Invloed van een frequentie sturing op de aangerekende energie. Actief en reactief vermogen.

pamwikkeling

Special Member

Eigenlijk een theoretische vraag, maar voorlopig heb ik niet de tijd om het zelf uit te zoeken of het experimenteel te proberen.
Wellicht is hier voldoende know-how aanwezig om mijn probleem, te duiden.

Het gaat om een driefazige asynchroon motor die gevoed wordt vanuit een frequentie omvormer (FO).
Het probleem draait om de energie kostprijs voor het geheel, dus motor en FO, te laten functioneren.

Zoals bekend, heeft een motor zowel actieve energie als reactieve energie nodig om te functioneren.
De actieve energie heb je grosso modo nodig om de mechanische arbeid te kunnen leveren (koppel x hoekverplaatsing).
De reactieve energie heb je nodig om het magneetveld in de motor op te bouwen (integraal L x i di).
Dat magneetveld geeft je de mogelijkheid om energie van de stilstaande stator over te brengen op de bewegende rotor.

Op het kenplaatje van een motor staat een cos fi vermeld. Dit is de cosinus van de hoek tussen het actief en reactief vermogen dat in de motor verbruikt wordt. De vermelde cos fi is geldig voor een motor die nominaal belast wordt.
Als een motor niet nominaal belast wordt, dus minder vermogen moet leveren dan waarvoor de motor ontworpen werd, dan daalt het opgenomen actief vermogen, terwijl het opgenomen reactief vermogen ongewijzigd blijft, met als gevolg dat de cos fi lager (= slechter) wordt.
Zelfs als de motor onbelast draait, moet er nog steeds een magneetveld opgebouwd worden in de motor en blijft de reactieve stroom lopen. In dit geval wordt de cos fi zeer laag.
Praktijkwaardes gaan van cos fi = 0.20 (onbelast) tot 0.95 (100% belast)

Een energieleverancier heeft niet graag dat zijn klanten een lage cos fi hebben. Hij levert vermogen (S) dat vectorieel samengesteld is uit een reactief deel (Q) en een actief deel (P). Maar enkel het actieve deel wordt gebruikt door de klanten. Het reactieve deel vloeit gewoon over het net heen en weer.
Dit reactieve deel verplicht de energieleverancier er wel toe om voedingskabels en transformatoren groot genoeg te kiezen.
Door die kabels loopt immers de totale stroom (I = S / sqrt(3) x U), terwijl enkel de actieve stroom (I = cos fi x S / sqrt(3) x U) gebruikt en betaald wordt.
Om de economische schade te beperken gaat de energieleverancier aan gebruikers met een lage cos fi een boete aanrekenen.
Hierbij wordt gebruik gemaakt van twee afzonderlijk tellers, één voor actief vermogen en één voor reactief vermogen.

Als gebruiker kan je dit voorkomen door je reactief vermogen zelf op te wekken met behulp van condensatoren (ook wel een cos fi batterij genoemd) of door een synchrone motor aan het net te schakelen.
Kleine gebruikers en huishoudelijke afnemers moeten die boete echter niet betalen. Zij hebben geen twee afzonderlijke tellers. Ze betalen enkel het actief vermogen.

Tot hier het verhaal van de motor en de energieleverancier.
Nu het verhaal van de FO

Een FO heeft aan de ingang een bruggelijkrichter die de inkomend wisselspanning omzet in gelijkspanning en hiermee een energie buffer vult (= tussenkring condensator). De diodes in de bruggelijkrichter kunnen maar geleiden als de inkomende spanning hoger is dan de spanning op de tussenkring condensator.
Er kan dus geen stroom lopen als de ogenblikkelijke inkomende spanning lager zou zijn dan de spanning over de condensator. Of spanning en stroom “vectoren” door de diodes wijzen steeds in dezelfde richting, met andere woorden spanning en stroom zijn in faze en bij uitbreiding kan er dus alleen maar actief vermogen door de gelijkrichter lopen. Dus al de energie die een frequentie sturing opneemt is actief vermogen en wordt aangerekend door de energieleverancier.

Zelfs al wordt een motor gevoed vanuit een FO, dan heeft die motor nog steeds een magneetveld nodig en dus ook reactief vermogen.
Dit reactie vermogen komt uit de tussenkring condensator van de FO. Het reactief vermogen vloeit heen en weer tussen de motor en de tussenkring condensator.
Het probleem is echter dat motor en frequentie sturing geen rendement van 100% hebben. Waardoor het reactief vermogen geleidelijk aan omgezet wordt in warmte.
De reactieve stroom moet ook door de koperdraden van de motor en zal daar ook warmte (= verlies) veroorzaken, de IGBT's van de FO moeten de totale (actief + reactief) stroom schakelen.
De FO vangt dit op door de spanning op de tussenkring constant te houden, of de bruggelijkrichter komt eventjes in geleiding en stopt wat extra energie in de tussenkring.

Nu het eigenlijke probleem.
Het bijvullen van de tussenkring om het reactief vermogen te kunnen blijven leveren gebeurt door de gelijkrichter en veroorzaakt actief vermogen.
Dit actief vermogen moet ik betalen aan de energieleverancier.
Zonder FO zou dit reactief vermogen niet omgezet worden in actief vermogen en moet ik daar als kleine gebruiker niet voor betalen.

De vraag is nu of ik door het gebruik van een FO economisch bestraft wordt.
- Zonder FO : niet betalen voor het reactieve vermogen.
- Met FO : wel betalen voor het reactief vermogen dat omgezet wordt in actief vermogen.

Of moet ik bij de keuze van een motor rekening houden met
1) een motor die maar net zoveel vermogen kan leveren als mijn belasting nodig heeft. Om alzo steeds aan vollast te kunnen draaien en een zo hoog mogelijke cos fi te hebben. (= minder reactief vermogen nodig)
2) tussen motoren met gelijk vermogen, de motor kiezen met de hoogste cos fi. (= minder reactief vermogen nodig)
3) steeds motoren kiezen met het hoogste rendement IE3 (= minder reactief vermogen dat verloren gaat)

Heeft iemand al een combinatie frequentiesturing/motor aangesloten op een energiemonitor en het opgenomen vermogen gemeten bij nullast en wordt dit gemeten als actief vermogen ?

je stelt het veel te scherp.

dat reactief vermogen wordt niet in één cyclus omgezet in warmte, maar gaat heen en weer met wat verliezen. Uiteindelijk is het rendement van de FO geen 100%, en dat om vele, ook andere redenen.

dus, ja je betaalt iets meer aan vermogen dan dat er actief omgezet wordt in de motoras. Maar dat nadeel weegt niet op tegen de voordelen. Een andere, historische oplossing, bvb reductiekast of variomatic heeft ook zijn verliezen...

Ik denk dat je het te diep zoekt. De teller registreert inderdaad alleen actieve energie. Hoe die energie tot stand komt zal de leverancier een zorg zijn.
Daarbij vraag ik me af of je echt slechter af bent met een FO. Er is aan de netzijde minder reactieve energie, dus een lagere stroom waardoor je zekeringen ook minder worden belast.

pamwikkeling

Special Member

Het achterliggend probleem is een afzuig ventilator (40 kW) met frequentiesturing.
Overdag draait men aan 50Hz (twee productielijnen) en ’s nachts aan 30Hz (één productielijn).

Dan gaat de frequentie sturing defect, maar om verder te kunnen produceren, wordt de sturing overbrugt en draait men dag en nacht aan 50Hz. De directie twijfelt of men de frequentiesturing gaat vervangen en blijft verder draaien aan 50Hz.
De volgende maand krijgt men een boete aangerekend van de energieleverancier omwille van een te veel reactief verbruik.

Na montage van een nieuwe frequentie sturing is het reactie verbruik terug normaal.
Hieruit blijkt duidelijk dat de frequentiesturing alleen actief vermogen uit het net opneemt.

Maar de vraag blijft hoeveel actief vermogen neemt de motor en sturing nu op ?

Stel dat de 40 kW motor een cos fi heeft van 0.85 en stel het rendement van de motor voor de eenvoud gelijk aan 100%.
Een vermogen van 40 kW met een cos fi van 0.85 komt overeen met een schijnbaar vermogen van 40/0.85 = 47.06 kVA

Deze 47kVA wordt door de frequentie sturing geleverd. Indien die 47kVA geheel als actief vermogen uit het net opgenomen wordt, is dit een daling (15%) van het rendement van de installatie.
Het verschil tussen 40kW en 47KVA omgezet in 47kW gaat men op de elektriciteitsfactuur niet kunnen terug vinden, daarvoor is de fabriek veel te groot.
Op de frequentie sturing staan twee ventilatoren om deze af te koelen. Dus ergens wordt er warmte gemaakt en bij uitbreiding actief vermogen verbruikt. Uiteraard gaat de sturing de 7 KW niet als warmte produceren, maar de vraag is of de 7 kW door de gelijkrichter gaat en als actief vermogen opgenomen wordt.

Anderzijds kan men in de software van de frequentie sturing een parameter instellen om de magnetisatie stroom van de motor te verlagen. Volgens de handleiding zou men bij ventilatoren hiermee energie kunnen besparen.

Spreken we hier over eenzelfde fenomeen ?

Bij lagere frequentie draait de ventilator trager en daalt het benodigde vermogen met de derde macht van het toerental.
Het is logisch dat de cos fi dan ook lager wordt, waardoor het rendement nogmaals verslechterd.

Je schrijft ergens dat de afvlakcondensatoren van de FO het blindvermogen levert, dus die condensatoren hebben dezelfde functie als de condensatoren van een cosφ-verbeteraar van een aangesloten driefasemotor op een gewoon net. Ook in een gewoon net loopt een blindstroom tussen de cosφ-condensatoren en de motor. Die warmt ook de tussenliggende bedrading onnodig op. De verliezen door blindstroom zijn in een FO hoger dan in een gewoon net, want de blindstroom loopt in een FO door schakelende halfgeleiders.
Eigenlijk zou je het gewoon moeten meten (in euro's). Wat kost een ventilator met FO aan energie en wat kost een ventilator zonder FO aan energie?

Bezoek mijn neefjes' site: www.tinuselectronics.nl

Op 23 januari 2022 23:18:44 schreef pamwikkeling:
de vraag is of de 7 kW door de gelijkrichter gaat en als actief vermogen opgenomen wordt.[/color]

nee. simpel geschreven: de FO maakt een sinus in brokjes, door PWM, wat als reactief zou terug komen bij 50Hz klassieke aansluiting wordt hier door diodes afgevangen en blijft actief, voor de motor. buiten de verliezen door schakelen en diodeval gaat er dus niks verloren. althans bij de FO die ik gebruik. Dat een 40kW invertor sowieso wat koeling vraagt door de schakelverliezen en dies meer lijkt me logisch.

Indien anders zouden de verliezen bij lagere belasting toenemen.

Zonder twijfel is een FO de beste besparing die je kunt doen als je niet constant 100% vermogen nodig hebt.

Toen ik nog werkte werden stelselmatig alle zware luchttransporten voorzien van frequentieregelingen enkel en alleen voor besparingen.

Luchttransporten werden uitgerekend en meestal zwaarder dan eigenlijk nodig maar als je 100 m buizen moet leggen en dan tot de constatatie komt dat ze te licht is kost dat veel meer geld.

Vroeger keek men daar niet naar tot de energieprijzen stegen en vooral om de piekstromen wat te beperken en het ging om veel geld in ons geval.
Dit laatste zijn ze nu ook in BE van plan met hun capaciteitstarief voor de gewone huishoudens.

Je kunt zelf de rekening maken, cosphi buiten beschouwing gelaten want om die binnen de perken te houden kost dat ook geld.

NB. Dan zijn de slijtagekosten nog niet bijgeteld..en wie zegt dat je overdag 100% zuigcapaciteit nodig hebt om goed te werken?

LDmicro user.
GJ_

Moderator

Ik begrijp dat er al een regelaar zat. Bij de meeste regelaars kun je natuurlijk gewoon online meekijken wat het aktieve en het reactieve deel zijn, dat is het gemakkelijkste.

Een 40kW drive kost ook niet de hoofdprijs, en als je 's nachts op 30Hz draait is dat toch al snel terugverdiend denk ik.
Voor een sjiek de friemel drive betaal je rond de 6.000 euro en een beetje afhankelijk van de energieprijs is de terugverdientijd ergens in de ordegrootte van één tot enkele jaren, alleen op energiebesparing voor de fan.