Jakość zasilania a sprawność energetyczna

POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH

Energia elektryczna jest w przemyśle wykorzystywana powszechnie do zasilania wszystkich maszyn (transformatorów, pomp, sprężarek, silników, taśmociągów, komputerów, itp.) oraz instalacji użytkowych (oświetlenia, ogrzewania, wentylacji). Do pomiaru jej zużycia oraz różnych parametrów wykorzystywane są liczniki oraz wielofunkcyjne mierniki parametrów sieci.

Te drugie, w zależności od konstrukcji, monitorują wartości wielkości podstawowych, tzn. napięcia, prądu i częstotliwości oraz wielkości pochodnych, w tym mocy czynnej, biernej (indukcyjnej, pojemnościowej) i pozornej, kąta przesunięcia fazowego φ między napięciem i prądem, współczynnika mocy (w przypadku przebiegów sinusoidalnych kosinusa lub tangensa kąta fazowego φ), energii czynnej, biernej i pozornej, zawartości harmonicznych napięcia i prądu (THD) oraz innych parametrów charakteryzujących jakość energii elektrycznej (asymetrię napięć, zaniki, itp.).

System zarządzania energią pozwala na ocenę obciążenia sieci zakładowej

W jednym z zakładów branży metalowej wystąpiły problemy z zasilaniem, których przyczyną była awaria jednej ze stacji elektroenergetycznych. Po sprawdzeniu jej stanu technicznego okazało się, że problemy w jej funkcjonowaniu mogą się powtarzać.

Aby zapobiec kolejnym przerwom w zasilaniu, które zakłócałyby przebieg realizowanych procesów produkcyjnych, zaczęto rozważać zakup i montaż nowej stacji. Koszt tej inwestycji oszacowano na kilkaset tys. dolarów.

Ze względu na wysokość wydatku przed podjęciem ostatecznej decyzji przeanalizowano dane archiwalne z zakładowego systemu zarządzania energią. Na ich podstawie wywnioskowano, że alternatywą dla zakupu nowego urządzenia będzie zmiana stopnia obciążenia pozostałych podstacji zasilających fabrykę.

Okazało się, że trzy stacje, które dotychczas wykorzystywane były tylko sezonowo - głównie podczas okresów zwiększonej produkcji, są w stanie pokryć zapotrzebowanie na energię dostarczaną przez tę uszkodzoną. W rezultacie zrezygnowano z planów kupna nowej podstacji, przeznaczając przydzielone środki na inne cele i jednocześnie zachowując ciągłość produkcji.

Na podstawie tych danych można efektywniej zarządzać obciążeniem, tak aby uniknąć sytuacji, w której kilka energochłonnych urządzeń lub instalacji w tym samym czasie nadmiernie obciąża sieć energetyczną. Jednym z parametrów kluczowych dla analizy sprawności energetycznej urządzania jest też jego współczynnik mocy (patrz tabela).

Wyraża on stosunek mocy czynnej do mocy pozornej pobieranej przez odbiornik, a w przypadku sinusoidalnych przebiegów napięcia i prądu również kosinus kąta przesunięcia fazowego między napięciem i prądem. Współczynnik mocy podawany jest również jako tangens kąta przesunięcia fazowego, który odpowiada stosunkowi mocy biernej do mocy czynnej.

Michał Ajchel

Schneider Electric

Jak powinno wdrażać się systemy zwiększające efektywność energetyczną?

Oszczędność energii to już nie tylko dobra praktyka, ale coraz częściej konieczność dostrzegana przez menedżerów i właścicieli firm. Przy zastosowaniu rozwiązań poprawiających efektywność energetyczną w przeciętnym budynku przemysłowym można zaoszczędzić energię na poziomie 20% a w centrum przetwarzania danych nawet o 30%.

Główne elementy planowania oszczędności powinny opierać się na analizie, wdrożeniu nowych systemów, automatyce oraz ciągłym monitoringu. Gdy zaczynamy planować poprawę efektywności energetycznej w firmie, pierwszym krokiem powinno być zbadanie rzeczywistego zużycia energii. Służą temu urządzenia pomiarowe i system monitoringu.

Wiedza zdobyta na tym etapie stanowi punkt wyjścia dla dalszych działań. Bardzo często dzieje się tak, ze osoby zlecające audyt energetyczny na tym etapie widzą potrzebę zmian i decydują się na wprowadzenie usprawnień. Po zlokalizowaniu głównych obszarów, w których energia jest marnotrawiona ustala się, jakie rozwiązania sprawdzą się w tej sytuacji najlepiej. Kolejnym krokiem jest instalacja urządzeń energooszczędnych lub zmniejszenie współczynnika mocy.

Jakie są trendy w omawianym zakresie?

Najbardziej widocznym trendem w systemach ograniczających zużycie energii jest zwiększanie udziału automatyki. Pozwala ona na regulację procesów oraz systemów zainstalowanych w budynku. Popularnym rozwiązaniem jest sterowanie oświetleniem według ustalonego harmonogramu lub poprzez zainstalowanie czujników ruchu i obecności.

System HVAC służy do sterowania i usprawnienia wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania. Różne czynniki mogą wpłynąć na ustawienia systemu, np. pory dnia, czy indywidualne potrzeby użytkowników.

Rozwiązanie to sprawia, że układy napędowe nie pracują bez przerwy przy pełnym obciążeniu, a jedynie wtedy, gdy zachodzi taka potrzeba. Automatyzacja ma główną zaletę - umożliwia szybką zmianę ustawień i dostosowanie ich do nowych okoliczności i potrzeb.

Jak osiągnąć maksymalną poprawę efektywności energetycznej?

Najbardziej efektywnym sposobem ograniczenia zużycia energii jest kompleksowy system EEM (Enterprise Energy Management). Jego głównym zadaniem jest zebranie wszystkich istotnych danych o wodzie, sprężonym powietrzu, elektryczności, gazie ziemnym i parze. Zgromadzone i przeanalizowane wyniki są prezentowane w formie przejrzystych raportów dostosowanych do potrzeb konkretnego klienta.

WSPÓŁCZYNNIK MOCY

Im mniejsza jest wartość kosinusa kąta fazowego φ, tym większe występują straty energii zasilającej. Są one spowodowane przepływem mocy biernej między siecią i odbiornikami zawierającymi komponenty pojemnościowe i indukcyjne.

Moc ta jest w nich magazynowana w postaci energii pola elektrycznego lub magnetycznego, która, gdy pole to zanika, jest zwracana do sieci i nie zostaje efektywnie spożytkowana w obciążeniu. Nie jest to z wielu względów korzystne.

W związku z tym stosuje się korekcję współczynnika mocy, która może polegać przykładowo na dołączeniu do odbiornika o charakterze rezystancyjno-indukcyjnym baterii kondensatorów o mocy zbliżonej do mocy biernej tego odbiornika. Rozwiązanie takie wiąże się z licznymi zaletami.

Wielofunkcyjne mierniki parametrów sieci Sentron firmy Siemens

Wśród wielkości mierzonych przez mierniki PAC3200 i PAC4200 są m.in. napięcie, prąd, częstotliwość, moc pozorna, czynna i bierna, moc bierna podstawowej harmonicznej, współczynnik mocy, kąt fazowy, energia, czynna i bierna, harmoniczne napięcia i prądu od 3. do 31., moc prądu odkształconego (tylko PAC4200), współczynnik THD, asymetria napięcia i prądu (amplitudy i fazy).

Oprócz wartości chwilowych miernik PAC4200 rejestruje również krzywą obciążenia, średnie wartości mocy czynnej i biernej oraz wartości minimalne i maksymalne innych wielkości w określonych przedziałach czasowych. Urządzenia mają cyfrowe wejścia i wyjścia o konfigurowanej funkcjonalności, wyniki pomiarów prezentowane są z kolei na wyświetlaczu LCD.

Mierniki można też zintegrować z systemem zarządzania energią - np. Simatic PCS7 powerrate z oprogramowaniem Simatic WinCC powerrate. Urządzania mają wbudowany interfejs Ethernet - można je konfigurować przez sieć LAN oraz przesyłać dane pomiarowe z wykorzystaniem protokołu Modbus TCP.

Ponadto dostępne są moduły rozszerzające PAC Profibus DP oraz PAC RS485, które pozwalają na transmisję przez Profibus DP, Modbus RTU oraz SEAbus.

Im mniejsza jest moc bierna pobierana z sieci, tym do uzyskania w obciążeniu określonej mocy czynnej wymagana jest mniejsza moc pozorna, a zatem można zastosować generator lub transformator o mniejszej mocy znamionowej. Ponadto efektywna kompensacja współczynnika mocy sprawia, że maleje składowa bierna prądu przesyłanego między siecią a obciążeniem.

Stąd mniejsze są też straty mocy w przewodach zasilających, które są proporcjonalne do ich rezystancji i kwadratu natężenia prądu przez nie płynącego. Pozwala to uniknąć dodatkowej opłaty, którą za straty wynikające z przesyłu energii biernej nalicza jej dostawca, jeżeli współczynnik mocy po stronie odbiorcy przekroczy określoną wartość.

Zwiększenie efektywności linii produkcji papieru

Na jednym z etapów produkcji w pewnym zakładzie z branży papierniczej wykorzystywana była pompa. Pobierała ona ze zbiornika wodę używaną w procesie przetwarzania wiór na miazgę, z której następnie wytwarzany był papier. Ilość wody regulowana była ręcznie przez odpowiednie ustawienie zaworu, a moc samej pompy nie podlegała ustawieniu.

W związku z tym że urządzenie przez większość czasu pracowało przy przepływie zaledwie około połowy wartości maksymalnej, w skali roku występowały straty energii elektrycznej rzędu tysięcy kWh.

Aby je ograniczyć, zdecydowano się zastosować jako napęd pompy przemiennik częstotliwości. W efekcie po roku wydatki na energię zmalały o ponad dwadzieścia tys. euro. Po uwzględnieniu kosztów inwestycji okazało się, że zwróciła się ona już po pół roku.

JAKOŚĆ ZASILNIA A SPRAWNOŚĆ ENERGETYCZNA

Rys. 3. Im mniejsza jest wartość kosinusa kąta fazowego φ, tym większe są straty energii zasilającej spowodowane przepływem mocy biernej (a). Kompensacja współczynnika mocy może polegać przykładowo na dołączeniu do odbiornika ocharakterze rezystancyjno-indukcyjnym baterii kondensatorów o reaktancji zbliżonej do reaktancji odbiornika (b)

W analizie sprawności energetycznej urządzenia oprócz parametrów bezpośrednio ją charakteryzujących przydatna jest również znajomość wartości wielkości określających jakość napięcia zasilającego.

Na przykład jego wahania, spadki, asymetria oraz harmoniczne są przyczyną dużych strat mocy, ponieważ powodują nadmierne nagrzewanie się urządzeń elektrycznych, zwłaszcza silników i transformatorów.

Przykładowo nawet kilkuprocentowa asymetria napięć fazowych zasilających silnik o mocy kilkudziesięciu kilowatów, przy założeniu trwania tego stanu przez kilka tysięcy godzin rocznie może zwiększyć ilość energii zużywanej przez tę maszynę nawet o kilkanaście tys. kWh.

W detekcji przegrzewania się maszyn elektrycznych użyteczne są też czujniki temperatury oraz pomiary termowizyjne, które ułatwiają wykrycie tzw. gorących punktów mogących świadczyć o różnych problemach, także o pogorszeniu jakości zasilania.

W drugiej części artykułu przedstawiamy czujniki zalecane do wykorzystania w systemach monitorowania efektywności energetycznej instalacji produkcji oraz dystrybucji pary i sprężonego powietrza oraz pozostałe komponenty systemów zarządzania energią w przemyśle realizujące zadanie rejestracji, transmisji oraz analizy wyników pomiarów.

Monika Jaworowska