Frequentie Regelaar, toepassen of niet? Richinell D. Scoop. Franc L. Chiquito. Gilbert J. Semeleer

Transcriptie

1 Frequentie Regelaar, toepassen of niet? Richinell D. Scoop Franc L. Chiquito Gilbert J. Semeleer

2 Kaart omslag: Harbour Map & Navigational Chart Bron: II

3 Frequentie Regelaars Uitgevoerd door: Richinell Scoop Franc Chiquito Gilbert Semeleer West -Terschelling 21 februari 2014 Opdrachtgever: Maritiem Instituut Willem Barentsz Terschelling Begeleider: A.J.J. Joosten III

4 Voorwoord De opleiding aan het Maritiem Instituut Willem Barentsz op Terschelling bevat in het derde leerjaar van de opleiding een Module MARE (Maritime Research). In deze module wordt van de student verwacht een onderzoek uit te voeren naar aanleiding van een probleemstelling binnen de scheepvaart wat zich op duurzaamheid gericht is. Met dit onderzoek hopen wij als onderzoekers aan deze module te voldoen. De in de verleden opgedane ervaring aan boord van hun stage schip, leerde de onderzoekers dat er een keuze gemaakt werd tussen het draaien van een zeekoelwaterpomp elektromotor met een frequentieregelaar en een andere zeekoelwaterpomp zonder een frequentieregelaar. De beslissing werd gemaakt door de destijds aanwezige HWTK (Hoofd Werktuigkundige) om niet met de frequentie regelbare elektromotor te werk gaan. Bij navraag bleek dat er geen duidelijk overzicht is van welke factoren een rol spelen bij het besluitvorming om met de frequentie geregelde elektromotor aan de gang te gaan. Na enig tijd bij onderzoek aanboord van hoe met die frequentie geregelde elektromotor aan de slag moest werd er dan wel besloten om die zeekoelwaterpomp in werk te schakelen. De wens van de onderzoekers is dan ook dat de onderzoekresultaten een bijdrage kunnen leveren bij de totstandkoming van de keuze tussen wel een frequentie geregelde elektromotor te gebruiken of verder door te gaan met een niet frequentie geregelde elektromotor. Via deze weg willen wij ook alle betrokkenen hartelijk danken voor de bijdrage aan dit onderzoek. Zonder hun inzet en medewerking zouden de onderzoekresultaten niet tot stand gekomen. Daarnaast willen wij de heer A.J.J. Joosten, onderzoeksbegeleider en docent aan het Maritiem Instituut Willem Barentsz op Terschelling, hartelijk danken voor zijn bijdrage en ondersteuning binnen het onderzoek. Richinell Scoop Franc Chiquito Gilbert Semeleer West-Terschelling, 11 februari 2014 IV

5 Inhoud Voorwoord... IV Samenvatting... VII Inleiding... 1 Aanleiding... 1 Inkadering... 1 Probleemanalyse... 2 Onderzoeksdoelstelling... 2 Onderzoeksvraagstelling... 3 Centrale vraag... 3 Deel vragen... 3 Onderzoeksopzet... 4 Theoretische kader... 4 Conceptueel model... 5 Randvoorwaarden... 5 Onderzoeksaanpak... 5 Activiteitenplan... 6 Frequentie regelaar introductie... 7 Hfdst 1. Pompkarakteristiek... 9 Introductie... 9 Beantwoording... 9 Hfdstk 2. Harmonischen Introductie Beantwoording Wat zijn harmonischen? Wat zijn de gevolgen van de harmonischen? Hoe kunnen harmonischen worden gemeten? Kun je een frequentie regelaar op alle elektromotoren gebruiken? Frequentieregelaar compatibel Principes Geschikte elektromotoren Hfdst 3. Klassebureau eisen Introductie Beantwoording Wat kan er hier uit geconcludeerd worden: Omgaan met harmonischen Hfdst 4. Aanschaf kosten Introductie Beantwoording Hfdst 5. Kosten besparing Introductie Beantwoording Hfdst 6. Brandstof kosten Introductie V

6 Beantwoording Hfdst 7. Terugverdientijd Introductie Beantwoording Conclusie Bijlagen Bronnenlijst VI

7 Samenvatting Dit onderzoek gaat over wat een stagiaire van de MIWB aanboord heeft beleefd in de machine kamer. Wat een verschil heeft gemaakt in het energie verbruik van de zeekoelwaterpomp. Wat de stagiaire heeft meegemaakt is dat er altijd volle toeren is gedraaid met de zeekoelwaterpomp terwijl er niet zoveel koeling nodig was omdat ze in relatief koud water voerden. De HWTK had de mogelijkheid om de toerental van de zeekoelwaterpomp te regelen met een frequentie regelaar om energie te besparen en toch voor genoeg koeling zorgen. Wat de details van de onderzoek inhoud is de besparing in energie die gerealiseerd is met een frequentie regelaar op de zeekoelwaterpomp tegen over wat zo een installatie kost hiermee is het kosten voor aanschaf en de besparing in energie omgezet in brandstof kosten wat hier uit mee te krijgen is na hoeveel dagen heeft de frequentie voor zichzelf in besparing betaald. Na deze periode is het bedrag van de frequentie regelaar binnen en zorg het frequentie regelaar alleen maar voor besparing voor de rederij/kapitein eigenaar. Er werd ook gekeken naar enkele nadelen en voordelen het frequentieregelaar met zich mee brengt. En wat de klassebureau op deze onderwerp heeft aanbevolen met wat betreft harmonischen. VII

8 Inleiding Aanleiding Vanwege de stijgende brandstofkosten gaan schepen tegenwoordig zuiniger om met brandstof. Dit betekent dat ze nu langzamer gaan varen om het brandstof verbruik te verminderen. Dit wordt ook wel slow-steaming genoemd. Deze slow steaming is van orde gekomen omdat het grootste brandstof verbruiker aanboord het hoofdmotor is, dus in plaats van volle vermogen te draaien gaan ze nu of halve of drie kwart vermogen draaien. Hiermee is een groot deel van het brandstof verbruik verminderd, maar door alleen langzamer te varen met het schip betekent niet dat ook alle andere componenten aan boord ook langzamer gaan draaien. De systemen op een schip zijn niet ontworpen om op deellast te draaien. Om op een systeem te kunnen bezuinigen moet er vaak componenten bij gehaald worden. Een groot voorbeeld hiervan is het aanbrengen van een frequentieregelaar op de zeekoelwaterpompen. Het manier waarop een frequentieregelaar op een zeekoelwaterpomp bezuinig is dat het toerental van het pomp hiermee geregeld kan worden. Een zeekoelwaterpomp is ontworpen om op volle toeren te draaien, ook al draait het hoofdmotor op deellast blijft het pomp op volle toeren draaien, dit brengt mee dat er een groot hoeveelheid vrij koel zeewater overboord verpompt wordt zonder dat er optimale gebruik ervan genomen is. Als er dan met een frequentieregelaar de toeren van het pomp zo ingesteld kunnen worden dat er dan nog voldoende zeekoelwater door het systeem kan laten doorstromen, verhogen ze het rendement van het systeem en tegelijkertijd verlagen ze het elektrische vermogen die daarvoor nodig is. Dit leidt dan tot een besparing in het verbruik van brandstof samen met enkele voordelen zoals: vermindering van cavitatie in het pomp, vermindering van belasting op de lagers in zowel het pomp als in het elektromotor en een verlenging in het onderhoudsperiode. Het onderzoek is gebaseerd op het schip Maersk Palermo, deze schip heeft een frequentie geregelde zeekoelwaterpomp dat in werking is. En ook nog een voordeel vanwege de route die ze met dit schip varen. Namelijk het schip vaart op het Noord Atlantische Oceaan waar het zeewatertemperatuur bijna het hele jaar door tussen de 2 graden en de 20 graden is. Dit brengt met zich mee dat het water nog meer warmte kan opnemen in vergelijken met schepen die rond varen in zeewatertemperaturen van boven de 20 graden vb. in de tropen. Omdat het water nu meer warmte kan opnemen kan het toeren geregelde zeekoelwaterpomp zelfs op een nog lagere toerental ingesteld worden maar behoud voldoende koelingseffect in het systeem. Dus is er een grotere besparing mogelijk te bereiken als er in deze regio gevaren wordt. Inkadering De onderzoekers gaan hun idee inkaderen door het toe te passen op de Maersk Palermo die een vaarroute heeft tussen Europa en Canada. De oversteek van Europa naar Canada duurt ongeveer 10 dagen en van Canada naar Europa duurt ongeveer 8 dagen, waarbij we een gemiddelde snelheid van 16 knopen proberen te behouden. De onderzoekers hebben meer dan genoeg informatie over het schip en ook is er gelegenheid voor contact met de HWTK aanboord. 1

9 Probleemanalyse 1. Wat is het probleem? Het probleem is dat er teveel elektrische vermogen wordt verbruikt in het zeekoelwater systeem wanneer er niet vol vermogen met het hoofdmotor gedraaid wordt. Het systeem is gebouwd om op volle toeren te draaien, dus als men langzamer met het hoofdmotor gaat draaien past het koelingssysteem zich niet automatisch aan de nieuwe omstandigheden. 2. Wie heeft een probleem? De rederij /scheepseigenaar heeft het probleem. 3. Wanneer is het een probleem? Het probleem is ontstaan omdat meerdere rederijen/scheepseigenaren over gaan naar slow-steaming varen om hiermee kosten te besparen aan brandstof van de hoofdmotor, maar de zeekoelwatersysteem is niet ontworpen om bij deel last te draaien. 4. Wanneer is het probleem ontstaan? Wanneer een keuze gemaakt moet worden op brandstofbezuiniging vanwege de stijgende brandstofkosten. 5. Waarom is er een probleem? Vanwege de hoge kosten dat het elektrische opwekking met zich meebrengt. En hierdoor de winstmarge van de bedrijfsvoering laat afdoen. 6. Waar doet het probleem zich voor? Het probleem doet zich voor op het schip Maersk Palermo, omdat de brandstofkosten niet te beïnvloeden zijn. Onderzoeksdoelstelling Het doel van dit onderzoek zal zijn om een beslissingsmodel te formuleren aan de hand van gedegen onderzoek van alle factoren, waardoor een reder of scheepseigenaar zou kunnen beslissen of het aan schaffen van een frequentieregelaar voordelig zou zijn of niet, afhankelijk van het situatie. Het doel is dan brandstof te besparen met het toepassen van een frequentieregelaar op de elektromotor van een zeekoelwaterpomp waarbij de toerental van de elektromotor te variëren is, en hiermee een vermindering van opgenomen elektrische vermogen met zich mee te brengen. Deze situatie zal naar alle waarschijnlijkheden goed gedefinieerd moeten worden aan de hand van de onderzochte factoren die van toepassing zijn zoals eerder genoemd in de probleemanalyse. 2

10 Onderzoeksvraagstelling Centrale vraag Is toepassing van een frequentieregelaar op een pomp van het koelwater systeem van de Maersk Palermo mogelijk binnen de klasse normen en wat is de terugverdientijd van deze aanpassing. Deel vragen 1. Wat is het verschil tussen het draaien met een frequentieregelaar en zonder frequentie regelaar? Onderzoeksgebieden: - Toerental regeling - Elektrisch vermogen 2. Wat zijn de mogelijke nadelen bij het toepassen van een frequentieregelaar? Onderzoeksgebieden : - Net vervuiling - Type elektromotor - Aanschaf kosten 3. Voldoet de Maersk Palermo tot de voorgestelde normen van het klassebureau op het gebied van net vervuiling? 4. Wat bedraagt de aanschaf kosten voor het installeren van een frequentieregelaar op het zeekoelwatersysteem? 5. Hoeveel elektrische vermogen wordt bespaart door het aanschaffen van een frequentieregelaar op de zeekoelwaterpomp elektromotor? 6. Wat zijn de brandstofkosten hedendaags? 7. Wat is het terugverdientijd na aanschaf van een frequentieregelaar op het zeekoelwatersysteem? 3

11 Onderzoeksopzet Theoretische kader Door middel van dit onderzoek zal meer inzicht verkregen worden in de factoren die men moet bekijken in de keuze tussen wel een frequentieregelaar toe te passen of niet. Bij de onderzoeksgebieden van toerental regeling en elektrisch vermogen, wordt er onderzocht wat de voordelen zijn om een frequentieregelaar aan te schaffen op je systeem. (J. Schonek Cahier (2008) technique n 214 Energy efficiency: benefits of variable speed control in pumps, fans and compressors, Schneider Electric) Met het toepassen van een frequentieregelaar op het net komen er ook nadelen mee bijvoorbeeld net vervuiling harmonic quantities. (schneider electric C. Collombet J.M. Lupin J. Schonek) Net vervuiling betekend dat het spanning geen zuivere sinus vorm meer heeft. Deze fenomeen is zowel aan de electromotor kant als de net kant van de frequentie regelaar te merken.(energie & engineering nummer 2. Mei 2012) Van de klassebureau mag deze net vervuiling tot een maximaal percentage uitkomen. (Pub150_ElHarmonics.ABS). Frequentie regelaars kunnen toegepast worden op alle draaistroom motoren. ( Voor de aanschafkosten hebben we contact genomen met een externe bedrijf die zich specialiseert in het installeren en aanschaffen van frequentieregelaars aanboord van schepen. Deze bedrijf heeft jarenlang ervaring en is een partner van ABB. ABB is een van de grootste leverancier van frequentieregelaars. Deze keuzes zijn gebaseerd op informatie die gekregen waren van de Maersk Palermo. De informatie over het zeekoelwaterpomp samen met het specifieke brandstofverbruik en benodigde elektrische vermogen om het systeem optimaal te laten draaien werd gekregen van de heer E.L.M. Mes ( , Juni 16, 2013). Vervolgens moet er aangetoond worden dat er met een frequentieregelaar tot een besparing gaat lijden. De gebruikte elektro formules om uit te kunnen rekenen wat het vermogen met een frequentieregelaar zal worden om een zodanige besparing te kunnen aantonen zijn uitgehaald uit het boek van (ir. B.W. Gijsbertsen & ir. W. Dekkers (1985) Elektrotechniek voor de operationele technicus deel 2. Strijen: Technische Uitgeverij EDMAR ) Het gaat er hierbij om dat het uitkomst van dit onderzoek een duidelijk beeld geeft. Toen het informatie gekregen was zaten de brandstofprijzen voor HFO op 580 $/mt en voor Gasolie op 830 $/mt. De actuele brandstofprijzen kunnen opgezocht worden op het website van bunkerworld onder prices en dan Rotterdam invullen voor haven. Bunkerworld. (n.d.). February 17, 2014, Voor het terugverdientijd na aanschaf van het frequentieregelaar zal uitgerekend worden door het aanschafkosten te delen door het besparing op het systeem in een tijd periode, waaruit een terugverdientijd als antwoord vast te stellen is. 4

12 Conceptueel model Het conceptueel model is opgesteld aan de hand van de doelstelling en deelvragen. Om bij de uiteindelijke doelstelling te komen moeten er variabelen onderzocht worden. De variabelen links in het model moeten uiteindelijk leiden tot de optimalisatie. Hier tussen zijn de variabelen geplaatst die een vervolg geven op de eerste variabelen, en die uiteindelijk de relatie hebben met de optimalisatie. De variabelen zijn de kenmerken van de onderzoekseenheden. Hieronder het conceptueel model in figuur 1. Frequentieregelaar Kostenverschil Verschillen technische aspect figuur 1 conceptueel model Wel of niet Besparing Route Aanschaf van frequentie regelaar wel of niet Randvoorwaarden Het onderzoek is uitgevoerd met als basis de resultaten van de Maersk Palermo voor en na er een frequentieregelaar aangeschaft werd. Dit is om een totaal beeld te krijgen van alle mogelijke factoren die een rol zouden spelen in het beslissing nemen om een frequentieregelaar toe te passen of niet. De mogelijke factoren zijn ondergebracht in de drie verschillende deelvragen, elk deelvraag behandeld een specifiek deel van de factoren. Vele factoren van de onderzoek waren afhankelijk van de mate van beschikbaarheid van deze gegevens. Een grote bron van informatie tijdens het onderzoek was de Maersk Palermo. Hierbij zijn deze ontvangen gegevens/data voor de waarheid aangenomen. Onderzoeksaanpak 1. Verzamelen van informatie literaturen. 2. Verzamelen van informatie over de situatie aanboord. 3. Verzamelen van informatie over aanschafkosten van frequentieregelaars. 4. Verwerking van de verzamelde informatie. 5. Case-study aanpak. 6. Verslaglegging 5

13 7. Activiteitenplan Inleveren concept onderzoeksplan 6-februari-2014 Inleveren definitief onderzoeksplan 18-februari-2014 Concept verslag inleveren 21-februari-2014 Definitieve verslag inleveren 24-februari-2014 Presenteren en verdediging van onderzoek 3-maart

14 Frequentie regelaar introductie Een frequentieregelaar of een frequentieomvormer is een elektronische apparaat dat een voedingsspanning omzet in een spanning met een variabele spanning/frequentie verhouding waarmee de koppel behouden blijft. De frequentieregelaar wordt gevoed door een energiebron met een constante frequentie en een constante spanning. De omzetting van de spanning met een vaste frequentie naar een spanning met een variabele frequentie gaat in twee stappen. 1. De ingang spanning wordt gelijkgericht en afgevlakt zodat er een gelijkspanning van 2 x de ingangsspanning ontstaat. 2. De gelijkspanning wordt omgezet in drie wisselspanning met variabele frequentie en spanning. Het gelijkrichten gebeurt door middel van een eenvoudige gelijktrichtbrug waarna de gelijkspanning afgevlakt wordt door een aantal condensatoren. De gelijkspanning wordt door middel van een wisselrichter omgezet in drie wisselspanningen met een onderling faseverschil van 120. De wisselrichter is opgebouwd uit vermogens halfgeleiders I.G.B.T. s (Insulated Gate Bipolar Transistor). Deze I.G.B.T. s zijn als het ware twee zeer snelle schakelaars met slechts twee toestanden, aan of uit. De regelbare spanning en frequentie wordt gemaakt door middel van pulsbreedte modulatie. Bij pulsbreedte modulatie schakelt de spanning afwisselend tussen 0 en de maximale spanning, hierdoor is de gemiddelde waarde lager. Op deze manier wordt een sinusvormige wisselspanning gemaakt. Het in en uitschakelen van de spanning gebeurt volgens een speciale techniek die is vastgelegd in een custom-made chip (L.S.I.) in de regelaar. Deze L.S.I. ontvangt commando s van de controller die het hart van de besturing van de frequentieregelaar vormt. In de frequentieregelaar worden drie delen onderscheiden: Vermogensdeel bestaande uit gelijkrichtbrug, condensatoren en wisselrichter. Gate drivers, spanning en stroommetingen, in dit deel zit de interface tussen hoge spanningen van de vermogenselektronica en de lage spanningen van de besturingselektronica. Besturingsdeel met microcontrollers in- en uitgangen, analoge in- en uitgangen en de digitale bedieningsmodule. Dit zijn enkele functies van de frequentieregelaar: Acceleratie en decelaratie kunnen ingesteld worden. De acceleratietijd is de tijd dat de motor nodig heeft om op toeren te komen, van minimale tot maximale frequentie. Dit zelfde geldt ook voor decelaratie. Koppeldetectie is ingebouwd om op een moment dat een motor meer dan een bepaald koppel levert, een bepaalde actie te ondernemen is. Als de frequentieregelaar boven een bepaald koppelniveau komt, gedurende een 7

15 bepaalde tijd dan wordt er een actie ondernomen. Het koppelniveau wordt in precenten opgegeven, dit is t.o.v. de stroom. Stall prevention is vanwege de hoge piek stroom hebben bepaalde types frequentieregelaars een overcapaciteit voor kortstondige overbelasting die kan optreden bij het zwaar aanlopen en bij schokbelasting. 8

16 Hfdst 1. Pompkarakteristiek Introductie Voordat een rederij in zo n duur frequentie regelaar investeert, wil de rederij eerst weten wat het verschil is tussen het draaien met of zonder een frequentieregelaar. De grootste voordeel is besparen in alle manier mogelijk bijv. De pompen kunnen langer draaien tussen onderhoud beurten, dit doordat ze minder belast draaien worden wat tot een besparing leidt in onderhoudskosten. Beantwoording Wanneer een elektromotor van centrifugaal pomp wordt aangepast met een frequentie regelaar kunnen we de toeren regelen dat in plaats dat het constant op nominaal toerental Nn draait kan het ook op een lagere toerental draaien N. Doormiddel van deze grafieken wordt er uitlegt wat er met de pomp gebeurt. - Nn = Nominale toerental - Q = Volumestroom (m3/sec) - THD/HMT = Manometrische opvoer hoogte - P = Vermogen (W) figuur 2 In figuur 2 is de karakteristieke kromme bij nominale toerental en bij een lagere toerental het verschil is Nn x 0.8. Met deze diagram kunnen we bepalen dat de volumestroom (Q) en manometrische opvoer hoogte ( THD/HMT) minder worden. 9

17 figuur 3 In figuur 3 is de karakteristieke kromme bij nominale toerental en bij een lagere toerental het verschil is Nn x 0.8. Bij deze PV of PQ diagram kunnen we bepalen dat bij lagere toerentalen zowel de vermogen als de volumestroom omlaag gaan. Andere voordelen voor het toepassen van een frequentie regelaar zijn: - Kleppen kunnen uitgeschakeld worden dat de maximum volumestroom kan regelen; als de pomp te groot is, het draaien bij lagere toeren is het mogelijk om energie misbruik te vermijden. - Om een frequentie regelaar toe te passen worden geluid en trillingen gereduceerd vanwege dat de pomp draait niet de hele tijd op de nominale toerental waarbij resonantie kan optreden in de leidingen. - Minder kans op cavitatie. Dit ontstaat als gevolg van de pomp moet niet direct draaien zijn nominale toerental maar kan geleidelijk verhoogd worden. Cavitatie is het imploderen van dampbellen op de waaier van de pomp. - Betrouwbaarheid van de impeller, de levensduur van een pomp impeller hangt af van de hoeksnelheid, doordat de hoeksnelheid wordt vermindert gaat de betrouwbaarheid van de impeller omhoog. 10

18 Hfdstk 2. Harmonischen Introductie Een grote nadeel dat samenhangt met het toepassen van een frequentie regelaar is dat ze net vervuiling oftewel harmonischen veroorzaken. Op het scheepsnet kunnen deze harmonischen lastige problemen veroorzaken. Een ander probleem dat zich voortzet als je de toerental van de elektromotor verlaagd, is dat er ook een vermindering in koeling zal optreden. De onderzoekers hebben het aandacht gelegd op harmonischen en het type elektromotor dat een frequentie regelaar toepasbaar is. Beantwoording Wat zijn harmonischen? Een veel voorkomende afwijking van een zuivere sinusvormige spanning- en stroomgolfvorm zijn harmonischen. Hierbij bevat de golfvorm niet alleen een component op de fundamentele frequentie (50 Hz), maar tevens enkele componenten op frequenties die daar een veelvoud van zijn (100 Hz, 150 Hz, etc.). Onder invloed van deze harmonischen wordt de golfvorm vervormd en kunnen pieken optreden die veel groter zijn dan bij een sinusvorm. Een sinusvormige spanning zorgt ervoor dat er een sinusvormige stroom gaat lopen. Apparaten waarbij dit gebeurt worden lineaire systemen genoemd. Voorbeelden van lineaire systemen zijn gloeilampen, verwarming en de meest voorkomende motoren. Sommige moderne apparaten behoren niet tot deze categorie. Bij niet lineaire belastingen moet gedacht worden aan gelijkrichters, geschakelde voedingen (computers), frequentie regelaars, LED verlichting, spaarlampen, dimmers, inductieovens, etc. Tot niet lineaire systemen behoren vrijwel alle apparaten waar halfgeleiders in verwerkt zijn, zoals solid state relais, transistors en/of diodes. figuur 4 Harmonische vervorming 11

19 Wat zijn de gevolgen van de harmonischen? De symptomen van harmonischen kunnen ernstige problemen tot gevolg hebben. Transformatoren kunnen oververhit raken door wervelstromen in de ijzeren kern. Dit heeft vibratie en zoemende geluiden tot gevolg. Door de hogere frequenties (hogere harmonischen) is de transformator minder efficiënt en levert deze niet het geplande vermogen. Aanwezigheid van hoge frequenties kan oververhitting veroorzaken in kabels. Dit fenomeen wordt ook wel het skineffect genoemd. Door de hoge temperaturen wordt de soortelijke weerstand van kabels hoger, waardoor de temperatuur nog meer toeneemt en dus een sneeuwbaleffect wordt veroorzaakt. Door de hoge temperaturen zal ook de isolatieweerstand sterk verlagen, waarmee gemakkelijk een gevaarlijke situatie kan ontstaan. Hinderlijk trippen van automaten in een fabriek waar staalwassen op gesteld staan. Doordat hogere harmonische aanwezig zijn gaat de sommatie van stromen verkeerd en tript de beveiliging vaak onbedoeld. De stroomvoorziening wordt dan voortdurend onderbroken zonder duidelijk aanwijsbare reden. Als elektromotoren warm worden en abnormaal veel geluid produceren is dit vaak het gevolg van een onbalans in de netvoeding door aanwezigheid van een vijfde harmonische. Deze harmonische zorgt voor een negatieve draairichting wat trillingen en lager slijtage tot gevolg heeft. De derde harmonische in een drie fase systeem zal in fase zijn met de eerste harmonische, waardoor een grotere stroom door de nul gaat. De nul geleider kan hierdoor zeer warm worden. Data storingen daar waar ongewenste stromen over de data kabels gaan lopen. Hoe kunnen harmonischen worden gemeten? Wanneer de aanwezigheid van harmonischen wordt vermoed, dient een meting te worden verricht. Er bestaan verschillende soorten meetinstrumenten voor dit doel. Het gebruik van een instrument met het True RMS meetprincipe is absoluut noodzakelijk. Een toestel zonder True RMS zal foutieve waarden weergeven, omdat deze de effectieve meetwaarde bepaald aan de hand van een gemiddelde waarde. De verhouding tussen de gemiddelde waarde en de effectieve waarde is 1,11 bij een zuivere sinusvorm. Bij aanwezigheid van harmonischen is er echter geen sprake van een zuivere sinusvorm, waardoor de waarde die een meetinstrument zonder True RMS weergeeft is dat geval sterk kan afwijken van de werkelijke waarde. True RMS wordt ook wel de echte effectieve waarde genoemd. 12

20 De totale graad van de harmonische vervuiling is de verhouding van de echte effectieve waarde van alle harmonischen tot de echte effectieve waarde van de grondgolf. Deze waarde wordt ook de totale distorsie (THD) genoemd. De THD geeft een beeld van de totale inhoud aan harmonischen van het signaal. Om een goede analyse te doen zal de totale harmonische vervorming moeten worden opgedeeld in afzonderlijke harmonischen. Er zijn meetinstrumenten, zoals de ELEKTRO LIJN PQA823, die dat overzichtelijk in beeld kunnen brengen in de vorm van een histogram. Hieruit kan worden afgelezen welke harmonischen aanwezig zijn en wat de grootte van elke harmonische is. figuur 5 Meet instument Kun je een frequentie regelaar op alle elektromotoren gebruiken? Er zijn gevallen bekend van elektromotoren die na 20 of 30 jaar trouwe dienst binnen een paar uur kapot gingen nadat ze aan een variabele toerenregeling waren gehangen, die bedoeld was om stroom te besparen en de motor tegen hoge startstromen te beschermen. Dat is vrij ongebruikelijk, maar production engineers die hun installaties willen upgraden, moeten dit risico kennen. Frequentieregelaar compatibel Men kwam met diverse oplossingen, waaronder de montage van harmonische filters, toepassing van overmaatse motoren en een betere isolatie binnen in de motor. Het werd al gauw duidelijk dat een verbeterd type frequentieregelaar compatibele elektromotor de beste optie was. De motorenfabrikanten wilden zo n serie maar al te graag in hun programma hebben. In de jaren negentig en daarna zijn het ontwerp en kwaliteit van motoren op veel punten continu verbeterd, wat onder andere ten goede kwam aan de energie-efficiëntie en betrouwbaarheid. Interessant is dat veel fabrikanten hun motoren behalve constructief beter ook geschikt voor een frequentieregelaar maakten. Hierdoor zijn tegenwoordig veel standaardmotoren vanzelf al frequentieregelaar compatibel en heeft het probleem zich grotendeels opgelost als u een merkmotor van redelijke kwaliteit koopt. Nu treden vooral problemen op als u bij een retro fit, modernisering of upgrade een bestaande motor gebruikt. Principes Het loont zich het onderwerp nader te bekijken en de natuurkundige principes te begrijpen. Rotor GB heeft als leverancier van standaardmotoren en zwaardere frequentieregelaar compatibele motoren, maar ook als distributeur van AC Tech frequentieregelaars, ervaring met beide componenten. Frequentieregelaars veranderen het motortoerental door de voedingsspanning van een vloeiende sinusgolf in een snel schakelende spanning te veranderen. Hierbij ontstaan helaas onvermijdelijke spanningspieken, die de isolatie kunnen aantasten, waardoor de motor kapot gaat. Meer nadelige neveneffecten zijn onder andere onvoldoende 13

21 ventilatie bij lage snelheden, een diëlektrische belasting van de motorwikkelingen en magnetische ruis. Deze laatste ontstaat doordat de motorimpedantie stijgt en daalt als zij hoger wordt dan de impedantie in de voedingskabel, waardoor reflectie optreedt en zich golven ontwikkelen (hoe langer de kabel, des te groter het eventuele probleem). Oplossingen zijn onder andere het gebruik van filters of ballasten en kortere kabels. Sommigen gebruiken een overmaatse motor (gaat ten koste van energie-efficiëntie), terwijl anderen de hittebestendige isolatieklasse H toepassen. De meeste moderne motoren zijn hoog efficiënt en hebben van huis uit een frequentieregelaar vriendelijke isolatie. Ze zijn geschikt voor allerlei toepassingen en daarom voor veel projecten een vanzelfsprekende keuze. Geschikte elektromotoren Specifieke frequentieregelaar compatibele motoren zijn voor zware toepassingen eventueel een nog betere optie. Ze hebben een extra dikke isolatie om de spanningspieken te verwerken en soms een magnetische bedrading om de nadelige gevolgen van sterk wisselende golfvormen tegen te gaan. Voor frequentieregelaars geschikte motoren zijn tevens geschikt voor bredere werkgebieden dan standaardmotoren, zoals een maximale koppelafgifte bij nul toeren, dat wil zeggen, dat de motor een last kan stilhouden zonder mechanische rem te gebruiken. Ze hebben ook betere thermische eigenschappen, zodat de bedrijfstemperaturen laag blijven en de motor beter bestand is tegen spanningspieken. Zware voor frequentieregelaars geschikte motoren hebben zelfs vaak een ventilator om de koeling bij lage snelheden te verzorgen, terwijl bij heel zware motoren of in extreem zware omstandigheden koelwatermantels een goede dienst bewijzen. De conclusie is dat een moderne elektromotor in veel gevallen goed met een frequentieregelaar is te combineren. De technici moeten echter de eventuele problemen in het oog houden, die kunnen optreden bij: hoge omgevingstemperaturen inschakelverhoudingen met veel lage toerentallen lasten die bij het maximale koppel en nul toeren worden stilgehouden veiligheidsproblemen, direct gekoppeld aan het uitvallen van de motor een moeizame en/of kostbare vervanging van een defecte motor een heel systeem of productieband die uitvalt als de motor doorbrandt een bestaande motor van onbekende kwaliteit het retrofitten van een motor die ouder is dan tien jaar Kortom: het is soms beter bewust een nieuwe motor die geschikt is voor een frequentieregelaar te installeren, maar als je al een hoge kwaliteit elektromotor al bezit kan er eventuele aanpassingen aan worden gedaan zoals een externe koeling ventilator. 14

22 Hfdst 3. Klassebureau eisen Introductie Om te kunnen bepalen of de Mearsk Palermo tot de voorgestelde normen van het klassebureau in het gebied van net vervuiling volstaat. Moet er naar de eisen en de aanbevelingen van wat betreft harmonischen op het scheepsnet ingaan. Daarna moet berekend / simuleert worden wat de gevolgen zou zijn op het scheepsnet in het gebied van harmonischen. Als blijkt dat de resultaat beneden de aanbevelingen valt van het klassebureau hoeft er geen maatregelen genomen te worden. Beantwoording Het klasse wat het schip onder valt is bekend ABB en de publicaties van deze onderwerp zijn open verkrijgbaar. De aanbevelingen met wat betreft harmonischen is uitgebreid uitgelegd in het PDF. ( Pub150_ElHarmonics ) Wat de aanbeveling van de klasse bureau in het kort inhoud figuur 6 Aanbeveling klassebureau Hiermee wordt gezegd dat de totale harmonische spanningen distorsie niet hoger dan 5% mag zijn waar het installatie verbonden is aan het scheepsnet en dat een afzonderlijke harmonische spanningen distorsie de grond spanning niet meer dan 3% mag overschrijden. De oorzaak van de harmonische vervorming is vrijwel altijd terug te voeren op een stroom harmonische. Om deze zo duidelijk mogelijk in beeld te krijgen is het belangrijk om zo dicht mogelijk bij het toestel te meten, waarvan u verwacht dat het de oorzaak is van de netvervuiling. Harmonischen zijn meestal geen constant verschijnsel, waardoor het belangrijk is om de meting gedurende langere tijd uit te voeren (loggen). Dit maakt een betere analyse mogelijk. 15

23 Om te bepalen of er aan de eisen zal worden kan er ook gebruik gemaakt worden van simulatie programma s van diverse leveranciers van frequentie regelaars Voorbeelden hiervan zijn SOLV v6.5.5 van MIRUS international inc. Of DriveSize 3.8 van ABB. Bij het project wordt er gebruik gemaakt van ABB dus alle simulaties voor het project worden gedaan met DriveSize 3.8 Stap 1 het informatie van het net moeten worden in gevuld dus 440V en 60HZ figuur 7 Scheepsnet Stap 2 vervolgens moet gegevens van de elektromotor die bekend zijn ingevoerd worden we weten de soort belasting het gaat hierbij om een pomp. De maximale toerental is bekend 1185 RPM het vermogen is bekend 132 kw En dat het elektromotor al geïnstalleerd is dus existing bestaand. 16

24 figuur 8 Elektromotor Stap 3 aan de hand van de gegevens die al ingevoerd zijn kan de programma een model frequentie regelaar adviseren bij deze geval is dat de ACS wat de eigenschappen beschikken voor deze toepassing. 17

25 figuur 9 Frequentieregelaar Stap 4 omdat er nu een frequentie regelaar ingesteld is komt de mogelijkheid om een netwerk check te doen om het Totale harmonische distorsie te bepalen. Hier bij met je het knop selecteren met de sinusoïde en de lengte van de kabel heeft ook in vloed die is bekend dus wordt er 50m ingevuld. figuur 10 THD meetingen 18

26 Wat kan er hier uit geconcludeerd worden: Het resultaat van de simulatie blijkt dat de grote van de Totale Harmonische spanningen Distorsie met deze ingevulde gegevens 0.1% is en deze waarde ligt beneden de 5% die gesteld wordt door de klasse bureau dus deze model frequentie regelaar mag geïnstalleerd worden zonder extra maatregelen te nemen tegen de hoeveelheid Totale harmonische distorsie die deze apparaat gaat veroorzaken. Na installeren is het wel slim om nog een meting te laten doen om te controleren of het wel zo is. Omgaan met harmonischen Door toepassing van moderne technieken om ons heen zullen harmonischen altijd aanwezig zijn. Enkele factoren die van invloed zijn bij het bestrijden van harmonischen zijn een juiste dimensionering van fase- en nul geleiders, het voorkomen van (te) lange geleiders en het vermijden van plaatsing van geleiders naast datalijnen. Bij bestaande installaties kan gebruik worden gemaakt van passieve of actieve filters om de harmonische vervorming te verminderen. 19

27 Hfdst 4. Aanschaf kosten Introductie Voor het installeren van een frequentieregelaar op het zeekoelwater systeem moet er gekeken worden naar de aanschaf kosten. Voor aanschaf kosten was er telefonisch contact genomen met ABB BV in Rotterdam. Er werd een aantal partners aangewezen die voor ABB werken waarvan hun specialisatie in installeren en aanschaffen van frequentie regelaars aanboord van schepen zijn. Spit Elektro Mechanica werd door de onderzoekers gekozen ( hierbij was er telefonisch contact genomen met DHR. Stef Engerson. Beantwoording Frequentiekast: 10800, - ABB ACS AMC filter Arbeid en transport kosten 5000, - Kabel 50m a 120/m: 6000, - + Totaal: 21800, - 20

28 Hfdst 5. Kosten besparing Introductie Het doel van het onderzoek is een beslissingsmodel te definiëren voor scheepseigenaren. Er is besloten om aan de hand van de ervaring van de onderzoekers tijdens hun stage op de Maersk Palermo samen met informatie die door het schip verkregen was, om hieruit keuzes te kunnen maken over het aanschaffen van een frequentie regelaar aanboord en of dit dan wel of niet tot een besparing op het brandstof verbruik zal lijden. Installaties met een hoge volumestroom, zoals de zeekoelwaterpomp hebben vaak aanboord geen toerentalregeling maar vaak wordt de volumestroom op een conventionele wijze met behulp van smoorkleppen of regelventielen gecontroleerd. Als de volumestroom echt niet door een variabel motortoerental wordt geregeld, loopt de motor continu op het maximale toerental dat op het motorplaatje wordt aangegeven. Hiermee wordt een aanzienlijke hoeveelheid energie verspild. Een motortoerentalregeling met toepassing van een frequentieregelaar maakt het mogelijk om bijna 70 % energie te besparen. figuur 11 Principe van energiebesparing Vergelijking van de toerentalregeling met andere manieren van volumestroomregeling: Smoren met kleppen of kranen Het gebruik van viscose- of wervelstroomkoppelingen voor het regelen van het draaimoment tussen pomp en motor Aan-/uit regeling Nadeel van deze manieren voor het regelen van de volumestroom is dat er geen direct effect op het stroomverbruik is, aangezien de motor op vol vermogen blijft werken. Het aan-/uit regeling veroorzaakt zelfs een hoge mechanische belasting en drukstoten in het installatie op grond van het in en uit schakelen van de pomp. Hieronder volgt een grafiek waar aangetoond wordt het vergelijking tussen debietregeling en toerentalregeling bij een volumestroom reductie van 60 %. 21

29 figuur 12 Vergelijking bij reductie Beantwoording Gegevens pomp en elektromotor Pomp: NIM U3.12D S Capaciteit: 1200m3/h Delivery head: 24 m RPM: /min NPSH: 5 m WC Power absorbed: 103 kw Motor: 315 M Supply: 440 volt/volts Power output: 132 kw Cycles: 60 Hertz Besparing Alternatief 1, direct aangesloten pomp (DOL=Direct Online): Energieverbruik in 1 maand Verbruik met DOL: kwh Energiekosten met DOL: ,70 $ Alternatief 2, oplossing met frequentieregelaar: Energieverbruik in 1 maand (bij een geschatte energiebesparing van 52%) Verbruik met FreqReg.: kwh Energiekosten met FreqReg.: 5.134,80 $ Besparing: ,70 $ ,80 $ = 5.484,90 $ 22

30 Zonder frequentieregelaar DG G M P P & Q = S S-P=Q = 27 kw Q= 27 kw P=U*I* 3*cosφ P=440 v * 180 a * 3 * 0,8 P=110 kw S=U*I* 3 S=440 v * 180 a * 3 S= 137 kw Toeren = 1185 RPM Met frequentieregelaar DG G Freq M P P & Q = S S-P=Q = 13 kw Q= 13 kw P=U*I* 3*cosφ P=440 v * 87 a * 3 * 0,8 P=53 kw S=U*I* 3 S=440 v * 87 a * 3 S= 66 kw Toeren = 500 RPM Hieruit kan er uitgehaald worden dat het verschil tussen 180 ampère 87 ampère een besparing geeft van 93 ampère. Dit uitgerekend geeft: P=U*I* 3*cosφ P=440 v * 93 a * 3 * 0,8 P=56,7 kw 23

31 Om een het verschil duidelijker weer te geven gaan we de volgende doen: Beide pompen, dus met een frequentieregelaar en zonder een frequentieregelaar zullen we een maand lang laten draaien. Dus 30 dagen lang 24 uur per dag dit is inclusief zaterdag en zondag. Pomp 1 is het zeekoelwaterpomp zonder frequentieregelaar en pomp 2 is met frequentie regelaar. Pomp 1 Verbruik = 110 kw Verbruik 1 maand = 110kW * 720 uren = kwh Pomp 2 Verbruik = 53 kw Verbruik 1 maand = 53 kw * 720 uren = kwh Hieruit halen we dan dat we met pomp 2 hetzelfde koeling effect hebben in het systeem met een verbruik wat 2 keer minder is dan wat pomp 1 gebruik aan energie. Conclusie: We besparen dan 56,7 kw * 720 uren = kwh vanwege het verlagen van de frequentie. Als dit omgerekend wordt naar brandstof kosten wordt er verkregen: Pomp 1 verbruik in brandstof kosten kwh * 230 g/kwh = 18,2 mt brandstof in een maand Dit geeft dan een kost van 18,2 mt * 583,50 $/mt = ,70 $ De kosten om pomp 1 een maand lang te laten draaien kosten ,70 $. Pomp 2 verbruik in brandstof kosten kwh * 230 g/kwh = 8,8 mt brandstof in een maand Dit geeft dan een kost van 8,8 mt * 583,50 $/mt = 5.134,80 $ De kosten om pomp 1 een maand lang te laten draaien kosten 5.134,80 $. Er kan gezegd worden dat de kosten gehalveerd worden naar aanleiding van de uitgerekende brandstofkosten. Om de besparing uit te rekenen kan dat aan de hand van de volgende methode: Besparing in brandstof kosten kwh * 230 g/kwh = 9,4 mt brandstof in een maand Dit geeft dan een kost van 9,4 mt * 583,50 $/mt = 5.484,90 $ Dit is het besparing in een maand als je de pomp met een frequentieregelaar laat draaien is 5.484,90 $. De brandstofbesparing per dag is 182,80 $. Vermogen Volt Ampère cosφ 56700, ,8 57 Energie verbruik Uren 40824,3 720 Brandstof kosten Brandstof kosten Specifiek brandstof verbruik 5478, ,

32 Hfdst 6. Brandstof kosten Introductie Binnen de besluitvorming of men wel een frequentieregelaar toepast of niet komt een groot financieel aspect te kijk. Men kijk naar de verschillende financiële factoren die een rol spelen bij de beslissing nemen van het aanschaf van een frequentieregelaar. Deze factoren kunnen ver uiteen lopen. De vaste kosten die gemaakt worden spelen een rol, maar ook de variabele kosten kunnen de keuze bepalen. Binnen deze deelvraag gaan we de brandstof prijzen van hedendaags aangeven. De brandstofprijzen zullen verder in dit document worden uitgewerkt. De resultaten van de onderzoeksuitkomsten zullen meegenomen worden in de conclusie. Tot slot zal deze conclusie bijdragen aan de totstandkoming van het beslissingsmodel. Beantwoording De brandstofprijzen kunnen fors variëren. Daarnaast ligt het ook aan de locatie waar men de brandstof heeft ingenomen. De Maersk Palermo neemt in principe alleen brandstof vanuit het haven Rotterdam. Hieronder staat een screenshot genomen van het website Bunkerworld. (n.d.). Retrieved February 18, 2014, figuur 13 brandstof prijzen 25

33 figuur 14 brandstof prijzen In bovenstaande figuur is goed te zien hoe het brandstofprijs fluctueert in de loop der maanden. De bunkerhaven van het schip is ook van belang vanwege dat de brandstofkosten ook variëren per haven. Doordat deze brandstofkosten variëren, zal in het te schrijven beslissingsmodel een variabele opgenomen moeten worden waarbij de brandstof prijs ingevuld kan worden. Conclusie De brandstofprijzen zullen dus per bunkerhaven berekend moeten worden. Na de vaststelling van de brandstof prijs kan er een overwogen keuze gemaakt worden. 26

34 Hfdst 7. Terugverdientijd Introductie Om het beslissing model af te ronden hebben de onderzoekers deelvragen 4 en 5 samen gevoegd. Hieruit kan dan een rekenmodel worden vastgesteld om het terugverdientijd na het afschaffen bepalen. Uit vraag 4 is de kosten meegenomen en uit vraag 5 is het besparing van het frequentieregelaar meegenomen. En dan kan er bepaald worden na hoeveel tijd heb je het aanschaf kosten afgelost en dan is er sprake van winst. Enig wat niet mee in de rekening staat zijn de kosten voor de zekeringen die ook op het systeem behoren. De onderzoekers had dit gegeven niet kunnen achterhalen. Als dat bekend zou zijn geweest zou die ook in het opsomming van aanschafkosten meegenomen moet worden om daarna het totaal te verrekenen. Beantwoording Hier volgt er een klein stukje van deelvraag 4. De aanschafkosten bestaan uit de volgende onderdelen en bij elkaar opgeteld. Frequentiekast: 10800, - Arbeid & transport: 5000, - Kabel 50m a 120/m: 6000, - + Totaal: 21800, - Het totaal aanschaf kosten bedragen 21800, -. Het besparing dat we in 1 maand lang draaien van zonder frequentieregelaar naar met frequentieregelaar bedraagt 5.484,90 $. Aangenomen wordt dat 1 is 1,37 $, dit valuta is verkregen van het website op 27 feb Met deze gegevens kan er een terugverdientijd opgesteld. Bedragen in : Totaal , - (eenmalig) Besparing $ 5.484,90 = 4.009,78 (per 30 dagen) 133,66 (per dag) Uitwerking: , - / 133,66 per dag = 164 dagen 164 dagen is iets meer dan 5 en een halve maand. Er kan hiermee nu geconcludeerd worden dat na het aanschaf van een frequentieregelaar het winst op het systeem begint 5 ½ maand later. En hiermee kan ook gezegd worden dat het terugverdientijd heel kort is, wat tegenwoordig van belang is voor het bedrijf. 27

35 Conclusie Voor schepen die in relatief koud water varen is een frequentie regelaar een heel gemakkelijke manier om elektrische energie te besparen en hiermee ook kosten te besparen voor het opwekking van die elektrische energie. Er moet wel gekeken worden of met het installeren van het frequentie regelaar de harmonischen die deze apparaat veroorzaakt niet boven de klasse normen komen van het schip. Er moet ook gekeken of het elektromotor genoeg koeling krijgt. Bij lage toerentalen als dat niet het geval is moet er een externe koeling ventilator op de elektromotor aangebracht worden om deze te voorzien van koeling. Over het aanschaf kosten gesproken is het een relatief goedkoop apparaat aangezien wat je allemaal met dit apparaat kan doen. De besparing is wel afhankelijk van hoe laag de toerental ingesteld kan worden en als de gewenste doelen nog bereikt kan worden. Kan het toerental heel laag ingesteld worden, dan betaal je het aanschaffen van het frequentie regelaar sneller dan als je op b.v. 90% toerental kan instellen. Bij de situatie die deze onderzoek is opgesteld was de resultaat dat de aanschafkosten in vijf en een halve maand in besparing terug te verkrijgen is in besparing. Aangezien dat deze model frequentie regelaar maar 0.1% totale harmonischen distorsie veroorzaakt op het scheepsnet en de klasse eist maximaal 5% totale harmonische distorsie moet er geen extra kosten gemaakt worden om de totale harmonische distorsie te minimaliseren om onder de klasse norm te komen. Dus besparing krijgen na vijf en een halve maand is relatief kort. 28

36 Bijlagen Bronnenlijst Websites ( ) ( ) ( ) Publicaties (J. Schonek Cahier (2008) technique n 214 Energy efficiency: benefits of variable speed control in pumps, fans and compressors, Schneider Electric) Pub150_ElHarmonics. PDF Boeken Bedrijven of personen Spit elektro mechanica BV Dhr Stef Engerson 29