Toerenregeling in de industrie Vergelijk van magneetkoppeling (MK) en frequentieregelaar (FR) Aerdenhout, 3aart 2015 TPA adviseurs
Inhoud 1. Inleiding... 3 2. Energieverliezen en besparingen... 4 3. Economie... 6 4. Conclusies... 12 Bijlagen Lijst van tabellen en figuren Tabel 1. Vermogen naar toerentalreductie / slip, voor MK en FR... 4 Figuur 2. Opgenomen vermogen naar toerentalreductie / slip, voor Smoorklep, MK en FR... 5 Tabel 3. Waarden opgenomen vermogen vlgs figuur 2... 5 Figuur 4. Tabel 5. Figuur 6. Tabel 7. Terugverdientijden voor FR (0 en 9eter) en MK (variabel (0 en 9eter) en vast) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem, (zie onderstaande tabel 5 met waarden)... 7 Terugverdientijden voor FR (0 en 9eter) en MK variabel (0 en 9eter) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem... 7 Terugverdientijden voor FR (15eter) en MK (variabel (0 en 15eter) en MK vast bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem in ATEX omgeving (zie onderstaande tabel 7 met waarden)... 8 Terugverdientijden voor FR (15eter) en MK variabel (15eter) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem in ATEX omgeving... 8 Figuur 8. Verschil in terugverdientijden van de MK variabel t.o.v. FR op basis van energiekostenbesparing... 9 Figuur 9. Figuur 10. Besparingen en Ontsparingen in TCO van de MK t.o.v. de FR met energie, onderhouds en vervangingskosten in de TCO... 10 Besparingen en Ontsparingen in TCO van de MK t.o.v. de FR inclusief kosten voor uitval en stilstand in de TCO... 11 Figuur 11. Regelposities in een aandrijving systeem... 12 Bijlagen Schema B1. Variable Speed Drives... 14 Tabel B2. Vermogens naar toerentalreductie / slip, voor Smoorklep, MK en FR... 15 2
1. Inleiding Achtergrond Toepassing van toerenregeling bij elektrische aandrijvingen, in het bijzonder bij pomp en ventilatiesystemen, biedt goede mogelijkheden voor energiebesparing en verlaging van onderhoudskosten en de total cost of ownership (TCO). Voor toerenregeling van aandrijvingen zijn diverse technieken beschikbaar, zie figuur B.1 (bijlage). Elke techniek voor toerenregeling heeft specifieke voor en nadelen (karakteristieken) afhankelijk van de precieze toepassing. De frequentieregelaar is tegenwoordig veruit de meest voorkomende keuze voor een toerenregeling. Echter de permanent magneet slipkoppeling (hierna magneetkoppeling of MK) heeft bepaalde karakteristieken die het afhankelijk van de specifieke toepassing mogelijk een goed alternatief voor de frequentieregelaar maken. In deze notitie wordt dit kort nader uitgewerkt. De magneetkoppeling ( 1 ) kan net als de frequentieregelaar het toerental van het gedreven apparaat regelen en zo voorzien in de benodigde procesvraag (druk, flow). Dit is een energetisch efficiëntere oplossing vergeleken met de inzet van een smoorklep of bypass met een niet geregelde pomp. De energetische voordelen van beide technieken zijn het grootst bij pompen en ventilatoren met een variabel koppel, zoals centrifugaal pompen en ventilatoren. Om deze voordelen en onderlinge verschillen nader uit te werken is een voorbeeld case doorgerekend op energetische en economische karakteristieken met als uitgangspunt: een pomptoepassing met smoorklep. De vervangopties zijn frequentieregeling (FR) en magneetkoppeling (MK). Op moment van schrijven (Q1 2015) zijn er geen meetgegevens van de magneetkoppeling uit de praktijk beschikbaar. Over de magneetkoppeling Kenmerkend voor de magneetkoppeling is de contactloze overbrenging via twee magnetische schijven. De instelbare afstand tussen de schijven zorgt voor de toerentalreductie. Er is een uitvoering voor een vast gereduceerd toerental (een constant snelheid overbrenging; hierna de MKvast) en een uitvoering met een traploos regelbaar toerental (hierna de MK variabel). De magneetkoppeling regelt de snelheid van de pomp (het gedreven apparaat) door het variëren van de slip. Het rendement is daarmee rechtevenredig met de snelheidsafname. En bedraagt minimaal 2 3% tot een maximum van 50% 2 (regelbare uitvoering). Tegenover dit energetische verlies staan voordelen door het ontbreken van een fysieke koppeling met het aangedreven apparaat (pomp, ventilator). In vergelijking met andere koppelingen als direct drive (as) en flexibele koppelingen, en in vergelijking met frequentieregelaars: Uitlijning is minder kritisch (enkele millimeters is toelaatbaar 3 ) Er worden geen trillingen via de koppeling overgebracht, waardoor er minder slijtage optreedt, in koppeling en aangedreven apparaat, in vergelijking met flexibele koppelingen, snaaroverbrengingen en direct drive. Traploos instelbaar (op basis van slip). Lage installatie /bekabelingskosten in vergelijking met frequentieregelaar. Geen noodzaak om voorzieningen te treffen om netverstoringen te corrigeren (door harmonische en cos phi). 1 In deze notitie verwijst dit naar het type een traploos regelbaar toerental, tenzij anders aangegeven. 2 Voor een 100 kw pompaandrijving betekent dit 3 kw verlies bij 2 3% slip en 12,5 kw verlies bij 50% slip, zie tabel B2. 3 Opgave fabrikant MK 3
2. Energieverliezen en besparingen In dit rekenvoorbeeld wordt een frequentiegeregelde pomptoepassing van een 100 kw 4 (motor + pomp + FR) vergeleken met een door een magneetkoppeling geregelde pomptoepassing. De pomp wordt geregeld van 5% tot 50% flowreductie (toerental), middels de frequentieregelaar, en bij de magneetkoppeling door de slip te vergroten. De verliezen (in kw asvermogen) zijn als volgt zie ook tabel 1, regels B2 en C2, en figuur 2: Bij de magneetkoppeling bedragen de verliezen door slip tussen de 5% tot 15% van het nominale vermogen: van 4,5 kw bij 5% slip tot maximaal 14,7 kw bij 30% slip, om bij meer slip weer af te nemen tot 12,5 kw bij 50% slip. Bij de frequentieregelaar liggen de verliezen tussen de 6% tot 14% van het opgenomen vermogen en bedraagt resp. 6,2 kw bij 5% en 2,4 kw bij 50% toerenreductie. Het motorrendement daalt met 2% 3% bij 50% deellastbedrijf (zowel bij MK als bij FR), met in het geval van de combinatie met een frequentieregelaar een extra 1% 1,5% rendementsafname. De energieverliezen van de frequentieregelaar en de magneetkoppeling zijn o vergelijkbaar in het regelbereik 5% 7%: nl. 5 tot 6 kw, en o in het regelbereik >7% zijn de verliezen van de magneetkoppeling 2 kw tot 10 kw hoger dan bij de frequentieregelaar. Percentage speedreduction / slip Drive system elements 5% 10% 20% 30% 40% 50% B1. Motor shaft speed rpm 1490 1491 1493 1495 1496 1497 Motor shaft power kw 90,3 81,2 64,3 49,2 36,2 25,1 Motor efficiency % 90,4% 90,2% 90,0% 89,0% 88,0% 87,0% B2. Coupling slip speed rpm 74,5 149 299 449 598 749 Coupling slip power kw 4,5 8,1 12,9 14,7 14,5 12,5 B3. Pump shaft speed with x% slip % 95% 90% 80% 70% 60% 50% Pump mechanical power kw 86 73 51 34 22 13 C1. VFD: % speed reduction % 5% 10% 20% 30% 40% 50% VFD efficiency % 94% 93% 92% 90% 88% 86% VFD losses kw 6,2 6,2 5,1 4,4 3,4 2,4 C2. Motor shaft speed rpm 1416 1342 1194 1047 898 749 Motor shaft power kw 86 73 51 34 22 13 Motor efficiency % 88,9% 88,7% 88,5% 87,5% 86,5% 85,5% C3. Pump mechanical power kw 86 73 51 34 22 13 Tabel 1. Vermogen naar toerentalreductie / slip, voor MK en FR De verliezen worden als warmte aan de omgeving afgegeven: in de elektromotor en bij de magneetkoppeling direct in de koppeling. De verliezen van de frequentieregelaar worden direct in de regelaar zelf afgegeven; afhankelijk van de plaatsing van de frequentieregelaar, is dit ook bij de aandrijving zelf, dan wel in de kast waar de frequentieregelaar is geplaatst. Deze kast wordt extra gekoeld met omgevingslucht, met behulp van een ventilator (het energieverbruik is inbegrepen in deze berekening), en soms met gekoelde lucht (het airco /koel energieverbruik is niet inbegrepen in deze berekening). 4 Fictieve waarde, om vergelijk van overbrengingen inzichtelijk te maken. 4
Figuur 2. Opgenomen vermogen naar deellastbedrijf: smoorklep (P klep), magneetkoppeling (P MK) en frequentieregelaar (P FR) Power consumption (grid) 5% 10% 20% 30% 40% 50% a Flex coupling drive (grid) kw 105 103 99 97 96 95 b Magn. Coupling drive (grid) kw 100 90 71 55 41 29 c VFD+motor combined (grid) kw 103 89 63 44 29 17 Difference b c (PMK VFD) kw 2,8 1,4 8,3 11,5 12,6 11,8 Tabel 3. Waarden opgenomen vermogen vlgs figuur 2 Zowel met de magneetkoppeling als met de frequentieregelaar zijn grote energiebesparingen te realiseren t.o.v. de uitgangssituatie met de smoorklep (zie ook tabel B.2 in de bijlage): tussen de 5% en de 70% voor de magneetkoppeling afhankelijk van de toerentalreductie, en tussen de 2% en 82% voor de frequentieregelaar. In een onderling vergelijk blijkt de energiebesparing met de magneetkoppeling circa 77% tot 90% te bedragen van de besparing met de frequentieregelaar in het regelbereik tussen 10% en 50% toerentalreductie. Bij toerentalreducties tot circa 5 7% is de magneetkoppeling licht in het voordeel. Voor het vergelijk van de economische aspecten van de magneetkoppeling en de frequentieregelaar wordt hierna gerekend met een gemiddelde waarde van 80% energiebesparing haalbaar met de magneetkoppeling ten opzichte van de besparing met een frequentieregelaar in vergelijkbare situatie. 5
3. Economie De eenvoudige terugverdientijd () is een gangbare maat om de rentabiliteit van een investering in energiebesparing uit te drukken. De is de tijd waarin de investering zich terugbetaalt middels de besparingen op operationele kosten; veelal wordt hier vanuit gemak, eenvoud en soms ook vanwege het ontbreken van andere kostengegevens alleen met de energiekosten. Een beter beeld van de voor en nadelen van een energie efficiency investering ontstaat door met de TCO (total cost of ownership) te rekenen. Hiermee worden de kosten én besparingen over de levensduur van het apparaat meegenomen. Effecten van de investering op onderhoudskosten, stilstandstijden, tussentijdse vervanging e.d. worden in de berekening meegenomen. In de onderstaande berekeningen zijn en TCO uitgewerkt voor de verschillende situaties. Daarbij zijn de volgende drie situaties vergeleken 5 : Standaard industriële omgeving (d.w.z. niet ATEX): 1. De frequentieregelaar wordt direct op/bij de pomp gemonteerd, de totale investeringskosten bestaan uit aanschaf en installatiekosten. 2. De frequentieregelaar wordt in een aparte meterkast opgenomen, met extra kosten voor plaatsing op afstand (9eter bekabeling) en (ruimte in) meterkast. ATEX omgeving: 3. Plaatsing in een ATEX zone (e of d). De frequentieregelaar wordt bij voorkeur buiten de ATEX zone geplaatst, op een afstand van 15eter (speciale afgeschermde kabel), en er is sprake van bijkomende kosten voor onder meer hercertificering van de elektromotor (bij plaatsing bij bestaande elektromotor). Vergelijk op basis van terugverdientijd energiebesparing In de figuren 4, 6 en 8 zijn de verschillen in tussen de magneetkoppeling varianten en de frequentieregelaar voor plaatsing met en zonder additionele bekabeling en in ATEX en niet ATEX omgeving grafisch weergegeven. Op basis van de kale terugverdientijd is de frequentieregelaar in het voordeel bij plaatsing direct bij de aandrijving. Wanneer de frequentieregelaar op afstand wordt geplaatst (9eter), zijn de frequentieregelaar en permanent magneetkoppeling circa gelijk in rentabiliteit. Voor de drie varianten met additionele kosten voor bekabeling en voor de ATEX omgeving (groen, paars, rode lijn) is de magneetkoppeling in het voordeel. Standaard omgeving (niet ATEX): Bij plaatsingen op afstand (9eter) heeft de regelbare magneetkoppeling (MK variabel) circa gelijke terugverdientijden als de frequentieregelaar, en bedraagt <3 jaar bij vermogens groter dan 35 kw. Bij plaatsing zonder extra bekabeling heeft de frequentieregelaar terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 10 kw. De MK vast heeft terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 20 kw. In een ATEX omgeving bij plaatsing op afstand (15eter) is de magneetkoppeling sterk in het voordeel: De MK vast heeft terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 20 kw. De MK variabel heeft terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 30 kw. De frequentieregelaar heeft terugverdientijden van <3 jaar bij vermogens groter dan 190 kw. 5 Voor eenvoud en transparantie zijn de data (voor pompdata, energieverbruik, prijs en bedrijfstijd) uit de CE DCMR rapportage als uitgangspunt genomen. 6
Zie figuur 4 en figuur 6 (volgende bladzijde) met bijhorende tabel 5 en tabel 7 (volgende bladzijde). Figuur 4. Terugverdientijden voor FR (0 en 9eter), MK var (0, 9eter) en MK vast bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem, (zie onderstaande tabel 5 met waarden) Smoorklep Frequentieregelaar (FR) Energieverbruik met klep Energiebesparing met FR Aanschaf Prijs geinstl., Prijs geinstl., incl. 90 FR kab FR 9 kab Prijsfactor Prijsfactor 9 kw kabels m kabels Pnom Smoor kwh % kwh EUR EUR EUR jaar jaar MK vs FR MK vs FR 5,5 20% 29571 25,4 7511 1500 2.000 12.000 4,1 24,6 4,1 0,7 15,5 20% 98601 29,6 29186 2200 3.200 13.200 1,7 7,0 3,2 0,8 30 20% 196608 31,6 62128 3500 5.000 15.000 1,2 3,7 2,3 0,8 45 20% 270199 32,1 86734 4700 6.700 16.700 1,2 3,0 1,8 0,8 110 20% 648480 32,1 208162 8000 12.000 22.000 0,9 1,6 1,7 0,9 160 20% 887865 32,7 290332 11500 17.000 27.000 0,9 1,4 1,3 0,8 250 2000000 30,0 600000 27450 35.450 45.450 0,9 1,2 1,1 0,8 Magneetkoppeling Variabel (MKvar) Energiebesparinbesparing Energie Aanschaf Prijs geinstl., met MK Prijs geinstl. 9 MKvar MKvar 9 Verschil in MKvar min FR MKvar min FR 9 kw kabels kabels kabels kabels Pnom % kwh EUR EUR EUR jaar jaar jaar jaar 5,5 20% 6009 7.100 8.100 8.700 20,7 22,3 16,6 2,3 15,5 24% 23349 9.300 10.300 10.900 6,8 7,2 5,1 0,2 30 25% 49702 10.400 11.400 12.000 3,5 3,7 2,3 0,0 45 26% 69387 11.100 12.100 12.700 2,7 2,8 1,5 0,1 110 26% 166530 18.800 19.800 20.400 1,8 1,9 0,9 0,3 160 26% 232266 20.900 21.900 22.500 1,5 1,5 0,5 0,1 250 24% 480000 36.300 37.300 37.900 1,2 1,2 0,3 0,0 Tabel 5. Terugverdientijden voor FR (0 en 9eter) en MK variabel (0 en 9eter) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem 7
Figuur 6. Terugverdientijden voor FR (15eter) en MK (variabel (0 en 15eter) en MK vast bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem in ATEX omgeving (zie onderstaande tabel 7 met waarden) Smoorklep Frequentieregelaar (FR) Energieverbruik met klep Energiebesparing met FR Aanschaf Extra Prijs geinstl., Prijs geinstl., 15 FR FR 15 Prijs factor MK vs FR 15 kw kabels kabels kabels kabels Pnom Smoor kwh % kwh EUR EUR EUR EUR jaar jaar 5,5 20% 29571 25,4 7511 1500 1625 3.625 34.625 7,4 70,9 0,3 15,5 20% 98601 29,6 29186 2200 2650 5.850 36.850 3,1 19,4 0,3 30 20% 196608 31,6 62128 3500 4125 9.125 40.125 2,3 9,9 0,3 45 20% 270199 32,1 86734 4700 5525 12.225 43.225 2,2 7,7 0,3 110 20% 648480 32,1 208162 8000 10000 22.000 53.000 1,6 3,9 0,4 160 20% 887865 32,7 290332 11500 14125 31.125 62.125 1,6 3,3 0,4 250 2000000 30 600000 27450 28588 64.038 95.038 1,6 2,4 0,4 kw Magneetkoppeling Variabel (MK var) Energiebesparing Energiebesparing Aanschaf Prijs geinstl., kabels Prijs geinstl., 15 kabels MKvar kabels MKvar 15 kabels Verschil in : MK min FR 15 Pnom % kwh EUR EUR EUR jaar jaar [jaar] 5,5 20% 6009 7.100 8.100 9.100 20,7 23,3 47,6 15,5 24% 23349 9.300 10.300 11.300 6,8 7,4 12,0 30 25% 49702 10.400 11.400 12.400 3,5 3,8 6,1 45 26% 69387 11.100 12.100 13.100 2,7 2,9 4,8 110 26% 166530 18.800 19.800 20.800 1,8 1,9 2,0 160 26% 232266 20.900 21.900 22.900 1,5 1,5 1,8 250 24% 480000 36.300 37.300 38.300 1,2 1,2 1,2 Tabel 7. Terugverdientijden voor FR (15eter) en MK variabel (15eter) bij vervangen van smoorklepregeling van een pompsysteem in ATEX omgeving 8
Figuur 8. Verschil in terugverdientijden van de MK variabel t.o.v. FR op basis van energiekostenbesparing Vergelijk op basis van Total Cost of Ownership (TCO) Een vergelijk van de Total Cost of Ownership (TCO) of Life Cycle Costs (LCC) van investeringen geeft volwaardiger informatie over de werkelijke (toegevoegde) waarde van een investering in apparatuur voor energiebesparing, procesverbetering. Belangrijke factoren tijdens de gebruiksfase (operating phase) zijn naast energiekosten de operationele kosten en stilstandskosten. Afhankelijk van het type aandrijfsysteem, bijvoorbeeld bij pompsystemen, kunnen de onderhoudskosten ook een factor van betekenis vormen op de TCO / LCC (zie onderstaand kader). LCC = Cic + Cin + Ce + Co + Cm + Cs + Cenv + Cd Procurement: Cic = initial capital cost (procurement cost), Cin = installation and commissioning costs Operating: Ce = energy cost, Co = operating cost, Cs = downtime and lost production costs Servicing: Cm = maintenance cost, Cenv = environmental cost Disposal: Cd = decommissioning and disposal costs One of the biggest factors in the life cycle cost formula is the energy cost. Higher Investments which bring the energy consumption down will, in many applications, have only a minor impact. Systeemgrens Bij het doorrekenen van de TCO ligt het voor de hand om alle componenten van het aandrijfsysteem mee te nemen: d.w.z. pomp, elektromotor, regelaar en toebehoren. Dit in tegenstelling tot de berekeningen hier gepresenteerde berekeningen van de terugverdientijd, waar pomp en elektromotor buiten beschouwing bleven. Een knelpunt bij TCO analyses is de beschikbaarheid van goede, betrouwbare gegevens van de kosten(verschillen) gedurende de gebruiksduur, en dan vooral de kosten voor onderhoud, down 9
time, en uitval. Zijn deze kosten inzichtelijk voor de bestaande situatie? En hoe kunnen de kwaliteiten van de alternatieven de frequentieregelaar en de magneetkoppeling hierin worden opgenomen? Bij de onderstaande berekeningen is hiertoe gewerkt met een aantal variabelen, om zo de invloed van bepaalde kosten te illustreren, en om aan te geven waar de potentiele winstpunten liggen bij de TCO van een toepassing. Energiekosten in de TCO (regelaar) In onderstaande berekeningen is gerekend met de energiekosten, onderhoudskosten en tussentijdse vervanging (van frequentieregelaar) voor een gebruiksduur van 20 jaar. Eventuele kosten door stilstand, productieverlies zijn niet meegerekend. De kosten (in % van TCO) over 20 jaar zijn voor respectievelijk Investering, Energie en Onderhoud voor de situatie Standaard eter : FR: 4% (investering), 94% (energie) en 2% (onderhoud) MKvariabel: 2% (investering), 98% (energie) en <1% (onderhoud). En voor de situatie voor ATEX 15eter zijn de percentages: FR: 9% (investering), 86% (energie) en 5% (onderhoud) MKvariabel: 2% (investering), 98% (energie) en <1% (onderhoud). Met deze kosten verhoudingen is, zie figuur 9: bij de situatie Standaard eter heeft de frequentieregelaar lagere TCO (blauwe lijn) dan de magneetkoppeling. bij de situatie 9eter (rode lijn ) heeft de magneetkoppeling tot ca. 75 kw lagere TCO dan de frequentieregelaar. bij de situatie ATEX 15eter heeft de magneetkoppeling (groene en paarse lijn) lagere TCO dan de frequentieregelaar. Figuur 9. Besparingen en Ontsparingen in TCO van de MK t.o.v. de FR met energie, onderhouds en vervangingskosten in de TCO 10
Kosten voor downtime en productieverliezen in TCO (pomp+motor+regelaar) In de volgende berekeningen zijn de kosten voor stilstand en productieverlies wél meegerekend, in aanvulling op de energiekosten, onderhoudskosten en kosten voor tussentijdse vervanging (van frequentieregelaar), én zijn er kosten meegerekend voor onderhoud/vervanging van pomp en elektromotor, voor een gebruiksduur van 20 jaar. De kosten voor stilstand/uitval zijn in dit voorbeeld geschat op 14% 18% van de TCO. Figuur 10. Besparingen en Ontsparingen in TCO van de MK t.o.v. de FR inclusief kosten voor uitval en stilstand in de TCO De totale kosten (% van TCO) over 20 jaar zijn nu voor respectievelijk investering, energie, onderhoud en stilstand/uitval voor de situatie Standaard eter : FR: 8% (investering), 66% (energie), 8% (onderhoud) en 18% (stilstand/uitval) MKvariabel: 7% (investering), 74% (energie), 7% (onderhoud) en 14% (stilstand/uitval). Met deze kostenverhoudingen biedt de MK wél lagere TCO t.o.v. de frequentieregelaar, bij alle vermogens: zie de lichte blauwe lijn in figuur 10 (TCO II), t.o.v. de donkerblauwe lijn (TCO I). 11
4. Conclusies Toerenregeling biedt een groot besparingspotentieel bij pomp en ventilatiesystemen waar opbrengstregeling wordt toegepast met smoorkleppen of bypasses (overeenkomend met regelpositie T3 in figuur 11). Dit geldt in het bijzonder voor processen met een variabele flow/vraag in de tijd, maar ook voor veel processen met een vaste gereduceerde flow/vraag in de tijd. Met het vervangen van de smoorklep of bypass door een frequentieregelaar (positie T1) of een magneetkoppeling (positie T2) wordt regeling van het juiste toerental van de pomp of ventilator mogelijk. Figuur 11. Regelposities in een aandrijving systeem Daarbij heeft de magneetkoppeling specifieke voor en nadelen ten opzichte van de frequentieregelaar, de meest gangbare toepassing voor toerenregeling. Hoe deze voors en tegens uitpakken verschilt per situatie, afhankelijk van de productieomgeving (ATEX, stof, vuil), het vermogen, de aandrijftrein, de gewenste regelbaarheid, energieprijs, bedrijfstijd, en dergelijke. In zijn algemeenheid kan worden gesteld: De magneetkoppeling is door zijn mechanische eenvoud al snel rendabel toe te passen in productieomgevingen als ATEX en omgevingen met stof, vuil, agressieve media. Een frequentieregelaar heeft in deze omgevingen veelal hogere investerings en onderhoudskosten. In alle situaties is de magneetkoppeling in het nadeel (t.o.v. de frequentieregelaar) door de hogere energieverliezen. De extra warmteproductie (in de magneetkoppeling) wordt middels convectie aan de omgeving afgegeven. In standaard productieomgevingen werkt dit nadeel van de hogere energieverliezen negatief uit voor de magneetkoppeling in vergelijking met de frequentieregelaar. Specifieke eisen/omstandigheden kunnen de magneetkoppeling een voordeel geven, bijvoorbeeld situaties waar sprake is van hoge uitval frequentie, eenvoud van bediening/vervanging. Bij de analyse dient de gehéle aandrijflijn en de precieze vraag (bv. pompkarakteristiek) te worden bekeken. De frequentieregelaar heeft unieke eigenschappen, zoals de regelbaarheid van de aandrijving: snelheid en exactheid van regelen van koppel en toeren, en een belastbaarheid van 100% en meer. De magneetkoppeling heeft unieke eigenschappen: hij heeft bij installatie een minder nauwkeurige uitlijning nodig, en geeft minder trillingen en geluid door de contactloze overbrenging. En met de mechanische eenvoud van de magneetkoppeling zijn er minder of geen (in vergelijking met een frequentieregelaar) voorzieningen nodig om de power factor in het bedrijf op een voldoende niveau te houden. 12
Bronnen Laaghangend fruit in de industrie, Energiebesparende maatregelen voor vergunningplichtige industriële bedrijven, CE Delft, februari 2014 Evaluating adjustable speed, Permanent Magnetic Coupling Drives, A.R. Budris, Waterworld.com Back to basics Pump coupling selection, A.R. Budris, Waterworld.com Variable Speed Pumping A Guide to Successful Applications, Executive Summary; US Department of Energy, Europump, Hydraulic Institute, May 2004 Permanent magnet couplings and adjustable speed drives technology, F. Holden; ME Plant & Maintenance, p. 31, 32, Issue Jan/Feb 2012 Considerations about Zytec couplings, A. Veltman, Piak Electronic Design B.V., januari 2015 Procesindustrie kan energie besparen op pompen, Utilities, april 2013 Energiebesparing, Invloed van Power Quality op energiegebruik, Dr. ir. J.F.G. (Sjef) Cobben, TU/e, 7 oktober 2010 Persoonlijke communicaties met Duursma Aandrijftechniek, WEG Nederland, Emerson Nederland, KSB Nederland, Zytec Nederland Life Cycle Costs, documentatie van Lenze en KSB Documentatiebladen van Zytec, 2014 Facts Worth Knowing about Frequency Converters, Danfoss, December 2014 Premium Efficiency Motor Selection And Application Guide, US Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, February 2014 Best Practice Efficiënte Aandrijvingen, RVO, 2014/2015 13
Bijlagen Schema B1. Variable Speed Drives Bron: Variable Speed Pumping, Executive Summary, US DOE, Hydraulic Institue, Europump, 2004. 14
Tabel B2. Vermogens naar toerentalreductie / slip, voor Smoorklep (control valve), MK (Slipkoppeling) en FR (VFD) Percentage Speed reduction / Slip percentage Drive system elements 0% 5% 10% 20% 30% 40% 50% B1. Motor shaft speed rpm 1490 1490 1491 1493 1495 1496 1497 Motor shaft torque Nm 640 579 520 411 314 231 160 Motor shaft power (Pnom = 90 kw??) kw 100 90,3 81,2 64,3 49,2 36,2 25,1 Motor efficiency % 90,4% 90,4% 90,2% 90,0% 89,0% 88,0% 87,0% B1. Slip percentage Slipkoppeling 5% 10% 20% 30% 40% 50% Coupling slip speed rpm 74,5 149 299 449 598 749 Coupling torque Nm 579 520 411 314 231 160 Coupling slip power (=to be dissipated) kw 4,5 8,1 12,9 14,7 14,5 12,5 B.2 Pump shaft speed with x% slip % 95% 90% 80% 70% 60% 50% Pump shaft speed (1:1) rpm 1416 1342 1194 1047 898 749 Pump shaft torque (decr. with square of speed) % 90,3% 81% 64% 49% 36% 25% Pump shaft torque (decr. with square of speed) Nm 579 520 411 314 231 160 Pump mechanical power (met 3e macht speed) kw 86 73 51 34 22 13 Pump flow reduction = speed red. % 5% 10% 20% 30% 40% 50% Pump pressure reduction % 10% 19% 36% 51% 64% 75% Motor energy consumption (reduction?) % C1. VFD: % speed reduction % 0% 5% 10% 20% 30% 40% 50% VFD efficiency % 94% 94% 93% 92% 90% 88% 86% VFD losses % Pnom VFD losses kw 6,4 6,2 6,2 5,1 4,4 3,4 2,4 C2. Motor shaft speed rpm 1490 1416 1342 1194 1047 898 749 Motor shaft torque Nm 640 579 520 411 314 231 160 Motor shaft power kw 100 86 73 51 34 22 13 Motor efficiency (eff4) % 88,9% 88,9% 88,7% 88,5% 87,5% 86,5% 85,5% hr/year 8.000 /kwh 0,10 Power consumption (shaft) A Flex coupling drive = full speed kw 100 B Magn. Coupling drive kw na 90 81 64 49 36 25 C VFD+motor combined kw 106 92 79 56 39 25 15 Power consumption (grid) a Flex coupling drive = full speed (grid) kw 111 b Magn. Coupling drive (grid) kw na 100 90 71 55 41 29 c VFD+motor combined (grid) kw 119 102,7 88,6 63,1 43,7 28,5 17,1 Difference Output Power Magn. Vs. Motor+VFD kw na 2,8 1,4 8,3 11,5 12,6 11,8 Energy cost a Direct drive (full speed) EUR/yr 88.496 DD with control valve (95% efficiency) EUR/yr 84.071 82.764 79.503 77.921 77.141 76.370 b Magn. Slip Coupling drive EUR/yr 79.954 72.014 57.122 44.190 32.900 23.066 savings vs control valve EUR/yr 4.117 10.750 22.381 33.731 44.241 53.304 savings vs control valve % 5% 13% 28% 43% 57% 70% c VFD+Motor combined EUR/yr 94.968 82.167 70.869 50.513 34.959 22.821 13.645 savings vs control valve EUR/yr 1.903 11.895 28.990 42.962 54.320 62.725 savings vs control valve % 2% 14% 36% 55% 70% 82% bc Slip coupling vs VFD savings: % pnts difference % points 3% 1% 8% 12% 13% 12% bc Slip coupling energy savings % of VFD savings % 216% 90% 77,2% 79% 81,4% 85% 15