חיסכון באנרגיה בעזרת וסתי תדר

מחירי האנרגיה הגבוהים מגבירים את הצורך בבקרת מנוע יעילה מבחינה אנרגטית. לצורך מניעת הפסדי אנרגיה מהנדסי חשמל ומהנדסי תהליך רבים פונים למשני תדר כאלטרנטיבה לחיבור כוח ישיר. זאת כדי למנוע את וויסות התהליך על-ידי מנחתים כדוגמת שסתומים וברזים.

התקדמות בטכנולוגיית המתנעים, בחירה נכונה של מרכיבי החומרה, ואסטרטגיית הפעלה נכונה, תורמים לביצועים טובים יותר, לגמישות בבקרה ולחסכון באנרגיה.

בהתאמת ארכיטקטורת בקרת המנוע יש להתחשב בדרישות חשובות, ובניהן: הספק רגעי מרבי, פעולה בתחום היעיל ביותר, מקדם הספק, מחיר והפסדי השנאי המבודד, אפשרויות רגנרציה, הולכה סינכרונית ופתרונות חכמים ייעודיים לחסכון באנרגיה.

אופטימיזציה בניצול ההספק

עומס צנטריפוגלי מציע את הפוטנציאל הגדול ביותר לחסכון באנרגיה, באמצעות בשימוש במשנה תדר (VSD וזאת ע”י בקרת מהירות המנוע. צריכת האנרגיה במניפות ובמשאבות צנטריפוגליות מוכתבת על-ידי חוק האפיניות(Affinity Law) : הזרם פרופורציונאלי למהירות, הלחץ פרופורציונאלי לריבוע המהירות וכוחות הסוס פרופורציונאליים למהירות במעלה שלישית. כלומר, אם אפליקציה מסוימת נדרשת ל- 80% בלבד מהזרם, המשאבה או המניפה תופעל ב- 80% מהמהירות, ותצרוך רק 50% מההספק. במילים אחרות, הנחתה של 20% במהירות גוררת הפחתה של 50% בצריכת אנרגיה.

ניתן להשיג חסכון באנרגיה גם על-ידי ניהול אספקת הספק בהתבסס על דרישות המערכת.

לדוגמא: לקוח ביצע שדרוג ההינע של סדרת מסועים שהייתה מועמסת יתר על המידה וממוקמת בסמוך לאתר חציבה. השדרוג כלל הוספת משנה מהירות, במתח ביניים, במתח הזנה של 6.6kV. המוצר שנבחר היה מהסדרה הפופולארית PF7000, מתוצרת חברת Allen-Bradley. יכולות הרגנרציה של משנה המהירות מאפשרות עצירה מהירה של המסוע, וזאת ללא שימוש ברכיבי בלימה שונים, וללא בזבוז אנרגיה. בוצע גם שינוי בתהליכי העבודה על-ידי שידרוג מערכת העמסה של המסוע, שהביא לתוספת יעילות רבה, זאת על-ידי התאמת מהירות המסוע כך שההעמסה נעשית בצורה מלאה ואחידה. נמצא כי במסוע המועמס למחצה מתבזבזת אנרגיה ונוצרת שחיקה שלא לצורך.

הרווח הגדול של המפעל נמצא בהפחתת העוצמה/גודל וסתי המהירות המותקנים. לפני השידרוג, המסוע דרש 6 דרייברים בעלי מהירות קבועה בהספק של 1.5MW ליחידה, בחישוב כולל מדובר על 9MW להפעלת המסועים. בעזרת וסתי המהירות נעשה שימוש ב-3 וסתי מהירות בהספק של 2MW ליחידה, סה”כ 6MW, זאת לבקרת המהירות ולצורך התנעה רכה.

קצב שיא הביקוש

וסת מהירות נותן פתרונות גם לחברות שעובדות בשיטת הגבלת שיא הביקוש. וסת מהירות עוזר להפחית את פסגת הביקוש על-ידי אספקת ההספק הנדרש ליישום מסוים, וביצוע הגברת המהירות ככל הנדרש, תוך שמירה על ערכי צריכת שיא נמוכים.

מקדם הספק עושה את כל ההבדל

מקדם הספק והשפעתו על ההזזה ועל הפרעות ההרמוניה הינו פקטור חשוב בבחירת וסת המהירות. מתנעים אשר קרובים במקדם ההספק שלהם לאחד, מתרגמים עובדה זו לחסכון באנרגיה.

דוגמא להשלכות מקדם ההספק על מחירי האנרגיה ניתן למצוא בשני מתנעים של 4000 כ”ס. אחד עם מקדם הספק אמיתי של .95 והשני עם מקדם הספק של .98 החיסכון בהפעלה השנתית עבור 8760 שעות שימוש, בעלות של 0.07$ לקו”ש הוא 63,173$ לטובת המתנע עם מקדם ההספק הגבוה יותר. זאת בנוסף על התועלת שבהורדת רמת ההרמוניות ,חתך הכבלים והאורך המקסימלי האפשרי של הכבלים בן הווסת למנוע.

העלות החבויה של שנאים

ניתן להקטין את השפעתן של הפרעות הרמוניות, אשר יוצרות חום עודף במערכות החשמל המפעליות ותורמות להפסדים, זאת על-ידי שימוש במתנע ללא שנאי.

מתנעים חסרי שנאים משתמשים בטכנולוגיית AFE, (active front-end rectifier) עם ריאקטור קו, והגנת מתח אינטגראלית בעלת מבנה פשוט. כתוצאה מכך, מידת המתנע קטנה ב 30-50 אחוז, ומשקל המתנע קטן ב- 50-70 אחוז. מכיוון שווסתים חסרי שנאים מייצרים פחות הפסדים, ומכיוון שמובנים בהם פחות רכיבים מגנטיים בריאקטור קו, הם גם מבטלים את הצורך באוויר קירור נוסף. יעילות השנאי היא בסביבות 98.5-99 אחוז, בעוד שבווסת מהירות בטכנולוגיית AFE ניתן להגיע ליעילות של 99.5 אחוז. תוספת זו, של כמחצית האחוז עד אחוז שלם, גוררת חסכון אנרגיה רב. מהנדסים יכולים לחבר מתנעי AFE למנועים קיימים, ובכך גם לחסוך באנרגיה וגם לשפר את גמישות הפעלת המנוע בתהליך.

כדוגמא ניתן לקחת מנוע בהספק של 4000 כ”ס, שבראשית דרכו היה מחובר דרך שנאי ועלות ההפעלה החודשית שלו עמדה על 154,804$. לאחר חיבור המנוע לווסת מהירות חסר שנאי (Transformer Less) , עלות הפעלה חודשית בהספק זהה הייתה 153,249$. לכאורה הפרש נמוך, אבל בחישוב שנתי, מדובר בחיסכון של 18,660$, זאת כאשר עלות קו”ש הינה בממוצע 0.07$.

ייצור חשמל באופן עצמאי

חלק מאפליקציות וסתי המהירות מאפשרים לא רק להפעיל מנועים בצורה יעילה, אלא גם לייצר אנרגיה ולהחזירה למערכת החשמל המפעלית או למוכרה לגורם אחר. לדוגמא, במפעל לייצור סוכר באמריקה עושים שימוש באנרגיית קיטור עודפת לייצור חשמל. אנרגיה זו מניעה טורבינה. הלקוח חיבר ווסתי מהירות למנועי חשמל יעילים שסובבו בעזרת אותן טורבינות קיטור. וסתי המהירות מתוצרת Allen-,Bradley PF7000, במתח הזנה של 2300V, בהספק של 1000 כ”ס. מערכת ההנעה חדשה מספקת הספק חשמלי של 1420kW, ובצורה זו המפעל מתוגמל ב- 158,480$ בכל שנה.

מתנע אחד עבור מנועים רבים

דרך נוספת לחסוך בעלויות שימוש במעקף סינכרוני, שבה עושים שימוש בווסת מהירות בודד להפעלת מספר מנועים המתואמים סינכרונית, אשר מעבירים את העומס ממקור אחד למשנהו על-ידי התאמת צורת גל המתח, תדר, המשרעת ויחס הפאזות בין 2 מקורות. שימוש בווסת מהירות להתנעת מנוע, הגברת המהירות למהירות הרצויה, וביצוע סינכרון גורמת לירידה בזרם העבודה המירבי ומיעלת את התהליך.

היתרון הכלכלי בשימוש במעקף סינכרוני מתבטא הן בעלויות ההתקנה הראשונית והן בעליות ההפעלה. מערכת סינכרונית עבור שני המנועים עולה ב- 33% פחות בהוצאות ההקמה, ומקטינה את ההפסדים בהשוואה לתצורה של מספר וסתי מהירות.

חסכון פוטנציאלי נוסף

פתרון חכם הכולל וסתי מהירות חכמים יכול להביא ליעילות ולחסכון באנרגיה, אך לא כל וסתי המהירות הינם בעלי תכונות זהות.

יכולות תוכנה:

על-ידי תכנון חכם של זמני האצה נכונים ניתן להגביל את זרם ההתנעה ל- 105-110 אחוז מהזרם הנומינאלי. לעומת זאת, בהפעלה ישירה הזרם מגיע לכ- 700 אחוז מהזרם הנומינאלי.

  • SGCT (symmetrical gate-commutated thyristors):מתגים מוליכים למחצה המתוכנתים לעבודה במתח גבוה יכולים להבטיח איבודי הולכה נמוכים יותר זאת ללא פגיעה בתדר עבודה גבוה.
  • יעול הספק: אופטימיזציה של צריכת ההספק יכולה להיעשות על-ידי ביצוע התאמה טובה של המתח הנדרש באפליקציות כגון מניפות ומשאבות.
  • תקשורת: אפשרויות של אוטומציה גבוהה והגבלת מומנט בתוכנה, ארכיטקטורה משולבת באמצעות תקשורת בין וסתי המהירות, מתנעים רכים ואחרים, ושילובם במערכת הבקרה, זאת באמצעות כלי תוכנה אחדים של הבקר המתוכנת ותוכנות הווסת והמתנע הרך, כל אלה מעניקים למיישם יכולת גבוהה וגמישות לשינויים ומותירים פחות מקום טעויות אנוש.

ניהול אנרגטי גורר החזר השקעה

בחינה מחודשת זהירה של האפליקציות בעזרת וסתי מהירות, הינה השקעה חכמה. חיפוש אחר מתנעים חכמים בטכנולוגיה מתקדמת ויישום אפליקציות של רגנרציה, מעקף סינכרוני, וסת מהירות חסר שנאי, תוכנה גמישה ותקשורת, הינם כלים מתקדמים לחסכון באנרגיה. שימוש בווסתי מהירות לצורך חסכון באנרגיה הינה השקעה נבונה שמחזירה את עצמה בתקופה של שנה עד 3 שנים.

ווסתי תדר Allen Bradley