Antti Vuorivirta, ABB Oy Kotimaan myynti, SSTY Sairaalatekniikan päivät, 12.2.2014 Uudet sähkömoottoritekniikat energiasäästöjen tuojana
Sisällys Moottoreiden hyötysuhde Oikosulkumoottori Tahtireluktanssimoottori Kestomagneettimoottori Hyötysuhdeluokat Esimerkki energiansäästöstä vanhassa kohteessa Esimerkki puhallinsovelluksen kokonaishyötysuhteesta
Hyötysuhteen määritelmä Hyötysuhde on moottorin akselilta saatavan mekaanisen akselitehon ja moottorin sähköverkosta ottaman sähkötehon suhde Korkea hyötysuhde tarkoittaa, että moottori muuttaa sähkötehoa mekaaniseksi tehoksi energiatehokkaasti U I P cosφ P Input rpm η = P Output P Input P Output load P Losses
Sähkömoottorin häviöiden määrittely Rautahäviöt Staattorissa ja roottorissa käytetyn materiaalin laatu Mekaaniset häviöt tuulettimen koko, laakereiden laatu, roottorin tasapainotus Roottorihäviöt Roottoritankojen materiaali ja poikkipinta, oikosulkurenkaiden koko Staattorihäviöt Eristystekniikan optimointi Lisähäviöt Staattori- ja roottoriurien geometrian optimointi Matala hyötysuhde sähkömoottorissa tarkoittaa tyypillisesti matalampaa materiaalien, komponenttien ja suunnittelun laatua
Oikosulkumoottori (induktiomoottori)
Oikosulkumoottori akseli staattori liitinkotelo roottori tuuletin Yleisin voimakone teollisuudessa Muuntaa sähkön mekaaniseksi tehoksi Muita nimiä: epätahtimoottori, induktiomoottori Yksinkertainen rakenne, kestävä, halpa Soveltuu kytkettäväksi suoraan verkkoon tai taajuusmuuttajan kanssa Muita moottorityyppejä: Kestomagneettimoottori EC moottori Tahtireluktanssimoottori
Tahtireluktanssimoottori
Tahtireluktanssimoottori/taajuusmuuttaja -paketti vakiomoottori + erikoisroottori vakiotaajuusmuuttaja + uusi ohjausohjelma Uusi taajuusmuuttaja / moottori -paketti Käytettävyydeltään samanlainen kuin perinteinen induktiomoottori/taajuusmuuttaja yhdistelmä. Sama staattoritekniikka kuin perinteisessä induktiomoottorissa, mutta roottorina uusi tahtireluktanssiroottorilla. Suorituskyky verrattavissa kestomagneettimoottoreihin, mutta tahtireluktanssimoottori on ilman kestomagneetteja. Optimoitu taajuusmuuttajakäyttöön ei sovellu suoraan verkkokäyttöön (DOL).
Menestyksen salaisuus Roottorihäviöiden eliminointi 60% Muut 100% I 2 R Rotor I 2 R Stator Muut IE4 SynRM I 2 R Stator 80-90% Muut Häviöt Perinteinen induktiomoottori I 2 R Stator Korotetun tehon SynRM
Moottorin hyötysuhde Korotetun tehon SynRM vs. IE2 induktiomoottori Erot moottoreiden hyötysuhteissa 1500/min 3000/min Ei sinimuotoisen sähkön takia oletetaan moottorille aiheutuvan 10-30% lisää häviöitä.
Kestomagneettimoottorit
Kestomagneettimoottori Runko ja laakerointi kuten induktiomoottorissa Staattorikäämitys kuten induktiomoottorissa Roottori Magnetointi kestomagneeteilla Ei erillistä käämitystä roottorissa, ei oikosuljettua häkkiä Ei erillistä käämitystä roottorissa, ei oikosuljettua häkkiä Ei roottorihäviöitä Tarvitsee aina taajuusmuuttajan ABB käyttää tätä tekniikka pääasiassa hitaasti pyöriviin sovelluksiin. -> Ei tarvetta erilliselle vaihteelle.
Hyötysuhdeluokat
Uudet IE-hyötysuhdeluokat Standardi IEC 60034-30 hyväksyttiin syyskuussa 2008 IEC 60034-30 harmonisoi hyötysuhdeluokat maailmanlaajuisiksi IE-luokat perustuvat uuteen hyötysuhteen mittausstandardiin: IEC 60034-2-1: 2007 IE hyötysuhdeluokitus (International Efficiency) IE1 = Standard IE2 = High IE3 = Premium IE4 = Super Premium IE-luokat kattavat: 2-, 4- ja 6 -napaiset Tehoalue 0.75-375 kw Kaikki pienjännitteet < 1000 V
Aikataulu EU minimihyötysuhteiden käyttöönotolle Vaihe 1: 16.6.2011 alkaen Moottoreiden täytyy täyttää hyötysuhdeluokka IE2 Vaihe 2: 1.1.2015 alkaen Vaihe 3: 1.1.2017 alkaen Tehoalue 7.5 375 kw, moottoreiden täytyy täyttää hyötysuhdeluokka IE3 TAI hyötysuhdeluokan IE2 moottori täytyy asentaa taajuusmuuttajakäyttöisenä Tehoalue 0.75 375 kw, moottoreiden täytyy täyttää hyötysuhdeluokka IE3 TAI hyötysuhdeluokan IE2 moottori täytyy asentaa taajuusmuuttajakäyttöisenä
Säästöpotentiaali nykyisten moottoreiden avulla Käytössä olevien moottoreiden energiatehokkuuden kehittymien 1998 2009. Eniten säästöpotentiaalia on 0,75kW 70kW tehoalueella Lähde: http://www.cemep.org/fileadmin/downloads/ energy_saving_motors_result_1998-2009.pdf (haettu 8.1.2013)
Korkean hyötysuhteen moottorit Vanhan moottorin korvaaminen esimerkki n n Vaihtoehdot IE3(A) ja IE2 (B) moottorit Moottori A Moottori B Moottori C UUSI UUSI VANHA Hyötysuhdeluokka IE3 IE2 alle IE1 Teho kw 11 11 11 Hyötysuhde 92.3 % 90.4 % 85 % Hankintahinta EUR 900 720 0 Käyntiaika h / vuosi 8000 8000 8000 Häviöt kwh / vuosi 7350 9350 15500 Energian hinta EUR / MWh 55 55 55 Häviöt EUR / vuosi 400 515 850 IE3 -moottorin hankinta on kannattavaa Energiansäästö EUR / 8000h vs. moottori B 115 vs. moottori C 450 Lisäinvestointi EUR vs. moottori B 180 vs. moottori C 900 Takaisinmaksuaika / v vs. moottori B 1,6 vs. moottori C 2 n IE3 -moottorille Käyttöikä / v 25 Käyttöikä / tuntia 200000 Kulutettu energia MWh 2220 Energian hinta EUR 120000 Moottorin hinta / energian hinta >1 %
Korkean hyötysuhteen moottorit Sähkömoottorit kuluttavat 65 % teollisuuden käyttämästä sähköstä Moottorin hankintahinta on verrannollinen sen 8-12 viikon sähkönkulutukseen Moottorin hankintahinnan osuus on vain 1-2 % elinkaarikustannuksista Luotettavilla korkean hyötysuhteen moottoreilla päästään pienimpiin elinkaarikustannuksiin Enemmän luotettavuutta! Korkean hyötysuhteen moottorilla ei ainoastaan saavuteta säästöjä sähkölaskussa, CO 2 -päästöissä ja kasvihuonekaasupäästöissä, etuina ovat lisäksi: pidempi elinikä parempi luotettavuus pidemmät huoltovälit Korkean hyötysuhteen moottori käy viileämpänä pidentäen laakereiden ja käämityksen elinikää 15 Kelvinin lasku laakerilämpötilassa kaksinkertaistaa voiteluvälin Energiankulutus 97% Uudelleen- käämintä 1% Hankintahinta 2%
Korkean hyötysuhteen moottorit Edut 2.6kW x 0.055EUR x 8,760 h = 1 251 EUR 78.8 kw 81.4 kw Häviöt 3.8 kw Häviöt 95.1 % hyötysuhteella Vähentyneet häviöt = 2,6 kw 75 kw Häviöt 6.4 kw Häviöt 92.1 % hyötysuhteella Hyötysuhteen kasvattaminen 3 %-yksiköllä alentaa häviöitä 40% Säästöä 1251 EUR vuodessa = 11 tonnia CO2 (0,5kg/kwh)
Korkean hyötysuhteen moottoreiden tarjonta (IE3/IE4) 56 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 IE4 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 Induktiomoottori 11-55kW (tulossa) Induktiomoottori 75-355kW Tahtireluktanssimoottori 11-315 kw IE3 56 63 71 80 90 100 112 132 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 Induktiomoottori 0,75-355kW
Järjestelmän hyötysuhde Yleisimmät moottorityypit puhallinsovelluksissa EC moottori (elektronisesti kommutoitu tasavirtamoottori) Kestomagneettimoottori Oikosulkumoottori Esimerkki hyötysuhteesta 450 mm radiaalipuhaltimella Taajuusmuuttaja/moottori hyötysuhteet perustuvat mittaustuloksiin Puhtaltimen hyötysuhteet ojn otettu valmistajan katalogista.
Johtopäätökset EC Pelkän käytön hyötysuhde hyvä, mutta järjestelmän hyötysuhde matala, pääoma- ja käyttökustannukset korkeammat PM (kestomagneettimoottori) Parempi hyötysuhde, mutta pääomakulu korkeampi, ja kestomagneettien hinnat saattavat kohota vielä lisää. Takaisinmaksuaika 1 2,5 vuotta SynRM Hyötysuhde kestomagneettimoottorin tasolla Hinta induktiomoottorin tasolla Kokonaisuutena kilpailukykyisin
ABB Oy Kotimaan myynti
Helppokäyttöisiä laskentatyökaluja Energiatehokkuuden vertaamiseen EffSave Verrataan kahden eri hyötysuhteella toimivan moottorin kustannuksia ja päästöjä Operations savings analyzer Arvioidaan kokonaisen tuotantolaitoksen korkean hyötysuhteen moottoreilla saavuttamia säästöjä
Optimizer Uusi työkalu asiakkaille Moottoreiden valinta, käyttökulujen vertaaminen ja dokumenttien kerääminen. http://www145.abb.com/
LV Moottorimateriaalia YouTube videot Moottorikatalogit ABB Oy Kotimaan myynti