ODBORNÝ DVOJMESAČNÍK ZAMERANÝ NA NAJNOVŠIE POZNATKY O VÝVOJI MOBILNÝCH PRACOVNÝCH STROJOV A O ICH APLIKÁCII V PRAXI

Možnosti energetických úspor dosiahnutých modernizáciou zdvíhacích zariadení a vplyv na elektrickú sieť


Cieľom práce je analyzovať možnosti zlepšenia celkovej energetickej efektívnosti moderných výťahových pohonov vybavených asynchrónnym (indukčným) motorom. Najčastejšie používané pohonné stroje – asynchrónne motory – majú však významné nedostatky, ktoré sú reprezentované veľkým záberovým prúdom, zložitejšou reguláciou otáčok a malým účinníkom v stave nízkeho zaťaženia stroja. Väčšina zdvíhacích zariadení na báze asynchrónnych motorov nie je vybavená individuálnou kompenzáciou jalového výkonu. Existencia odberu „jalovej energie“ vyplýva priamo z fyzikálnej podstaty. S nástupom moderných elektronických meracích prístrojov nasadzovaných v súčasnosti na meranie odberu elektrickej energie (smart metering), ktoré umožňujú registráciu toku energie vo všetkých 4 kvadrantoch, možno očakávať aj v prípade malých odberateľov, že problematike energetiky týchto odberov bude venovaná v blízkej budúcnosti väčšia pozornosť.

Podľa dostupných zdrojov možno odhadnúť, že v súčasnosti v Slovenskej republike existuje približne do 100 000 inštalovaných osobných a nákladných trakčných a hydraulických výťahov. Až na vzácne výnimky sú výťahové pohony v rozsahu výkonov 2,5 kW až 30 kW s indukčnými motormi s kotvou nakrátko. Osobné trakčné výťahy (250 a 350 kg) sú poháňané najmä jednorýchlostným trojfázovým motorom pripojeným priamo k elektrickej sieti cez stýkače (2,5 kW až 3,5 kW), resp. v prípade nákladných výťahov (500 kg a viac) dvojrýchlostným motorom s výkonom od 5 kW do 20 kW. V niektorých prípadoch sa používa aj indukčný krúžkový motor s rotorovým odporom a výkonom nad 15 kW. Malá časť starších výťahových pohonov, najmä rýchlovýťahov, je vybavená jednosmerným systémom Ward-Leonard [1].

Stanovenie celkovej spotreby energie výťahového pohonu nie je jednoduché vzhľadom na rozdielnu povahu nákladu výťahu a takisto pre problematiku určenia prejdenej vzdialenosti počas normálnej prevádzky. Podľa energetického štítka VDI4707 [2] je všeobecne prijímaná kategorizácia výťahov do energetických tried A až G, v závislosti od odberu elektrickej energie pri prevádzke a v pohotovostnom režime. Výťahový priemysel v súčasnosti vyvíja úsilie na prijímanie postupov vedúcim k úsporám energie prechodom na vyššie triedy v súlade s VDI 4707. Na dôvažok, publikované práce [3, 4, 5], ukazujú, že je dôležité zaoberať sa aj pohotovostným (standby) režimom, pretože aj on prispieva k celkovej spotrebe energie. Ďalej sa ukazuje, že na energetické úspory má vplyv aj manažment osvetlenia kabíny a silových obvodov v čase, keď sa výťah nepoužíva. Treba dodať, že tieto opatrenia nemajú významný vplyv v prípade frekventovane používaných výťahov napr. v kancelárskych budovách a pod.

Je zrejmé, že energetika výťahových pohonov v SR nie je len otázkou lokálneho významu, ale mala by byť považovaná aj za problém nekompenzovaného jalového výkonu s hodnotou okolo 500 MVAr (pozri výsledky experimentálnych meraní). Eliminácia nežiaduceho jalového výkonu sa stáva čoraz dôležitejšou aj vzhľadom na zavádzanie smart-meteringu so 4-kvadrantovými elektromermi, dokonca aj v prípade malých odberov [6]. Možno predpokladať, že v najbližších rokoch budú inteligentné merače umožňujúce záznam parametrov vo všetkých 4 kvadrantoch nahrádzať zostávajúce analógové prístroje (s registráciou iba činného výkonu) [7 ,8, 9].

Experimentálne výsledky

Merania vykonané na reálnom pohone výťahu boli realizované pomocou sieťového analyzátora (trieda presnosti 0,2 % pre U a I, resp. 0.5 % pre P, Q, S a cos φ) pripojeného priamo do napäťového obvodu a nepriamo, pomocou prístrojových prúdových transformátorov (trieda presnosti 0,5 %), do prúdového obvodu. Presnosť meracieho prípravku bola laboratórne overená pomocou prístrojov triedy presnosti 0,2 %. Skúška potvrdila výrobcom deklarované hodnoty v oblasti nami meraných napätí, prúdov a charakteru záťaže.

S cieľom analyzovania energetiky reálneho pohonu sme pripravili niekoľko praktických meraní na pohone výťahu UT 500/0,7 s nosnosťou 500 kg a s rýchlosťou jazdy 0,7 m/s, inštalovaného v priemyselnej budove.

Meranie na pôvodnom výťahu 500 kg/0,7 m.s-1/5 kW

Prvé meranie bolo vykonané na pôvodnom pohone výťahu inštalovaného v 70. rokoch minulého storočia. V tabuľke 1 sú ukázané namerané hodnoty prvého merania pre prevádzkové stavy jazdy prázdnej (nezaťaženej) kabíny smerom hore a jazdy prázdnej kabíny smerom dole. Skúmaný elektrický pohon výťahu bol následne modernizovaný. Pri celkovej oprave výťahu bol okrem iného nahradený pôvodný výťahový rozvádzač moderným rozvádzačom s mikroprocesorovým riadením a meničom frekvencie a napätia (VVVF).

Tab. 1 Namerané hodnoty odberu trojfázového asynchrónneho motora pohonu výťahu s výkonom 5 kW priamo pripojeného na sieť pri jazde prázdnej (nezaťaženej) kabíny smerom dole a smerom hore

 

prázdna kabína smerom dole

prázdna kabína smerom hore

U1 (V)

224,7

224,3

U2 (V)

224,6

224

U3 (V)

224,1

223,9

I1 (A)

8,8

7,25

I2 (A)

9,66

8,37

I3 (A)

9,05

7,87

P (kW)

3,167

0,065

S (kVA)

6,051

5,293

Q (kVAr)

5,167

5,293

cosϕ (-)

0,54 induktívny

0,01 induktívny

 

Meranie na rekonštruovanom výťahu 500 kg/0,7 m.s-1/5,5 kW

Druhé meranie bolo uskutočnené na pôvodnom pohone s asynchrónnym motorom, ale už vybavenom reguláciou pomocou frekvenčného meniča, po výmene zastaraného a opotrebovaného stýkačového riadenia. Výsledky merania je možné sledovať v tabuľke 2. Grafické znázornenie nameraných hodnôt je vyobrazené na korešpondujúcich obrázkoch (obr. 2). Signifikatná je zmena v oblasti odberu jalového výkonu. Po zapojení frekvenčného meniča je účinník, vďaka obvodom optimalizácie účinníka (PFC), blízky 1 v širokom rozsahu prevádzkových režimov stroja pohonu.

Tab. 2 Namerané hodnoty odberu trojfázového asynchrónneho motora 5 kW pohonu výťahu napájaného z frekvenčného meniča pri jazde prázdnej (nezaťaženej) kabíny smerom dole a smerom hore.

 

prázdna kabína smerom dole

prázdna kabína smerom hore

U1 (V)

219,7

221,5

U2 (V)

218,3

219,4

U3 (V)

218,4

219,7

I1 (A)

7,48

1,59

I2 (A)

7,92

1,92

I3 (A)

8,39

2,2

P (kW)

3,141

0,449

S (kVA)

3,143

0,45

Q (kVAr)

0,12

0,03

cosϕ (-)

0,99 kapacitný

0,996 kapacitný

Záver

Vyhodnotením výsledkov meraní na výťahovej jednotke s indukčným motorom priamo pripojeným k sieti možno dospieť k záveru, že v súlade s teoretickými poznatkami je jalový výkon odoberaný z elektrickej siete nezávislý od zaťaženia pohonu (magnetizačná zložka prúdu je úmerná druhej mocnine napätia). Efektívnosť prevádzky výťahového pohonu s premenlivým zaťažením bez kompenzácie jalového výkonu sme spomenutou úpravou zlepšili. V prípade nasadenia smart meteringu by bola prevádzka takéhoto pohonu aj neekonomická, pretože účinník indukčného motora ťažko dosiahne požadovanú hodnotu účinníka nad hodnotou 0,95. Ako najlepšia alternatíva modernizácie pohonov výťahov využívajúcich asynchrónne motory sa ukazuje použitie jednotky s meničom frekvencie a napätia (VVVF). Optimalizačné algoritmy používané v meničoch v spojení s prirodzeným kapacitným charakterom DC medziobvodu zaručujú udržiavanie účinníka blízkeho k hodnote 1 v celom regulačnom rozsahu otáčok a zaťaženia motora pohonu. Vykonané merania uvedené predpoklady potvrdili.

Použitá literatúra

[1] Kujan, V.: Energetika asynchrónnych pohonov s frekvenčným meničom modernizovaných zdvíhacích zariadení a ich vplyv na elektrickú sieť, písomná práca k dizertačnej skúške, FEI STU, 2016.

[2] VDI 4707 Guideline, “Lifts Energy Efficiency”, 2008.

[3] Barney, G.: Vertical Transportation in Tall Buildings. Elevator World, Vol. LI, No. 5, 2003, pp. 66-75

[4] Mitronikas, E.D., Spyropoulos, D.V., Papanikolaou, N.P., Tatakis, E.C., Spyropoulos, N.: Energy Saving during modern Lift operation, Zurich, 2005.

[5] Nipkow, J.: Electricity Consumption and Efficiency Potentials of Lifts, Report of Swiss Agency for Efficient Energy Use (SAFE), HTW University of Applied Sciences.

[6] Volčko, V., Beláň, A., Heretík, P., Kováč, M., Koníček, M. Smart metering - the meaning of popular words. In Power Engineering 2014. Renewable Energy Sources 2014; Tatranské Matliare, Slovakia, May 20-22, 2014. 1.vyd. s. 135-139. ISBN 978-80-89402-73-1.

[7] Henry, A.: Smart metering technology promotes energy efficiency for green world, Analog Dialogue, 2009

[8] Smart Grid, Smart City Project: Monitoring and Measurement Report, Grid Application Stream: Active Power Factor and Voltage Correction, Australia 2012.

[9] Kujan, V., Janíček, F., Perný, M., Packa, J., Valach, M.: Energy saving possibilities of modern elevator drives. In Power engineering 2016. Renewable Energy Sources 2016 : 6th International Scientific Conference. Tatranské Matliare, Slovakia. May 31 - June 2, 2016. 1. vyd. Bratislava : Slovak University of Technology, 2016, S. 90-94. ISBN 978-80-89402-82-3.

Autori: Vladimír Kujan, František Janíček, Milan Perný, Vladimír Šály

Fakulta elektrotechniky a informatiky,
Ústav elektroenergetiky a aplikovanejelektrotechniky,
Slovenská technická univerzita v Bratislave, Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava

Telefón: (421 2) 6029 1884
Fax: (421 2) 6542 0415

vladimir.kujan@stuba.sk