Frekvensregulering

I fanerne der omhandler pumper og drift af disse, er det beskrevet, at der kan spares energi ved at regulere kapaciteten på pumperne, og at dette kan gøres med en frekvensomformer. I denne fane besvares mange af de spørgsmål, der opstår, når det skal besluttes, om der skal investeres i frekvensomformere.

Hvilke pumper kan det betale sig at regulere?

Det koster penge at installere en frekvensomformer, og selv om energiforbruget kan nedsættes meget, skal investeringen stå i rimeligt forhold til besparelsen. Pumpen skal derfor have et vist energiforbrug, før det kan betale sig at investere i en frekvensomformer. Hvis der kan spares 40 % energi ved at frekvensregulere en pumpe med et årligt energiforbrug på 3000 kWh (2000 kr.), svarer det til en årlig besparelse på 800 kr.

 
Start derfor med at udvælge alle de pumpeanlæg, der har et årligt elforbrug over 10.000 kWh, og gå så videre med dem. Du skal også sikre dig, at pumpemotorerne rent faktisk kan frekvensreguleres (nogle ældre motorer kan ikke). Det ved din rådgiver eller pumpeleverandør.

 

Især for centrifugalpumper er der energi at spare, hvis motoren løber med en hastighed, som svarer til behovet på ethvert givet tidspunkt. Her falder den forbrugte energi med omdrejningstallet i tredje potens. Det vil sige, at et drev som kører med halvt omdrejningstal, kun bruger ca. 1/8 af den nominelle effekt.

Energibesparelsen ved at frekvensregulere pumperne opnås også, fordi modtrykket sænkes, når hastigheden sættes ned. Det er imidlertid kun den del af modtrykket, der stammer fra vandets ”friktion” (ledningstabet), der kan gøres mindre på denne måde. Selve det modtryk der er, fordi vandet skal løftes ”op ad bakke” = (det geometriske modtryk), kan der aldrig ændres på.

Priser på frekvensomformere

Prisen på de forskellige fabrikater af frekvensomformere svinger, ligesom på alle andre komponenter efter kvalitet og funktion samt hvilke rabatter der kan forhandles hjem. Et realistisk bud på prisen for en gennemsnitsfrekvensomformer er tegnet ind i figuren nedenfor.

Find ud af hvor stor pumpemotoren er og sæt denne størrelse ind på kurven. Herefter kan man aflæse en overslagspris på den venstre akse.

Ud over udgifterne til selve frekvensomformeren skal der også indregnes omkostninger til installation, programmering af frekvensomformer og pumpe-styring. Disse udgifter kan svinge meget afhængig af, hvordan den nuværende installation ser ud, og hvilke faciliteter der ønskes indbygget i styrings-systemet. Det kan også være, at der er andre ting i installationen, der skal ændres samtidig.

På mange udpumpningsanlæg sidder der allerede frekvensomformere, der kun fungerer som softstartere. De sparer ikke energi. Ved at foretage få ændringer i frekvensomformerens opsætning og pumpestyring, kan disse frekvensomformere ofte formindske energiforbruget betragteligt, og ændringerne kan foretages for få penge, da de allerede er installeret.

Kan man altid spare energi ved at frekvensregulere?

Nej, der er pumpeanlæg, der vil bruge mere energi, hvis de reguleres. Når en motor frekvensreguleres, ændres dens omdrejningstal og dermed dens kapacitet proportionalt. Det vil sige, at hvis frekvensen halveres fra 50 til 25 Hz, halveres omdrejningerne og flowet også.

Hvis de installerede pumper er valgt, så de kører ved deres bedste nominelle omdrejningstal, og omdrejningerne på pumpen reguleres ned, bliver virkningsgraden på pumpen dårligere, og det specifikke energiforbrug stiger. Årsagen til, at der kan spares energi ved at reducere omdrejningsantallet er, at vandets hastighed i trykledningen sænkes, hvorved ”friktionstabet” reduceres, og der skal bruges mindre energi til at presse vandet igennem. Denne besparelse overstiger i de fleste tilfælde den dårligere virkningsgrad, og der opstår en nettobesparelse.

Hvis hovedparten af det totale modtryk [Htot] stammer fra det geometriske modtryk [Hgeo], er der ikke den store besparelse at hente ved at nedsætte hastigheden (og dermed det dynamiske modtryk [Hdyn]). Her vil pumpens dårligere virkningsgrad indvirke meget mere på det specifikke energiforbrug. I nogle tilfælde vil det specifikke energiforbrug stige med det samme, hvis blot frekvensen blev sænket med 1 Hz.

På figuren herunder kan du se ændringen i det specifikke energiforbrug på et pumpeanlæg med en lang flad trykledning (meget ledningstab). Frekvensen reguleres ned fra 50 til 30 Hz. Ved ca. 38 Hz begynder forringelsen af pumpens virkningsgrad at overstige besparelsen ved at nedsætte hastigheden, og det specifikke energiforbrug begynder at stige. Ved denne frekvens kører pumpen med lavest specifikke energiforbrug. Det er den energioptimale frekvens.

 

Pumpeleverandøren kan ofte lave denne figur for den enkelte pumpe ud fra teoretiske beregninger. Det er dog meget vigtigt, at kurven også bliver lavet ud fra målinger foretaget på pumpeanlægget. Der kan være forhold i virke-ligheden, som pumpeleverandøren ikke har mulighed for at medtage i beregningerne.

Eksempel på specifikt energiforbrug ved forskellige frekvenser

Andre gode grunde til at frekvensregulere udpumpningsanlæg

Det er ikke alle pumpeanlæg, der kan spare nok energi ved at nedsætte hastigheden til, at investeringen kan tjene sig hjem indenfor rimelig tid. Alligevel kan der være andre gode grunde til at installere en frekvensomformer.

Længere levetid

Når omdrejningerne falder, skal pumpen køre længere tid for at flytte tilstrækkelige mængder vand. Herved reduceres antallet af pumpestarter og -stop. Starter koster energi og slider på viklingerne i pumpemotoren samt på komponenterne i eltavlen.

Opbygning af tryk i trykledningen samt trykstød ved pumpestop udmatter materialet i ledningen. Med en frekvensomformer er det muligt at starte og stoppe pumperne over længere tid f.eks. 30-120 sekunder. De ”blide” op- og nedramninger af hastigheden kan reducere (eller helt fjerne) skadelige trykstød og dermed forlænge trykledningens levetid. Dette betyder igen, at det er muligt at fjerne eventuelle hydroforer, der er koblet på pumpesystemet for at optage trykstødene.

Det mekaniske slid på pumpehjul, lejer og akseltætninger aftager eksponentielt ved hastighedsreduktion. Derfor slides pumpen ikke mere af at køre i længere tid ved lavere hastighed - tværtimod.

Erstatter softstarter

Ved pumpestart kan omdrejningstallet øges over en lang periode, hvorved el-nettet og hele installationen belastes mindre. Det har samme funktion som en softstarter - bare bedre. Ved montering eller udskiftning af softstarter bør det derfor altid overvejes, om installation af en frekvensomformer vil være en bedre løsning.

Større pumpekapacitet

Med frekvensomformerdrift er der mulighed for at køre oversynkron drift, det vil sige mere end 50 Hz, hvorved pumpehastigheden - og dermed kapaciteten - øges. Oversynkron drift medfører dog et meget større energiforbrug og slid end ved normaldrift. Derfor bør oversynkron drift ikke benyttes som en permanent løsning til underdimensionerede stationer.

Hvilke ulemper kan der være ved frekvensomformerdrift?

Anskaffelses- og installationsomkostninger

Som tommelfingerregel koster frekvensomformere 1.500 kr./kW for 5-10 kW og 1.000 kr./kW for omformere > 30 kW. Installationsomkostninger er vanskeligere at opgøre, da det kommer an på, hvilken styring der i øjeblikket er på pumpeanlægget, og hvilke faciliteter der ønskes for frekvensomformerdriften.

Levetid

En frekvensomformer har som alle andre elektriske komponenter en levetid, hvorefter den skal udskiftes. Leverandøren kan oplyse om levetiden på det enkelte fabrikat, men den vil typisk ligge imellem 10 og 20 år.

Akustisk støj

Når frekvensomformere installeres på ældre pumpemotorer, kan disse udsende en del akustisk støj. Specielt når de kører med lave frekvenser, kan der forekomme en hylen.

Elektrisk støj

Hvis der ikke tages de nødvendige forholdsregler, kan der udsendes elektromagnetisk støj fra frekvensomformerne og motorkabler, som kan genere andre elektroniske komponenter i nærheden.

Valg af forkert frekvensomformer

Det er væsentligt, at de valgte frekvensomformere kan levere et tilstrækkeligt start/løsrivelsesmoment til at skubbe pumpen i gang. Hvis der vælges frekvensomformere med for lavt startmoment, kan pumpen ikke starte.

Vejledning af driftspersonale

Ved installation af frekvensomformer vil det være nødvendigt at ændre styringsproceduren for pumpedriften. Det betyder, at der vil være en indkøringsperiode, før den optimale drift er nået. Endvidere bør driftspersonalet vejledes til at anvende de muligheder, der ligger i reguleret drift, samt hvilke faldgrupper der er. Hvis et transportsystem med frekvensomformer ikke reguleres korrekt, kan det betyde et større energiforbrug end ved ureguleret drift. Det kræver derfor en skærpet opmærksomhed i den første tid, hvor driftspersonalet skal forholde sig til de driftsdata, der kommer ind i det centrale overvågningsanlæg.

Elektrisk støj (EMC)

Frekvensomformere frembringer elektromagnetisk støj (EMC) i større eller mindre grad, som kan være til gene for forskellige elektroniske apparater (radio, TV, mobiltelefoner, måleudstyr m.v.). Det vil sige, at den kan genere både selve pumpestyringen såvel som eventuelle naboers fjernsynssignal, hvis der ikke tages forholdsregler imod den.

Det er først og fremmest motorkablet med den frekvensregulerede strøm imellem frekvensomformer og pumpemotor, der virker som antenne for denne støj. Ifølge EMC-direktivet (som pumpeanlæg er underlagt), må maksimumniveauet for elektromagnetiske forstyrrelser, der frembringes af apparater, ikke være højere end at det ikke generer anvendelsen af andet elektronisk udstyr. Til direktivet er der knyttet nogle standarder, der sætter mere eksakte værdier for støjudsendelsen.

For at undgå udsendelse af elektromagnetisk støj til omgivelserne skal frekvensomformer-fabrikantens anbefalinger altid overholdes. Sædvanligvis skal der være et (ubrudt) skærmet kabel imellem frekvensomformer og pumpemotor. Hvis der ønskes afbryder eller adskillelsesmulighed (CEE-stik) på kablet, skal der drages omsorg for støj. (Dette kan være relevant, hvis der er krav om at kunne sikkerhedsafbryde i umiddelbar nærhed af pumpen). Endvidere bør alle analoge signalkabler skærmes.

Valg af frekvensomformer

Det er ikke kun prisen, der er afgørende for, hvilken frekvensomformer der skal vælges. Det er også:

Størrelsen (elektrisk og fysisk), løsrivelsesmoment og momenttype (variabelt eller konstant).

Man skal derfor opgive til leverandøren, hvilken pumpestørrelse der skal reguleres. Mærkeeffekten (kW) og mærkestrømmen (A) står på pumpens mærkeplade eller kan oplyses af pumpeleverandøren. Frekvensomformerens fysiske størrelse og kapslingsklasse har indflydelse på, hvorvidt den kan installeres i den eksisterende tavle eller skal flyttes udenfor.

Antal frekvensomformere

Det anbefales, at der installeres en frekvensomformer til hver pumpe. Dels giver det større driftssikkerhed, at alle pumper ikke drives af den samme reguleringsenhed, dels giver det en mere enkel (og dermed billigere) installation. Selv om det selvfølgelig koster en frekvensomformer mere, kan de mindre installationsomkostninger ofte betyde, at det i den sidste ende også er den økonomisk bedste løsning.

I pumpeanlæg, hvor der ikke kan/skal køre mere end én pumpe ad gangen (ingen samdrift), vil én omformer i nogle tilfælde være tilstrækkelig. Da frekvensomformeren kun har én udgang til forsyning af pumperne, skal forsyningskablet mellem frekvensomformer og motor opsplittes i et sæt kontakter, der styres fra pumpestyringsenheden. Det vil sige, at pumpestyringsenheden giver signal til kontaktorerne om, hvilken af pumperne der skal forsynes med strøm (visse frekvensomformere har også denne facilitet til at styre signalet til kontakterne). Sørg for at kontaktorerne som jo fører frekvensomformet strøm er skærmet af med hensyn til elektromagnetisk støj. Løsningen med 2 frekvensomformere vil give en forbedret driftssikkerhed.