FI115322B - Energianmittaus taajuusmuuttajalla - Google Patents

Description

115322

ENERGIANMITTAUS TAAJUUSMUUTTAJALLA

Keksinnön kohteena on menetelmä ja järjestelmä energian mittaamiseksi taajuusmuuttajan tai vastaavan puolijohdekytkimillä varustetun portaat-5 toman pyörimisnopeuden säätölaitteen sisältävässä vaihtosähkö-moottorikäytössä.

Pyörimisnopeussäätöisellä sähkökäytöllä voidaan tunnetusti säästää huomattavasti energiaa verrattuna perinteiseen vakionopeuksiseen mootto-rikäyttöön, jossa prosessin säätötarve toteutetaan kuristamalla venttiilin avulla 10 tai käyttämällä On/Off -periaatetta. Tällaisia prosesseja ovat esimerkiksi pin-nankorkeuden tai paineen säätö.

Energiasäästöjen suuruus voidaan tunnetusti arvioida joko: 1. Katsomalla jälkikäteen sähkölaskusta kuinka paljon pienempi energiankulutus on ollut (ΔΕ) pyörimisnopeussäädön asentamisen jälkeen (T1) 15 verrattuna aikaisempaan historiatietoon (kuvio 1).

2. Laskennollisesti arvioimalla prosessitietojen pohjalta tehontarve ennen ja jälkeen pyörimisnopeussäädön asentamisen, ottamalla huomioon moottorin ja taajuusmuuttajan häviötehot ja laskemalla näin saaduista kulutus-lukemista sähkölaskun suuruus.

20 Usein saman energiamittarin takana on muitakin kulutuskohteita, ulkoiset tekijät kuten kuormitusolosuhteet eivät välttämättä pysy samanlaisina ;: yms., joten näin tehtynä energiansäästöarvio voi olla hyvin epätarkka.

Useissa taajuusmuuttajissa on sisäänrakennettuna tehonmittaus, :v. joka kertoo moottorille syötetyn tehon ja tältä pohjalta myös kumuloituneen ' 25 energiankulutuksen. Mittaus perustuu normaalisti kuvion 2 mukaisesti moottori- virran (Im) ja välipiirijännitteen (Udc) mittaukseen. Näiden signaalien perus- * · · teella taajuusmuuttajan ohjausyksikkö voi laskea lähtöjännitteen (Um) sekä jän- • * ’···’ niiteen ja virran välisen vaihesiirtokulman (cpm) suuruuden, joiden pohjalta on laskettavissa moottorille syötetty teho i V 30 : : Pm = -JlxUm xImxcos(pm (1) t t * ♦ I · , ’ · ·, ja edelleen energiankulutus tehon aikaintegraalina t | • i i V : 35 Em - ^Pmxdt (2) , 115322

Sensijaan verkosta otettua tehoa ja energiaa, josta asiakas varsinaisesti maksaa sähköyhtiölle, eivät tunnetut taajuusmuuttajat mittaa.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan taajuusmuuttajalla tai vastaavalla toteutettava moottorikäyttö, jossa mitataan myös kyseisen säh-5 kökäytön verkosta ottama teho ja energia. Tämä saavutetaan varustamalla taajuusmuuttaja sisäänrakennetulla syöttöverkosta otetun tehon ja energian mittauksella. Näin saadaan säädetyllä sähkökäytöllä saavutettu hyöty mitatuksi suoraan ilman ulkoisten epävarmuustekijöiden aiheuttamaa virhettä. Kun taajuus-muuttajassa on lisäksi mahdollisuus tehdä esim. sovelluskohtaisen ohjelman io avulla tiedon tallennus- ja käsittelytoimenpiteitä, voidaan hetkellinen ja kumuloitunut säästö näyttää esim. taajuusmuuttajan näyttöpaneelilla sekä energialu-kemana että rahana, kun energian hinta on tiedossa.

Mittaus näyttää ainakin: - verkosta otetun tehon hetkellisarvon 15 - verkosta otetun energian kulutuksen annetusta ajanhetkestä lähtien - energiansäästön annettuun referenssiin (suora säätämätön moottorikäyttö) verrattuna.

Keksinnön mukaista taajuusmuuttajan tai vastaavan pyörimisnopeuden säätölaitteen sisään rakennettua energiamittaria voidaan hyödyntää 20 useissa uusissa sähkökäyttö-ja liiketoimintakonsepteissa.

Yksityiskohtaisesti keksinnön m ukaiselle menetelmälle ja sen mu-kaiselle järjestelmälle tunnusomaiset piirteet on esitetty oheisissa patentti- t vaatimuksissa.

• ·' ·. Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin • · * 25 avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa ., / Kuvio 1 esittää energiankulutusta ajan funktiona pyörimisnopeus- * I · ·/;' säädön jälkeen verrattuna aikaisempaan historiatietoon, * · '·** Kuvio 2 esittää tunnetun tekniikan mukaista taajuusmuuttajan te- honmittausta, ja

» · I

i V 30 Kuvio 3 esittää keksinnön mukaista energianmittausta.

Kuvio 2 esittää kolmivaiheista tunnetun tekniikan mukaista jännite-. ’; -. ohjattua PWM-taajuusmuuttajaa, jossa on verkkosilta (tasasuuntaaja) 10 syöttö- > I · /..t verkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen, jossa on vaihejännitteet UR, Us, Ut, ta- sasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasajännitteeksi UDc sekä kuormasilta v : 35 (invertteri) 11 tasajännitevälipiirin tasajännitteen vaihtosuuntaamiseksi taajuu- deltaan vaihtelevaksi kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi, jonka vaihejännitteet ovat Uu, Uv, Uw- Taajuusmuuttaja voi syöttää esimerkiksi kolmivaiheista oi- 3 115322 kosulkumoottoria. Kuormasilta 11 on kokoaaltosilta, jossa ohjausyksikkö 13 ohjaa pulssileveysmodulaatiolia kunkin vaiheen vaihekytkimiä. Verkkosilta 10 voi olla esimerkiksi kuvion mukainen ohjaamaton kokoaaltosilta. Tunnetun tekniikan mukaisesti tasajännitevälipiirissä on kondensaattori Cdc tasajännitteen suodat-5 tamiseksi, ja syöttöliitännöissä kuristin Lac verkkovirran suodattamiseksi. Taajuusmuuttajaa ohjataan ohjausyksiköllä CONTROL1.

Kuvion 2 taajuusmuuttajassa on edellä kuvatun mukaisesti sisäänrakennettuna välineet ulostulovirran ja välipiirijännitteen mittaamiseksi, joiden mittaamien tulosten perusteella voidaan määrittää moottorille syötetty teho ja 10 tältä pohjalta myös kumuloitunut energiankulutus yhtälöiden (1) ja (2) avulla. Ulostulovirta Im voidaan mitata esimerkiksi kuvion mukaisesti virtamuuntajilla IU, IV ja IW, ja välipiirijännite Udc ohjausyksikössä CONTROL1 sijaitsevilla mit-tauspiireillä.

Kuviossa 3 esitetyssä esimerkissä keksinnön mukaisesta ratkaisus-15 ta taajuusmuuttajassa on lisäksi sisäänrakennettu välineet syöttö-verkon jännitteen Uv ja syöttö verkosta otetun virran lv mittaamiseksi, joiden perusteella voidaan määrittää syöttöverkosta otettu teho ja edelleen energiankulutus yhtälön (3) avulla. Syöttöverkon virta lv voidaan mitata e simerkiksi kuvion mukaisesti virtamuuntajilla IR, IS ja IT ja verkkojännite ohjausyksikössä sijaitsevilla mitta-20 uspiireillä. Tehon Pv voi suoraan laskea kaavan 3 mukaisesti, missä φν on verkkojännitteen ja -virran välinen vaihesiirtokulma.

• I I

Pv = ·\/3χUv x lv x cos φν (3) • · ‘ 25 Syöttötehon mittaus voidaan toteuttaa myös mitatun moottoritehon • · perusteella suorittamalla eri kuormituksilla kalibrointimittaussarja, jossa mita-taan ulkoisilla mittareilla mitatun verkosta otetun tehon Pv ja taajuusmuuttajan ·>·' näyttämän moottoritehon Pm suhde k, joka sitten ohjelmoidaan korjauskertoi- meksi taajuusmuuttajan sovellusohjelmamuistiin. Näin taajuusmuuttaja voi re-: V 30 aaliaikaisesti laskea verkosta otetun tehon Pv hetkellisarvon ja sitä kautta myös ;,t,· verkosta otetun energian kumuloituneen arvon.

• · · ,···, Pv = kxPm (4) * · v : 35 Taajuusmuuttajan ohjausyksikössä tehdään lisäksi esim. sovellus- kohtaisen ohjelman avulla tiedon tallennus- ja käsittelytoimenpiteitä. Näin voidaan hetkellinen ja kumuloitunut säästö näyttää esim. taajuusmuuttajan ohjaus- 4 115322 yksikön näyttöpaneelilla PANEL1 sekä energiaiukemana että rahana, kun energian hinta on tiedossa.

Esimerkiksi pumppausprosessissa, jossa tuottoa perinteisesti säädetään kuristusventtiilillä voidaan menetellä seuraavasti: 5 1. Mitataan suoralla verkkosyötöllä varustetun moottorin verkosta ot tama teho prosessin eri tuottopisteissä silloin kun tuottoa säädetään kuristusventtiilillä. Mittaus voidaan suorittaa joko erillisellä tehomit-tarilla tai keksinnön mukaisella taajuusmuuttajalla silloin kun lähtö-taajuus on asetettu samaksi kuin syöttöverkon taajuus (50 tai 60 10 Hz).

2. Poistetaan kuristusventtiili tai asetetaan se täysin auki, ja mitataan tehonkulutus samoissa tuottopisteissä moottorin toimiessa pyörimis-nopeussäätöisenä.

3. Mittauksen 1. kulutuslukema asetetaan referenssiksi, johon taajuus- 15 muuttaja vertaa prosessin aikana jatkuvasti sisäisen mittauksensa antamia lukemia ja laskee erotuksen perusteella kumuloituneen energiansäästön. Lukeman perusteella taajuusmuuttaja voi laskea säästöt suoraan myös rahassa.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät 20 rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (8)

1. Menetelmä energian mittaamiseksi taajuusmuuttajan (10, 11) tai vastaavan portaattoman, puolijohdekytkimillä varustetun pyörimisnopeuden säätö- 5 laitteen sisältävässä vaihtosähkömoottorikäytössä, tunnettu siitä, että säätölaitteessa määritetään sähkökäytön verkosta ottama teho, ja sähkökäytön verkosta ottaman tehon perusteella määritetään syöttö-verkosta otettu energia, erityisesti kumuloitunut energiankulutus määrätyn het- 10 ken jälkeen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syöttöverkosta otettu teho määritetään mittaamalla säätölaitteen sisääntulovirta (lv) ja -jännite (Uv).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 15 tunnettu siitä, että syöttöverkosta otettu teho määritetään mitatun kuor- matehon perusteella suorittamalla eri kuormituksilla kalibrointimittaussarja, jossa mitataan ulkoisilla mittareilla mitatun verkosta otetun tehon (Pv) ja säätölaitteen näyttämän kuormatehon (Pm) suhde (k), joka määritetään korjauskertoi-meksi, jolloin syöttöverkosta otettu teho on 20 Pv = kx Pm (4) » * ·

4. Jokin patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että energiamittaus määrittää kulutuseron verrattuna refe-[ti\ 25 renssitilanteeseen, esimerkiksi tilanteeseen, jossa sähkömoottorin pyörimis-, nopeutta ei säädetä.

5. Jokin patenttivaatimuksen 1 - 3 mukainen menetelmä, '···* tunnettu siitä, että energiasäästöjen mittaamiseksi moottorikäyttöä aje taan aluksi taajuusmuuttajasyöttöisenä vakionopeudella referenssikulutuksen i 30 mittaamiseksi, ja sen jälkeen moottorikäyttöä käytetään pyörimisnopeussäädettynä jolloin sen sisäinen energiamittauas laskee suoraan kulutuseron vakionopeussäätöön ,··>. verrattuna.

5 115322

6. Järjestelmä energian mittaamiseksi taajuusmuuttajan (10, 11) tai vas- v : 35 taavan portaattoman, puolijohdekytkimillä ja ohjausyksiköllä (CONTROL1) va- : rustetun pyörimisnopeuden säätölaitteen sisältävässä vaihtosähkömoottori käytössä, 115322 tunnettu siitä, että ohjausyksikkö mittaa sähkökäytön verkosta ottaman tehon, ja ohjausyksikkö määrittää sähkökäytön verkosta ottaman tehon perusteella syöttöverkosta otetun energian, erityisesti kumuloituneen energiankulutuksen 5 määrätyn hetken jälkeen.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmässä on säätölaitteen sisääntuloon sovitetut virran- ja jännitteenmittauselimet (IR, IS, IT), joilla syöttöverkosta otettu teho määritetään mittaamalla säätölaitteen sisääntulovirta (lv) ja -jännite (Uv).

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen järjestelmä, jossa on moottorikäytön ottaman kuormatehon mittaamiseksi ulostulovirran ja - jännitteen mittauselimet (IU, IV, IW), tunnettu siitä, että ohjausyksikkö (CONTROL1) määrittää syöttöverkosta otetun tehon eri kuormituksilla suoritetun kalibrointimittaussarjan perusteella, 15 jossa mittaussarjassa mitataan ulkoisilla mittareilla mitatun verkosta otetun tehon (Pv) ja säätölaitteen näyttämän kuormatehon (Pm) suhde (k), joka määritetään korjauskertoimeksi, jolloin syöttöverkosta otettu teho on Pv = kx Pm (4) « • 1 i # • 1 * | • » • · I 115322