Mahshid Mehrparvar, Naghmeh Rajabi Far
5 GENOMFÖRANDET
5.1 Beräkningar på Scaniasbefintliga motorer och identifiering av motorernas ekvivalenta parametrar
5.1.1Motor 1
Motor 1 är en sexpolig trefasig asynkronmotor från tillver- karen FLENDER ATB-LOHER med modellnummer ANGA-200LJ-06C. Beräkningarpåbörjades med hjälp av information baserad på märkplåten. Enligt märkplåten är motorn deltakopplad med märkspänning 525 V och märk- ström 34 A. Märkeffekten kan läsas av märkplåten till 22 kW och effektfaktor till 0,8. För att göra beräkningar enkla- re används ett enfasigt Y-kopplat ekvivalentschema enligt figur 2. Fasspänningen för enfasiga Y-kopplade ekvivalent- schemat beräknas enligt (20)
V (20)
Med fasström A kan beräknas till 24734 W
enligt (3). Reaktiva effekten ges av (21) och beräknas
till VAr. (21) Quantity cut-off 10 % 40 % C (ESOB 1450) 132,58 128,07 C (ESOB 2900) 135,60 130,27 C (ESCC 1450) 132,74 128,46 C (ESCC 2900) 135,93 130,77 C (ESCCi 1450) 136,67 132,30 C (ESCCi 2900) 139,45 133,69 C (MS 1450) 134,45 130,38 C (MS 2900) 1,19 133,95 C (MSS 2900) 13,31 128,79
som är rotorns varvtal kan också läsas av märkplåten till rpm. Polpartal för sexpoliga motorer är 3 varför synkrona varvtalet kan fås med hjälp av (1) till
rpm. Eftersläpningen kan sedan räknas ut enligt (2) till 0,035.
Motorns verkningsgrad fås ur kvoten mellan märkeffekt och till 0,889. Märkmomentet ges av (22) och kan
beräknas till Nm.
(22)
Informationen som finns påmärkplåten är inte tillräcklig för att identifiera alla okända parametrar i kretsen.Därför gjor- des mätningar för att bestämma resistansen. Motorer kopp- lades ur och mättes med multimetern Fluke 289 över re- spektive lindning. Värdet på identifieras därmed till 0,36 ohm. Med hjälp av detta värde kan fås enligt (23) till 293,32 V.
(23)
Förlusteffekten som förekommer i asynkronmotorn består av förlusterna i , och och ges av (24).
) (24)
kan räknas fram med hjälp av (4) till W. Värdet på kan därmed beräknas till ohm.
identifieras först och värdet från sambandet användes för att bestämma . ges av (25)
(25)
Sambandet mellan och kan läsas ur databladenligt (26):
(26)
Med hjälp av detta och (6) kan värdet på bestämmas till 2,93 ohm.
Asynkronmotors reaktiva effekt som fås av (21) förbrukas i och . Värdet av kan därmed beräknas till 21,18 ohm. Värdet på och därmed kan sedan bestämmas till 26,89 A och 0,37 ohm.
Momenten kan nu fås enligt (5). Figur 7 visar momentkur- van för motor1.
Figur7 – Momentkurva för motor 1
5.1.2Motor2
Motor 2 är en fyrpolig trefasig asynkronmotor från AEG med modellnummer AM132MR4. Vid identifiering av ekvivalenta parametrar används samma procedur som vid motor 1. Databladet till denna motor saknades och därför användes datablad från en liknande motor från märket Ma- rellliMotori med modellnummer MAN132MA4 med sam- ma nominella data vid identifiering av sambandet mellan
och .Information från märkplåten och identifierade ekvivalenta parametrar för både motor 1 och 2 redovisas i tabell 4.
Tabell4– Identifierade ekvivalenta parametrar för moror 1 och 2 Motor 1 Motor 2 [V] 303 303 [A] 34 11,6 0,8 0,8 [W] 24734 8439 [W] 22000 7500 0,8895 0,8888 0,035 0,033 [Nm] 217,7 49,39 [ohm] 0,36 1,475 [ohm] 376 2978 2 2,9 [ohm] 2,93 6,19 [ohm] 21,184 52,54 [A] 26,89 9,1 [ohm] 0,37 1,04
Figur 8 visar momentkurvan för motor 2.
Figur8 – Momentkurva för motor 2
5.2 Beräkningar på Scaniasbefintliga pumpar
5.2.1 Pump 1
Pump 1 är en hydraulisk vingpump från VICKERS AB med modellnummer 45V50A86A22R.
Enligt dokumentationen på Scania körs denna pump med
ett flöde på ( )vid rpm. Trycket
är 60 bar vilket motsvarar 600 m tryckhöjd.Pumpen inne- håller hydraulolja av typen HLP46 som enligt databladet har en densitet på . Värdet på hydrauliska effekten beräknas därefter enligt (7)till W.
Pumpens verkningsgrad fås nu av (8) till 0,64 där mekanis- ka effekten som kommer in i pumpen är W.
Information om skärningspunkten mellan momentkurvan för motorn och pumpen behövs för att kunna rita pumpens momentkurva. Vid märkvarvtal levererar motorn
Wmekanisk effekt och har Nm märkmo-
ment. Konstanten beräknas vid detta moment till enligt (15).
Pumpens momentkurva bestäms därefter enligt (27) (27)
Momentkurvan för pump 1 visas i figur (9).
5.2.2 Pump 2
Samma beräkningar används för att bestämma momentkur- van för pump 2. Information hämtad från dokumentationen och resultaten från beräkningarna på båda pumparna redo- visas i tabell 5.
Tabell 5 – Identifierade parametrar för pumpar i syste- men Pump1 Pump2 Flöde (m³/s) 0,0027 0,00063 Tryckhöjd (m) 600 750 Densitet (kg/m³) 880 880 Märkvarvtal (rpm) 965 1450 Hydraulisk effekt (W) 14 027 4113 Mekanisk effekt (W) 22 000 7500 Verkningsgrad 0,64 0,55 Märkmoment (Nm) 217,7 49,4 C
Momentkurvan för pump 2 visas i figur (10). 5.3 Byte av motorer
Byte av befintliga motorer i pumpsystemen mot energief- fektiva motorersom ger samma uteffekt kan leda till ener- gibesparingar. Verkningsgraden på motorerna har ändrats till verkningsgradgränserna som har angetts enligtIE2 och IE3 och möjliga besparingar har undersökts.
Motor 1 har en verkningsgrad på 88,9 % vid 22 kW meka- nisk effekt. Enligt tabell 1 och 2 ska sexpoliga motorer ha en verkningsgrad på 90,1 % och 92,2 % för att kunna upp- fylla IE2 respektive IE3.
Motor 2 har en verkningsgrad på 88,9 % vid 7,5 kW meka- nisk effekt. Enligt tabell 1 ska fyrpoliga motorer uppfylla en verkningsgrad på 88,7 % för att uppfylla IE2. Därmed uppfyller motor 2 kravet som EU har ansett för IE2. Där- emot når den integränsen på 90,4 %för IE3 motorer. 5.4 Byte av pumpar
5.4.1Byte av pumpar genom anpassning till nya miljö- direktivet
Pumparna som undersöktes är hydrauliska oljepumpar med nominell effekt 22 kW och 7,5 kW. Eftersom oljepumpar inte ingår i miljödirektivet för elektriska pumpar och effek- ten är större än EU:s definition för cirkulationspumpar kunde inte uppgifterna leda till några beräkningar.
EU:s miljödirektiv kan därmed inte appliceras på pumparna i detta projekt.
5.4.2 Byte till pumpar med högre verkningsgrad
Med inköp av en ny pump med högre verkningsgrad kan man göra en del besparingar i energibehovet. Pumparna valdes så att de levererar samma flöde och tryck men krä- ver mindre mekanisk effekt från motornvilket leder till ökad verkningsgrad.
Vid pumpbyte ändras lastmomentskurva och därför även motorns arbetspunkt samt dess verkningsgrad. Den nya momentkurvan används för att beräkna konstanter mellan moment och varvtal. Arbetspunkten (T, n)är skärnings- punkt mellanmomentkurvan för pumpen och motorn.Vid den nya arbetspunkten är motors spänningdensamma men strömmen har ändrats. Genom att tillämpa(4) och att ersätta den nya anpassade mekaniska effekten till märkeffekten, fås beloppet av . För enkelhet får gälla som fasreferens. Sedan kan spänningen som ligger över summan av och beräknas vilket enligt det ekvivalenta schemat motsvarar spänning över och spänning pga. parallellkoppling.
I nästa steg identifieras strömmen i och . Härmed
kan identifieras som summan av alla strömmar med avseende på fasvinklarna. Huvudspänning är summan av spänning över lindningsresistansen och enligt (29):
(29)
Alla fasvinklar fås i förhållande med .
För att få tag på dennya verkningsgradenberäknas motorns inmatade effekt ur(3).
Pump 1 byttes ut mot en ny Vingpump från PARKER AB med modellnummer T7E052.Genom att följa vissa instruk- tioner och analysering av pumpkurvor som finns i databla- det beräknades den nya pumpens inmatade effekt till
som enligt (8) leder till en verkningsgrad av
Nya pumpens momenthar beräknats till Nmenligt
(13) i den nya arbetspunkten vid varvtalet rpm och där konstanten motsvaras ett värde på
(15).
Med hjälp av (13) och (14) kan nya pumpens momentkurva fås enligt nedan (30):
(30)
Figur 9 – Momentkurva för system 1, den heldragna linjen visar motorns momentkurva, den punkterade linjen är befintliga pumpens momentkurva och den streckade linjen representerar nya pumpens moment-
Enligt ovanstående beskrivning beräknas till A
och får ett värde av V. Summan av strömmarna
genom och ger ett värde av A med fas-
vinkeln φ på 0,67. Med hjälp av denna information kan motorns elektriska effekt enligt (3) beräknas till
och den mekaniska effekten blir då
motorns verkningsgrad i den nya arbetspunkten fås till 0,896. Detta är högre än verkningsgraden vid märkeffekt. Figur 9 visar momentkurvan för motor 1, pump 1 och den nya pumpen som ersätts pump 1.
Pump 2 byttes ut mot en vingpump från PARKER AB med modellnummer T7BB08. Ny verkningsgrad på pump2 beräknas på samma sätt till .
Enligt (13) fås pumpens moment i den nya arbetspunkten
vid varvtalet till och affinitetskonstan-
ten enligt (15) har beräknats till .
Med hjälp av kan pumpens momentkurva fåsenligt
(31).
(31)
Vid den nya arbetspunkten beräknas till 7,33 A och får ett värde av 286,017 V. Summan av strömmarna ge- nom och ger att får ett värde på 9,91 A med fas- vinkeln - i förhållande till . Vinkel φ mellan och
beräknas till 0,7. Med avseende på detta kan motorns elektriska effekt i den nya arbetspunkten beräknas till
och dess mekaniska effekt blir .
Figur 10 visar momentkurva för motor 2, pump 2 och nya pumpen som ersätter pump 2.
Figur 10 – Momentkurva för system 2, den heldragna linjen visar motors momentkurva, den punkterade linjen är befintliga pumpens momentkurva och den streckade linjen representerar nya pumpens momentkurva.
5.5 Varvtalsreglering
Flödesreglering av pumparna kan vara en lönsam metod för att minska energiförluster i ett pumpsystem om pumpen har olika arbetspunkter. Utan varvtalsreglering av pumpen görs flödesreglering på olika sätt t.ex. genom att starta och stop- pa pumpen eller med hjälp av en reglerventil. Detta förbru- kar mer energi än om motorn kan köra pumpen vid önskad arbetspunkt [14].
Hydraulaggregat som studeras på Scania försörjer olja till bytet av komponenter som tillverkas i en bearbetningsma- skin. Hydraultiden, vilken anses som nyttiga tiden för sy-
stemet,är s och bearbetningstiden är s. Ge-
nom att stänga av och på pumpen under bearbetningstiden kan man sparaen betydande mängd energi. Med varvtalsre- glering kan problemet med att stänga av och på systemet lösas. Men det förutsätter att bearbetningsprocessen inte har någon nytta för hydraultrycket.
Enligt muntliga uppgifter från DynaMate måste hydraul- trycket upprätthållas under hela cykeltiden och därför är avstängning av pumpen under bearbetningstiden omöjligt. Den lilla variationen av arbetspunkten under körcykel var för komplicerad för att hinna med vidare undersökning.
6 RESULTAT
6.1 Energibesparingar
Resultatet avelbesparingar som görs genom motorbyte, pumpbyte och byte av både motor och pumpen i systemet redovisas i detta avsnitt.
I Södertälje används fasta internpriser för strömmen för alla hyresgäster. Internpriser är baserat på ett antal faktorer såsom exempelvis volym, kostnader från aktuell leverantör, kapitalkostnader och underhållskostnader. Internpriset för Scania under 2011 ligger på 780 kr/MWh.
Undersökta systemet i byggnaden har en driftstid på 344 dagar per år som motsvarar 8256 timmar per år.
Elkostnader för ett system per år ges av (32) där elförbruk- ningen är den elektriska effekten som systemet förbrukar per timme och anges i kr.
(32)
Det finns fyra pumpsystem med 22 kW och fem pumpsy- stem med 7,5 kW nominell effekt i byggnaden.
Tabell 6 och 7 visar elkostnader för pumpsystemen före och efter systemändringar.
Tabell 6 – Elkostnader för system 1 före och efter sy- stemändringar Verknings- grad på mo - tor ( % ) Motor k lass
Mekanisk effekt (kW) Elförbruk
-
ning per
timme (kW) Elkostnader för ett sy- stem per år
(kr
)
Totala el- kostnader Per år
(k r) Befintli- ga system 88,9 - 22 24,7 159277 637108 90,9 I E 2 22 24,2 155856 623423 Byte av motor 92,2 I E 3 22 23,86 153 658 614633 Byte av pump 89,6 - 18,5 20,65 133000 531999 90,9 I E 2 18,5 20,35 131061 524424 Byte av hela syste- met 92,2 I E 3 18,5 20,06 129213 516851
Tabell 7 – Elkostnader för system 2 före och efter sy- stemändringar
Motor
k
lass
Mekanisk effekt (kW) Elförbruk
-
ning per
timme (kW) Elkostnader för ett sy- stem per år
(kr
)
Totala el- kostnader Per år
(k r) Befintli- ga system 88,9 I E 2 7,5 8,444 54342 271708 Byte av motor 90,4 I E 3 7,5 8,296 53427 268133 Byte av pump 89,9 I E 2 6,1 6,78 43689 218444 Byte av hela syste- met 90,4 I E 3 6,1 6,75 43454 217268
6.1.1Besparingar genom byteavmotorer
Genom att byta motor 1 mot en motor som uppfyller IE2 gränsen sparar man 3421 kr i elkostnader per år för varje system. 5619 kr sparas in om man byter samma motor mot en som uppfyller IE3. Motor 2 uppfyller redan IE2 direkti- vet.Besparing av elkostnader genom byte till en IE3 motor liggerpå endast 915 kr perår.
6.1.2Besparingar genom byte av pumpar
Genom att byta pump 1 till en effektivare pump kan man spara så mycket som 26 278 kr ielkostnader per år. Bespa- ringarna ligger på 10 653 kr per år för pump 2.
6.1.3 Besparingar genom byte av system
Genom att byta både pumpen och motor kan ytterligare besparingar göras. Byte av pumpen ändrar motors arbets- punkt och därmed verkningsgraden. För att approximativt beräkna kostnaderna utgicks dock ifrån att motorn jobbar vid en arbetspunkt där den har verkningsgraden enligt EU direktivet. Exakta verkningsgraden på motorn kommer att avvika något men dessa beräkningar anses vara tillräckligt noggranna för att få en bra uppskattning av elförbrukning- en.
Byte av pump 1 och motor 1 till IE2 motor leder till 28 216 kr i elbesparingar. 30 065 kr sparas på elkostnader genom byte av pump 1 och motor 1 till en motor enligt IE3. Byte av pump 2 och motor 2 till IE3 motor leder till 10 888 kr i besparingar per år.
Figur 11 och 12 visar totala elbesparingar som görs i bygg- naden för system av typ 1 respektive 2.
Figur 11 –Totala elbesparingar i kr per år för pumpsy- stem typ 1 i byggnaden. (Fyra pumpsystem med 22 kW)
Figur 12 – Totala elbesparingar i kr per år för system typ 2 i byggnaden. (Fem pumpsystem med 7,5 kW)
7 SLUTSATSER
Projektets övergripande syfte har uppnåtts genomen analys av möjliga elbesparingar i pumpsystem med hjälp av mo- torbyte, pumpbyte och systembyte.
Elmotorer har 20 – 30 % potential för förbättring av effek- tivitetenligt EU. Energiförbrukningen av motorer med 22 kW nominell effekt minskas med 2,02 % genom byte till motorer som klarar IE2. Genom byte till IE3 motorer mins- kas energiförbrukningen med 3,4 % för motorer med 22 kW nominell effekt och 1,75 % för motorer med 7,5 kW nominell effekt. Det kan konstateras att motorbyte enligt EU:s miljödirektiv inte kan leda till 20 - 30 % förbättring av energiförbrukning i de undersökta pumpsystemen. Genom pumpbyte kan energiförbrukning minskas upptill 16,4 % för system med 22 kW effekt och 19,71 % för sy- stem med 7,5 kW effekt.
Energibesparingar som görs med hjälp av motorbyte beror endast på den nya motorns högre verkningsgrad. Pumpen har en mycket lägre verkningsgrad än asynkronmotorn. Stora förbättringar kan därför införas på pumpdelen. Detta beror på att pumpen kräver mindre mekanisk effekt från motorn. Detta leder till att motorn arbetar i en annan ar- betspunkt där den förbrukar mindre elektrisk effekt. Motorn jobbar dessutom med högre verkningsgrad.
Priser på asynkronmotorer ligger dessutom betydligt högre än hydrauliska oljepumpar. Byte av pumpar kan därför anses som bästa metoden att öka systemets prestanda och göra ekonomiska besparingar.
Varvtalsreglering är en annan möjlig metod för att öka systemets prestanda som inte kunde studeras i detta projekt. Det skulle ha krävt mera kunskaper inom hydraulik och pumparnas arbetssätt som inte ingick i ramen för detta examensarbete.
Genom att ta reda på priser på asynkronmotorer och pum- par på marknaden och göra jämförelse med elkostnader kan man utföra mera specifika analyser av ekonomiska bespa- ringar. Detta är ett område som kan studeras vidare i detta projekt.
8 REFERENSLISTA
[1] Projektbeskrivning, ”Miljövänligare system med elma- skiner”, EJ111X, 2011, KTH.
[2]H. Hollander, H. Sivard, Kandidatexamensrapport, KTH, 2010, IR-EE-EME 2010:12,”Miljövänligare system med elmaskiner”
”https://eeweb01.ee.kth.se/upload/publications/reports/201
0/IR-EE-EME_2010_019.pdf”, 110510
[3]Induction motor
“http://en.wikipedia.org/wiki/Induction_motor”, 110510
[4]Fredrik Gustavson, Elektriska maskiner, Stockholm 1996.
[5]Stefan Östlund, Electrical Machines and Drives,Kompendium EJ2200, US-AB, 01-2008.
[11] IE Klasser [6] Vane pump ”http://www.elektror.de/fileadmin/user_upload/IE2- IE3/ENG_Infoflyer_IE2-IE3_incl_2D_and_SD.pdf”, 110510 “http://www.directindustry.com/prod/veljan-hydrair/single- vane-pumps-14735-38675.html“, 110510 [7] Pumphandboken, Kapitel 3
[12] Ekodesign förordning för cirkulationspumpar
”http://www.pumpportalen.se/pumphandboken/3/”, 110510 ”http://www.energimyndigheten.se/Global/Ekodesign/Pupa r/AntagenEkodesignförordning_Cirkulationspumpar_09072 3_EN.pdf”, 110510 [8] Affinity laws “http://en.wikipedia.org/wiki/Affinity_laws “, 110510
[9] Välj en högeffektiv motor [13] Förslag till produktkrav för pumpar
“http://webbshop.cm.se/System/ViewResource.aspx?p=Ene rgimyndighe- ten&rl=default:/Resources/Permanent/Static/8fa8729a8d12 4e51b9d03844a3de10cd/ET2010_20.pdf”, 110510 ”http://www.energimyndigheten.se/Global/Ekodesign/Pum ps_WD_05_Updated.pdf”, 110510 [14] Pumphandboken, Kapitel 8 “http://www.pumpportalen.se/pumphandboken/8/”, 110510
[10] Ekodesign förordning för elmotorer
“http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ