Frekans Konvertörü ile Enerji verimliliği

Transkript

1 Frekans Konvertörü ile Enerji verimliliği Tomi Ristimäki Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH 08 I 2008 Sürekli artan enerji fiyatları, enerji ve maliyet tasarrufu yapmak isteyen firmaların ilgisini kayda değer ölçüde artırdı. Bu konudaki görüşmeler genellikle alternatif enerji kaynakları ve yeni enerji tasarruf teknolojileri arasında dönerken, yaygın kullanıldığında büyük tasarruflar sağlayabilecek mevcut teknik çözümlere çok az önem verilmesi şaşırtıcıdır. Kanıtlanmış ve düşük yatırım maliyetli bir çözüm ısıtma, havalandırma ve iklimlendirme uygulamalarında kullanıllan Frekans Konventörleridir (FK). Bunun gibi diğer teknolojilerin sadece çok azı yapılan yatırımı bir yıldan daha az bir sürede geri kazandırabilmektedir. Aynı zamanda bu cihazlar HLK sisteminin kontrol edilebilirliğini artırarak çok fazla avantaj da sunmaktadır. FK hız ayarı sayesinde enerji tasarrufu antilatörler, pompalar ve kompresörler gibi akış üreten cihazlar genellikle hız ayarı olmadan kullanılmaktadırlar. Bunun yerine akış geleneksel metodla regülatörler, valflar ve supaplar yardımı ile kontrol altına alınmaktadır. Akış değişken motor hızıyla kontrol edilmediğinde, motor sürekli tam hızda çalışır. HLK sistemlerinin azami debiye nadiren ihtiyaç duymaları yüzünden, hız ayarsız bir sistem çoğu zaman önemli miktarda enerji israf etmektedir. FK ile motor hızının ayarlanması %70 e varan bir enerji tasarruf imkanı sunmaktadır. Şekil 1, temel prensibi açıklamaktadır.

2 Şekil 1: FK hız ayarı sayesinde enerji tasarrufu prensibi Frekans Konventörü (FK) Nedir? HLK ve su boru hattı sistemlerinde kullanılan elektrik motorlarının çoğu, indüksiyon veya asenkron motor olarak da bilinen kısa devreli motorlardır. Benimsenmiş olmaları, nispeten uygun fiyatlı, az bir bakım masrafı gerektirmeleri ve yüksek oranda güvenilir olmalarına dayanmaktadır. Bu modellerde, motor dönme sayısını kontrol altına almanın tek yolu, giriş akım (alternatif akım) frekansını değiştirmek ile mümkündür: Frekans Konventörünün devreye girdiği yer burasıdır. Frekans konvertörü; İnvertör, Değişken Hızlı Sürücüler (VSD), Değişken Frekanslı Sürücüler (VFD) veya Frekans dönüştürücüsü gibi birçok isimle bilinmektedir. Tüm bunlar aynı şeyi tanımlar: Elektrik motorlarında kademesiz hız ayarını sağlayan bir elektronik cihaz. Günümüzdeki VFD sistemleri, sistem içerisindeki diğer elemanların kontrolü ve korunması gibi farklı fonksiyonları da yerine getirirler. Affinite Kanunları Basınç, basma yüksekliği, debi, transmisyon devir sayısı ve güç gibi değişkenlerin kendi aralarındaki ilişki, benzerlik kanunları aracılığı ile ifade edilebilmektedir. Bu kanunlar hem radyal hem eksenel fan ve pompalar için kullanılır. (bkz. Şek. 2) Debi % Basınç % Enerji Tüketimi % Hız % Hız % Hız % Şekil 2: Affinite kanunları dönüş hızı ve diğer büyüklükler (veriler) arasındaki ilişkiyi belirtir.

3 Bu kanunlardan, debinin hız ile doğru orantılı olarak arttığı ve basıncın da hızın karesi ile orantılı olarak arttığı görülmektedir. Enerji tasarrufu bakımından en önemli nokta, güç tüketiminin hızın kübü ile orantılı olarak artmasıdır. Bunun anlamı, devir sayısının en küçük seviyede azalmasının dahi elektrik tüketiminde büyük tasarruflara sebep olacağıdır. Dolayısıyla, örneğin şekil 2 den de görüldüğü gibi, hızı %75 mertebesine çekmek, debiyi %75 e çekerken harcanan güç, tam hızda çalışan motorun enerjisinin %42 sidir. Debi %50 ye çekildiğinde bu güç tüketimi %12.5 seviyesine iner. Hız ayarının, hacim akım ayarlamasının diğer metotları ile karşılaştırılması Hacim akım ayarlamasının diğer tipik imkanları aşağıdaki gibidir: Damper ve valf yardımı ile kısma ayarları Vantilatörün içine girecek olan hava akımını sınırlandırmak için radyal vantilatörlerde giriş sürgülerinin devreye sokulması Vantilatör ve motor arasındaki dönme momentinin ayarlanması için viskoz ve indüksiyon akımı kavramalarının devreye sokulması, Açma/ Kapama ayarlaması Eksensel vantilatörlerde kanat diklik ayarının değiştirilmesi: Debinin ayarlanması için, vantilatör kanatlarının açısı değiştirilmektedir. Akış kontrolüne dair alışılagelmiş türlerin dezavantajı, bunların hiçbirisinin elektrik tüketimine yönelik direk olarak etki etmemesidir. Bu unsurların bazılarında elektrik tüketimini azaltmaya yönelik imkanlar söz konusudur, ancak bunların hiç biri enerji tasarrufunda FK hız ayarının kullanımı kadar etkin değildir. Örnek olarak Açma/ Kapama kontrolü, artan başlatma ve durdurmalar ile FK kullanılmadığı için eletrik kaynağındaki oynamalara bağlı olarak çok daha fazla mekanik gerilme ve basınç artışları yaratır. Aşağıda bulunan Şekil 3 hız kontrolü ve damper ile kısma kontrolünün güç tüketimlerini karşılaştırmaktadır Kısma ayarı Enerji Tüketimi % TASARRUF Hız ayarı Debi % Şekil 3: %60 debide hız ve kısma kontrolünün karşılaştırılması

4 Tipik bir HLK sisteminin çalışma çevrimi Tipik bir sistem nadiren ihtiyaç duyulan azami talebi karşılayabilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu, vantilatör ve pompaların işletim sürelerinin büyük bir bölümü için gerektiğinden daha büyük seçildiğini gösterir. Şekil 4, bir HLK sisteminin çalışması esnasında çoğunlukla kullanılan kapasitenin %100 ün altında olduğunu göstermektedir. Pompa veya vantilatör motorlarının devir sayıları ayarlanabilir, affinite kanunları kullanılarak önemli tasarruflar elde edilebilirdi. Aşağıdaki şekilde de çalışma süresinin %90 dan fazla bir bölümünde debinin %70 in altında gerçekleştiğini gösterir % 10.00% 9.00% Çalışma zamanı % 8.00% 7.00% 6.00% 5.00% 4.00% 3.00% 2.00% 1.00% 0.00% Debi ya da hacim % Şekil 4: Bir HLK sisteminin tipik yük profili. Kaynak: UK Department of Trade and Industry. Vantilatörler veya pompaların kullanım ömrü boyunca maliyetleri Vantilatör ve pompaların satın alınma fiyatları, toplam yaşam devresi maliyetlerinin sadece küçük bir parçasıdır. Bakım giderleri, önemli derecede büyük olsa da, işletme giderlerinin büyük kısmı enerji tüketiminden kaynaklanmaktadır. Şekil 5, bir pompanın tipik yaşam devresi maliyetlerini göstermektedir. Burada, %70 e kadar olabilecek enerji tasarruflarının, yaşam devresi maliyetlerine yönelik olarak ne kadar önemli olduğu açıkça belli olmaktadır. Vantilatörler için olan tipik yaşam devresi maliyetleri buradaki pompalar için belirtilmiş olanlar ile son derece benzerdir. Satın alma %5 Bakım %5 Enerji tüketimi %90 Şekil 5: Pompalardaki tipik yaşam devresi maliyetleri. Kaynak: Hydraulic Institute

5 Daha çok enerji tasarrufu için özel fonksiyonlar CentraLine NX VFD ürün ailesi, pompaların ve vantilatörlerin enerji tüketimini optimize edecek fonksiyonlar sunmaktadır. FK sistemleri, normalde direk oranlı frekans-voltaj ilişkisi temeline dayalı bir şekilde çalışmaktadırlar. Bu, motorun frekans/devir sayısının %10 artmasının, voltajı %10 arttırdığı anlamına gelmektedir. CentraLine NX ailesinin in FK sı Flux/Akı optimizasyonu olarak adlandırılan bir otomatik fonksiyona sahip olup, bu sayede frekans-voltaj ilişkisini uyarlama vasıtasıyla voltaj kademelerini optimalleştirmektedir. Bu fonksiyon %5 e kadar olan ek bir enerji tasarrufu sağlamaktadır. Bunun haricinde, tüm ürün gamı, ihtiyaç olmadığı durumlarda kendi soğutma vantilatörlerini kapatma imkanına sahiptir. Bu da düşük bile olsa yeniden bir enerji tasarrufu sağlayarak FK nun tek hareketli parçasının kullanım ömrünü uzatmaktadır. Şekil 6: CentraLine NX ailesi (soldan): NXL Compact, NXL HVAC ve NXS. Uygulamada enerji tasarrufları Daha önceden de belirtildiği gibi, FK kullanılarak gerçekleşen enerji tasarrufları, giderler ve amortisman zamanının değerlendirilmesi dahilinde dikkate alınacaktır. Vantilatörler ve pompaların CentraLine tasarruf potansiyeli hesaplama programları, FK deki yatırımlarınıza yönelik değerlendirmede, size tasarruf imkanları konusunda değerli yardım sunar. Hesaplama programları, vantilatörler için kısma damperleri yardımı ile akış ayarlaması veya pompalar için açma/ kapama valf ayarları gibi en sık kullanılan alışılagelmiş ayarlama işlemlerinin karşılaştırılmasına dayanmaktadır. Şekil 7, vantilatörler için CentraLine tasarruf hesaplayıcısının başlangıç görünümünü göstermektedir. Şekil 7: CentraLine Vantilatör hareket tertibatı için tasarruf hesaplayıcısı

6 Vantilatör uygulamalarında enerji tasarrufları Verilen örnek tipik bir 5,5 kw-santrifüj vantilatörünün hava hazırlama uygulamalarına yönelik tasarruf hesaplamasını göstermektedir.aşağıda CentraLine FK üzerinden hız ayarı ve kısma damperi ile akış ayarlaması karşılaştırılmaktadır. Hesaplama için de ilk etapta aşağıdaki verilere ihtiyaç duyulmaktadır: Girmekte olan gazın verileri: Bir HLK uygulamasında hava dolaşımı söz konusu olduğu için, bu veriler standart değerlerde bırakılabilirler. Vantilatörün verileri: Nominal debi ve nominal basınç artışı vantilatörün veri formundan görülebilmektedir. Etkinlik: - Mümkün olduğu müddetçe gerçek değerleri kullanınız, aksi halde standart değerler tahmini değerlerdir. - Söz konusu olan vantilatör direk hareket tertibatına sahip olduğundan etkinliği 1 dir. - CentraLine FK normal durumda 0,98 oranında efektiftir. Mümkün olan en iyi hesaplamayı elde edebilmek için, enerji fiyatı olarak gerçek fiyat verilmelidir. Yıllık işletim saatleri tahmini değerlerdir. Bu hesaplama, hava sistemleri için %80 kullanım olarak varsayılarak yapılır. Bu hesaplamadaki gider farkı, bir FK ve bu büyüklükte kısma damper sistemi için tahmin edilen fark miktarıdır. Şekil 8: 5,5 kw vantilatör için CentraLine tasarruf hesaplayıcılı enerji tasarrufu hesaplaması FK sistemindeki bir yatırım için, enerji fiyatlarındaki yıllık tasarruf potansiyeli 992 Euro ve amortisman zamanı 0,65 yıl olan bir hesaplama sonucunu vermektedir.

7 Küçük FK ların pompa uygulamalarında gider tasarrufları Aşağıda, direk bağlanmış ve FK kontrolü altında bulunan pompa sistemleri arasındaki yatırım masraflarının kabaca hesaplamalarının karşılaştırılmasını göreceksiniz. Alternatif 1, direk olarak bağlanmış olan pompa (DOL=Direct Online): Pompa ve Motor (~3 kw) 1000 Euro Kurulum 1000 Euro DOL toplam maliyeti: 2000 Euro 15 yıl üzerinden enerji tüketimi DOL ile yapılan tüketim kws DOL ile enerji masrafı (9 Sent/kWs) Euro Alternatif 2, VFD ile olan çözüm: Pompa ve Motor (~3 kw) 1000 Euro VFD 800 Euro Kurulum 1200 Euro VFD ile toplam maliyet: 3000 Euro 15 yıl üzerinden enerji tüketimi (%30 oranında tahmin edilen enerji tasarrufu) VFD ile yapılan tüketim kws VFD ile enerji masrafı (9 Sent/kWs) Euro 15 yıl üzerinden enerji tasarrufu: kws 15 yıl üzerinden enerji masraf tasarrufu: Euro 1 yıl için enerji masraf tasarrufu: 709 Euro Özet Pompa, vantilatör ve kompresörler gibi akış cihazlarının hız ayarına yönelik frekans konvertörlerini kullanmak yeni bir fikir değildir. Yine de bu alandaki yeni teknolojiler, daha da düşen maliyet giderlerinden dolayı bunları daha da ilgi çekici hale getirmektedir. HLK sistemlerinde değişken hız ayarlı elektrik motorlarının daha çok kullanılması ile büyük bir enerji tasarruf potansiyeli mevcuttur. Bu teknoloji, bölgesel ve uluslar arası anlaşma ve standartlara yönelik enerji tasarruf politikasına önemli bir katkı sağlayan ve CO 2 emisyonunu düşüren bir uygulamadır.

8 Yazar: Tomi Ristimäki Produktmanager CentraLine c/o Honeywell GmbH Enerji Verimliliği ile ilgili daha fazla detay ve makaleleri CentraLine City web sitesinde bulabilir veya bizimle temasa geçebilirsiniz. CentraLine Honeywell A.Ş. Çayıryolu sok.üçgen Plaza, Kat:7, İçerenköy - İstanbul Tel +90 (0)