

50535×0.4012=20274.64 lei

2.Pentru M2:

Cheltuielile anuale de energie sunt:

48870×0.4012=19606.64 lei

Economia anuală din consumul de energie este:

20274.64 – 19606.64 = 688 lei

Amortizarea investiției suplimentare se face în:

.

CAP. IV. CONCLUZII

Acționările electrice de viteză reglabilă au o piață de desfacere în continuă creștere. Dintre motoarele noi doar aproximativ 25% sunt echipare cu un sistem de reglare a turației. Acest tip de acționări permit reglarea cu precizie a turației și cuplului mecanic lărgind astfel sfera aplicațiilor motoarelor. Integrarea vitezei reglabile în sistemele industriale ce folosesc motoare electrice determină importante avantaje tehnice și economice. Importante economii de energie coroborate cu reducerea emisiilor poluante au fost posibile prin introducerea pe scară largă a acționărilor de viteză reglabilă în diverse sectoare ale economiei.

Cu toate acestea există și câteva impedimente privind introducerea vitezei reglabile în procesele industriale cum ar fi introducerea de armonici în rețea.

Datorită necunoașterii de către persoanele implicate în sectoarele industriale și comerciale a avantajelor tehnice și economice aduse de acționările reglabile ar trebui avute în vedere acțiuni de informare referitoare la aceste avantaje, dar și la eventualele dezavantaje a acționărilor de acest tip.

Beneficiind de o instalare corespunzătoare și o alegere optimă a motoarelor, acționările electrice de viteză reglabilă îmbunătățesc controlul proceselor, încetinesc uzura componentelor mecanice, reduc zgomotul și realizează economii importante de energie.