Eficienţa energetică – caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XXXIII)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Eficienţa energetică – caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XXXIII)

În numărul anterior, pornind de la o aplicaţie din activitatea societăţii ICPE ACTEL – tracţiunea electrică, am realizat o paralelă între soluţiile folosite în acest domeniu şi anume între soluţia folosind motoare de c.c., respectiv soluţia folosind motoare de c.a. pentru conversia energiei electrice în energie mecanică, necesară propulsiei locomotivelor electrice, respectiv diesel-electrice.

Cu această ocazie, s-au evidenţiat avantajele utilizării motorului asincron din multe puncte de vedere şi în mod deosebit din punctul de vedere al eficienţei energetice.

1. Introducere

În foarte multe dintre aplicațiile în care sunt antrenate motoarele de medie putere, între 500 kW și 1200 kW (pompe, ventilatoare, dar și aplicații cu sarcină constantă la arborele motorului), se pune întrebarea logică: care este soluția cea mai eficientă din punct de vedere energetic în situația în care, din punct de vedere tehnic, se dorește reglarea unui parametru indirect (debit, presiune etc)?

Pe piața de produse sunt foarte multe variante tehnice, criteriile de alegere fiind, nu întotdeauna, legate de eficiența energetică globală, ci de costul investiției inițiale.

În acest număr voi evidenția câteva din soluțiile care vor reprezenta o comparație reală între aspectele tehnice și cele financiare și care vor demonstra că, pe termen lung, aspectele tehnice trebuie să primeze, pentru că ele vor influența pozitiv și aspectele financiare.

2. Soluţii de acţionare a motoarelor asincrone

În foarte multe ramuri de activitate, motorul asincron de medie putere (500-1200 kW) este des întâlnit, atât în aplicații cu funcționare alimentat direct de la rețeaua de alimentare, cât și prin intermediul convertoarelor de frecvență.

În situația în care puterea sursei de alimentare este mult mai mare decât puterea motorului asincron (> 10 ori), pornirea acestora nu reprezintă o problemă nici pentru rețea și nici pentru sarcină.

De obicei, acest lucru nu se întâmplă prea des, iar în aceste situații ne folosim fie de softstartere pentru facilitarea pornirii, fie de convertoare de frecvență pentru asigurarea unei porniri la cuplu nominal sau, după caz, la modificarea turației motorului în procesul tehnologic utilizat.

În cele ce urmează, voi prezenta trei soluții utilizate în practică, soluții aflate sub lupa eficienței energetice și financiare.

2.1 Soluţia transformator coborâtor – convertor c.a./c.a. joasă tensiune - transformator ridicător

Din punct de vedere istoric, este cea dintâi soluție apărută în industrie, încă din anii ’80. Schema electrică de principiu este prezentată în figura 1:

Specialiștii au dezvoltat această soluție neavând la dispoziție variante constructive de semiconductoare de tensiune inversă ridicată.

După cum se observă, tensiunea trifazată de alimentare fixă de 6 kV este coborâtă la o tensiune din plaja 3 x (400÷800) V, (punctul A), cu care se alimentează convertorul u, un convertor de joasă tensiune, care oferă la ieșire (punctul B) o tensiune și o frecvență variabile 0÷3 x (400÷800) V, respectiv 0÷50 Hz, cu precizarea că, de principiu, raportul U/f este cvasiconstant.

Tensiunea convertorului este aplicată unui transformator ridicător de construcție specială, pentru a putea funcționa fără saturație la frecvențe mici ale tensiunii de intrare, obținându-se la bornele motorului (punctul C) o tensiune de 0÷6 kV și o frecvență variabilă 0÷50 Hz, deci o turație variabilă și un cuplu constant, la orice valoare a turației, altfel spus obținându-se o caracteristică M = f(n), specifică motorului de c.c. cu excitație independentă.

În această aplicație, cu multiple avantaje, mai ales din punct de vedere financiar, problema eficienț ei energetice globale reprezintă unul din dezavantajele soluției.

Randamentul global al sistemului ηGS este:

unde: ηGi reprezintă randamentele elementelor înseriate transformator T1÷ motor.

În principiu, pentru astfel de puteri, randamentele transformatorului T1, al convertorului u și al motorului M sunt în jurul valorilor cuprinse între 0,95÷0,97.

Randamentul transformatorului T2 este, dată fiind construcția specială a acestuia, mult mai mic, el apropiindu-se de valoarea 0,8.

Apare în această aplicație și un alt aspect ce ține de eficiența energetică scăzută și anume randamentul datorat pierderilor pe căile de curent sursă- motor asincron, datorate vehiculării ener giei reactive și armonicelor de curent.

Din estimările noastre, randamentul global al aplicațiilor folosind soluția prezentată în figura 1 nu depășește valoarea 0,65, ceea ce ne face să concluzionăm că 1/3 din puterea absorbită din rețea reprezintă pierderi de energie.

Este motivul pentru care, din punct de vedere tehnic și, mai ales, din punct de vedere al eficienței energetice, consider că această soluție trebuie să rămână în istorie.

2.2 Soluţia transformator - convertor c.a./c.a. medie tensiune

Odată cu apariția ventilelor performante, în mod deosebit a tranzistoarelor de tensiune ridicată, convertoarele statice de putere au determinat soluția din figura 2, elimin#nd transformatorul T2 din figura 1.

Am detaliat oarecum schema din figura 2 pentru a evidenția câteva aspecte ce țin de abordarea unei eficiențe sporite pentru astfel de aplicații.

Transformatorul T, care este necesar într-o astfel de soluție, este unul de construcție relativ clasică, cu mai multe înfășurări secundare (aici 3), pentru a înlesni micșorarea influenței armonicelor de tip 6k±1.

De altfel, și redresorul u1 din componența convertorului u reprezintă o înseriere de 3 punți redresoare, în cazul de față cu același scop, dar și pentru a se asigura tensiunea necesară în circuitul intermediar ce trebuie convertită în valoarea nominală la bornele motorului M.

În acest mod se obține la punctul A din fig. 2 o tensiune variabilă 0÷6 kV, respectiv o frecvență variabilă 0÷50 Hz, în același raport de U/f constant,  fără a mai fi nevoie de un transformator ridicător ca în soluția precedentă.

În plus, poluarea armonică este mult diminuată, motiv pentru care randamentul global al sistemului prezentat în figura 2 se regăsește în jurul valorii de 0,84.

Expresiile parametrilor energetici în punctele de bilanț ale lanțului sursă - motor, respectiv în punctele IN și A sunt:

Din motive cunoscute, în punctul A, în afara componentelor fundamentale ale expresiilor tensiunii, respectiv curentului, apar și componentele armonice astfel încât dincolo de pierderile de putere pe elementele T, u și M, apar și pierderile datorate vehiculării QIN, respectiv armonicelor.

Randamentul sporit al sistemului prezentat în fig. 2 este validat astăzi de multiplele aplicații în care este utilizat motorul asincron de medie tensiune cu puteri cuprinse între 300 kW și câțiva MW. Singurul aspect negativ al dezvoltării pe scară largă a acestor aplicații îl constituie costul ridicat al convertoarelor de medie tensiune.

2.3 Soluţia transformator coborâtor – convertor joasă tensiune - motor joasă tensiune

Progresele tehnologice în realizarea motoarelor și convertoarelor de joasă tensiune au determinat, în ultimul timp, o înlocuire a motoarelor de medie tensiune cu cele de joasă tensiune până la puteri apropiate de 1200 kW. Schema electrică a unei aplicații de acest fel este prezentată în figura 3.

Asemănarea între figura 2 și figura 3 este evidentă. Le deosebește ceva? Soluțiile sunt asemănătoare din punctul de vedere al eficienței energetice, iar randamentele globale sunt aceleași.

Din punct de vedere al costurilor privind investițiile celor două soluții, soluția din figura 3 este mai ieftină, motiv pentru care o recomand în aplicațiile viitoare, în domeniul puterilor menționate. Acest lucru se datorează costurilor mai mici pentru convertoarele și motoarele de joasă tensiune în comparație cu cele de medie tensiune.

3. Concluzii

Aplicațiile cele mai des întâlnite pentru utilizarea motoarelor de putere medie (500÷1200 kW) sunt în următoarele domenii: metalurgie (ventilatoare pentru evacuarea gazelor arse), termocentrale (pompele de termoficare), irigații (pompele pentru asigurarea debitului de apă) etc.

În general, în aceste aplicații, motoarele din componența ventilatoarelor, a pompelor sunt alimentate direct de la rețeaua de alimentare cu energie electrică.

În afara problemelor legate de pornirea „grea” a acestor motoare, de pierderile de energie, rezultat al utilizării acestor motoare la puteri mult mai mici decât cele nominale, apar și probleme legate de procesele tehnologice care sunt în concordanță cu necesitatea reglării debitelor presiunilor în funcție de sarcină, motiv pentru care tot mai des se folosește tandemul motor – convertor c.a./c.a.

Lucrarea evidențiază, din punct de vedere al eficienței energetice, soluția cea mai indicată a se utiliza în astfel de aplicații. Aceasta se bazează pe aspectele teoretice dezvoltate de literatura de specialitate, precum și pe rezultatele obținute de specialiștii ICPE ACTEL în aplicații dezvoltate în activitatea de zi cu zi.


English summary

Energy efficiency and the financial implications of medium power electric motors are as many issues that have to be considered by potential investors.

The paper analyzes several technical solutions for the transformerconvrter- consumer chain (electric motor), including those related to starting engines and adjusting their revolutions, according to the technological process that the electric motors belong to.


Ion Potârniche este dr. ing., Director General ICPE ACTEL