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Energiebesparing met drives
Middenspanning kan een oplossing bieden
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Energie is van strategisch belang voor ieder type productie. In elk
bedrijf bestaan werkgroepen en comités die deze materie onder de loep
nemen en zoeken naar manieren om de totale energiekost te verminderen en
zo onmiddellijk efficiënter en goedkoper te produceren. Men schat dat
tussen zestig en zeventig procent van alle elektriciteitsverbruik in
industriële omgevingen wordt verbruikt door motoren. Meer dan de helft van
deze motoren worden gebruikt in pomp en/of ventilatiesystemen. Het lijkt
ons dus logisch dat in deze systemen grote energiebesparingen mogelijk
zijn.
Bedrijven die te kampen hebben met torenhoge
verbruiksfacturen kunnen best hun verbruik laten controleren, en zoeken
naar eventuele oplossingen, want door de zogenaamde piekstromen af te
vlakken kunnen uw energiefacturen drastisch beperkt worden.
Energiebesparing komt in feite neer op het tegengaan van verspilling en
het efficiënter gebruik door allerlei technische maatregelen. Eén van die
maatregelen of alternatieven is het gebruik van middenspanningsystemen.
Opkomst en aanvaarding
Tot voor kort kozen de meeste technici geconfronteerd met een hoge
vermogenstoepassing voor een aandrijfsysteem met laagspanning dat met zeer
hoge stromen werkt. Het alternatief – een aandrijving met middenspanning –
is traditioneel nooit erg aantrekkelijk geweest vanwege de vermeende hoge
aanschafkosten, de fysieke afmetingen, de noodzaak van technisch maatwerk
en hoge installatiekosten. Maar recentelijk heeft de
middenspanningsaandrijving, in het bijzonder de PowerFlex 7000-serie van
Rockwell Automation, dit imago afgeworpen en het biedt nu een echt
alternatief voor laagspanningsaandrijvingen. Bart Van De Velde, Field
Business Manager Benelux-Power Solutions van Rockwell Automation, legt
uit: “Er zijn verschillende redenen voor de verhoogde belangstelling in
middenspanningsaandrijvingen. Deze redenen omvatten onder meer: een ruimer
aanbod – de klant/gebruiker kan kiezen uit verschillende systemen –,
vooruitgang op het gebied van hoog vermogen semiconductor switches,
verhoogde betrouwbaarheid en lagere totaalkosten van de aandrijving en
standaardisatie. De opkomst en de toegenomen aanvaarding van
middenspanningsaandrijvingen impliceert niet dat zij de oplossing zijn
voor iedere hoogvermogen toepassing. Geen twee toepassingen zijn gelijk en
daarom is in gevallen met meer dan één mogelijke oplossing (laag- of
middenspanning) het uitvoeren van een analyse over de voordelen van de
twee systemen de meest kost-effectieve strategie. Dit kan echter problemen
opleveren als het gaat om producten van verschillende fabrikanten maar
omdat wij met de Powerflex-serie oplossingen kunnen bieden over het hele
vermogensbereik – bij laagspanning tot 690V en 1.500 kW en bij
middenspanning tot 6.600 V en 25MW – is een effectieve vergelijking
mogelijk. Door gebruik te maken van onze middenspanningsdrives kon Fluxys
LNG, 37 procent energie besparing bereiken op het verbruik van zijn hoge
druk compressoren. De installatiekosten werden tot een minimum herleid
door het hergebruik van de bestaande motor, bekabeling en installatie en
het vermijden van dure transformatoren”.
Direct-to-drive technologie
De kwaliteit en beschikbaarheid van elektrische energie is in de
hedendaagse industrie van vitaal belang. Om die kwaliteit te garanderen,
dienen de componenten die worden toegepast in onze elektrische
infrastructuur, absoluut betrouwbaar te zijn. Bart Van De Velde:
“Middenspanningsaandrijvingen zijn niet goedkoop. Normaal gesproken kosten
een laagspanningsaandrijving op wisselstroom en een
uitgangs-scheidingstransformator (step-up) niet meer dan 50 tot 75% van
wat een AC middenspanningsaandrijving kost. Naast kosten voor de
apparatuur moeten de kosten voor bekabeling van de twee mogelijke systemen
beschouwd worden. De kabels en installatie voor hoogvermogende
laagspanningsaandrijvingen zijn duur. Bovendien is bij
laagspanningssystemen altijd een transformator vereist met als gevolg
extra kosten voor de bedrading tussen transformator en aandrijving. Deze
aandrijvingen vereisen ook afgeschermde EMC-kabels, wat erg duur is.
Daarentegen zijn de kosten voor middenspanningssystemen veel lager,
voornamelijk omdat zij minder stroom overbrengen plus het feit dat er met
de PowerFlex7000 Direct-To-Drive geen afgeschermde EMC-kabels nodig zijn.
Daarnaast wordt alles nog goedkoper als u een middenspanningsaandrijving
PowerFlex 7000 gebruikt, omdat er geen transformator nodig is (technologie
Direct-To-Drive) waardoor men eveneens bespaart op bedrading en een minder
complex systeem. De ‘transformatorloze’ Direct-To-Drive technologie is ook
effectiever dan bij transformatoren voor laagspanningssystemen als het
gaat over het onderdrukken van harmonischen. Direct-To-Drive geeft ons
systeem een zeer compacte actieve gelijkrichter die harmonischen
onderdrukt door actieve schakeling en selectieve eliminatie van de
harmonischen. De effectiviteit van deze technologie is beter voor
common-mode voltage onderdrukking, maar omdat er geen
scheidingstransformator of beveiligingsrelais nodig zijn, biedt dit
gebruikers het aanzienlijke voordeel van lagere kosten voor apparatuur en
bekabeling, goedkopere installatie en ruimtebesparing. De ruimtebesparende
Direct-To-Drive technologie heeft ook gevolgen voor twee andere gebieden
waar een rechtstreekse vergelijking tussen laag- en
middenspanningsaandrijvingen meestal essentieel is. Hun relatieve
afmetingen en gewicht. In algemene termen: een laagspanningssysteem dat
als één geheel wordt geleverd is absoluut kleiner en lichter dan een
middenspanningssysteem gebaseerd op conventionele architectuur. Echter,
dat verschil tussen de systemen is veel kleiner met de Direct-To-Drive
technologie.”
Service en onderhoud
Middenspanningstoepassingen worden traditioneel gezien als complex,
terwijl de meeste onderhoudsmensen vertrouwd zijn met
laagspanningsaandrijvingen op wisselstroom. Bart Van De Velde: “In het
verleden waren op maat gemaakte middenspanningsproducten minder praktisch
en zeer gespecialiseerd. Echter, de toename van modulaire
middenspanningssystemen, heeft de structuur ervan vereenvoudigd, waardoor
ze steeds vaker worden ingezet en de toepassing ervan even goed begrepen
wordt als in het geval van laagspanningsaandrijvingen.
Een andere belangrijke factor is communicatie. Laagspanningsaandrijvingen
worden gewoonlijk geassocieerd met communicatie-interfaces, die netwerken
in fabrieken mogelijk maken. Echter hier hebben de laag- en
middenspanningsaandrijvingen van PowerFlex echter het voortouw genomen
door dezelfde communicatie-opties te bieden en daarnaast dezelfde
programmeer- en software-instrumenten te gebruiken”. <<
Kader:
De toepassing van frequentieregelaars levert directe energiewinst op
Pompen en ventilatoren komen in elk bedrijf in grote mate voor (+/- 55
procent van het totale motor verbruik). Deze applicaties kunnen wellicht
de grootste energiewinst opleveren wanneer het proces niet de volledige
honderd procent debiet of druk nodig heeft. Dit gaat op voor zowal alle
pomp- en ventilatortoepassingen in ieder bedrijf.
Toch wordt nog een groot gedeelte van al deze motoren op het volledige
motorvermogen gestart en blijven hierop ook verder draaien. Daar
centrifugale systemen meestal een zeer variabel verbruik hebben, kan dit
perfect worden geregeld door toepassing van een frequentieregelaar op de
aandrijfmotor. Deze hebben ten opzichte van mechanische regelsystemen
(geïnstalleerd voor of na de pomp/ventilator/compressor) als voordeel dat
ze bij het verminderen van de druk of toevoer, de snelheid van de motor
verlagen en zo energie besparen. De energiebesparing in procenten
uitgedrukt, is gelijk aan deze van de snelheidsvermindering tot de derde
macht. Wat dus al snel leidt tot substantiële besparingen. Daar bovenop
zal het gecontroleerd starten en stoppen van deze systemen ook de
mechanische stress die een dergelijke start met zich meebrengt op de
pompen, ventilatoren, kleppen, pijpleidingen, … sterk verminderen en hun
levensduur en efficiëntie verhogen, wat opnieuw een bijkomende
kostenbesparing met zich meebrengt. Volgens Bart Van De Velde is het
PowerFlex gamma hiervoor een perfecte match en heeft een breed scala aan
mogelijkheden ingebouwd die het sturen van deze applicaties snel en
eenvoudig maakt. Met een vermogenbereik van 0,2 KW tot 25 MW, bij
spanningen van 110V tot 6.600V, een eenvoudig bedieningspaneel en
uitgebreide en flexibele open netwerk adapters kunnen ze elke applicatie
feilloos aansturen. «
Economies d’énergie avec des drives
La tension moyenne peut offrir une solution
L’énergie est d’une importance stratégique pour tout type de production.
Dans chaque entreprise, des groupes de travail et des comités examinent de
près la question pour dégager des méthodes destinées à réduire la facture
énergétique et pouvoir produire immédiatement de manière plus efficiente
et à moindres coûts. On estime que 60 à 70 % de l’électricité consommée
par des installations industrielles sont destinés à des moteurs. Plus de
la moitié de ces moteurs sont employés dans des systèmes de pompage et/ou
de ventilation. Il nous paraît donc logique que d’importantes économies
d’énergie soient possibles dans ces systèmes. Les
entreprises confrontées à des factures énergétiques très salées feraient
mieux de contrôler leur consommation et de chercher d’éventuelles
solutions. En lissant en effet leurs pics de consommation, elles peuvent
déjà réduire sensiblement ces frais énergétiques. Mais quand on parle
d’économies d’énergie, il s’agit plutôt d’éliminer les gaspillages et de
mettre en œuvre une série de mesures techniques visant à rendre la
consommation plus efficiente. Une de ces mesures ou alternatives est de
recourir aux systèmes à moyenne tension.
Montée en puissance et acceptation
Jusqu’à récemment, la plupart des techniciens confrontés à une
application de grande puissance optaient pour un système de propulsion à
basse tension opérant avec des courants très élevés. La solution
alternative – une propulsion à moyenne tension – n’a jamais été très
attrayante compte tenu de ses supposés coûts d’acquisition élevés, de ses
dimensions physiques, de la nécessité de faire du sur-mesure sur le plan
technique et de ses frais d’installation non négligeables. Mais, depuis
peu, la propulsion à moyenne tension, en particulier la série PowerFlex
7000 de Rockwell Automation, a battu en brèche cette image négative et
offre à présent une véritable alternative pour les propulsions à basse
tension. Bart Van De Velde, Field Business Manager Benelux-Power Solutions
de Rockwell Automation, nous l’explique : « L’intérêt croissant à l’égard
des propulsions à basse tension a plusieurs origines, notamment : une
offre plus étendue – le client/utilisateur peut choisir parmi différents
systèmes –, les progrès dans le domaine des switches des semi-conducteurs
de grande puissance, une fiabilité plus élevée et des coûts totaux plus
bas de la propulsion, et enfin, la standardisation. La montée en puissance
et l’acceptation croissante des systèmes de propulsion à moyenne tension
ne signifient cependant pas qu’ils sont la solution pour toute application
de grande puissance. Il n’y a pas deux applications identiques : dans
certains cas, lorsque plusieurs solutions sont possibles (basse ou moyenne
tension), la stratégie la plus rentable consiste à effectuer une analyse
des avantages respectifs des deux systèmes. Ce n’est pas cependant sans
poser quelques problèmes s’il s’agit de produits de fabricants différents.
Mais comme nous proposons des solutions, avec notre série PowerFlex, pour
l’ensemble de la plage de puissance – en basse tension jusqu’à 690 V et 1
500 kW et en moyenne tension jusqu’à 6 600 V et 25 MW –, une comparaison
efficace est possible. En utilisant nos drives de moyenne tension, Fluxys
LNG a pu réaliser 37 % d’économie d’énergie sur la consommation de ses
compresseurs à haute pression. Les frais d’installation ont été réduits au
minium en réutilisant le moteur, le câblage et l’installation existants et
en évitant de coûteux transformateurs ».
Technologie direct-to-drive
La qualité et la disponibilité de l’énergie électrique sont d’une
importance vitale dans l’industrie d’aujourd’hui. Pour pouvoir garantir
cette qualité, les composants intégrés dans notre infrastructure
électrique doivent être totalement fiables. Bart Van De Velde : « Les
propulsions à moyenne tension ne sont pas bon marché. Normalement, une
propulsion à basse tension sur courant alternatif et un transformateur
d’isolation et de sortie (step-up) ne coûtent pas plus de 50 à 75% du prix
d’une propulsion à moyenne tension AC. Mais, en plus des coûts de
l’appareil, les frais de câblage des deux systèmes possibles doivent
également être considérés. Les câbles et l’installation de propulsions à
basse tension de grande puissance sont onéreux. En outre, pour les
systèmes à basse tension, il faut toujours disposer d’un transformateur,
ce qui signifie des frais supplémentaires pour le câblage entre le
transformateur et la propulsion. Ces propulsions exigent également des
câbles EMC protégés, qui sont également très chers. En revanche, les frais
pour les systèmes à moyenne tension sont beaucoup plus bas, principalement
parce que ceux-ci transportent moins de courant électrique. S’y ajoute le
fait que la PowerFlex 7000 Direct-To-Drive ne demande pas de câbles
protégés EMC. Par ailleurs, le recours à une propulsion à moyenne tension
PowerFlex 7000 revient moins cher dans la mesure un transformateur n’est
pas nécessaire (grâce à la technologie Direct-To-Drive), ce qui permet
également d’économiser des frais de câblage et de gérer un système moins
complexe. La technologie Direct-To-Drive « sans transformateur » est
également plus efficace que les systèmes à basse tension avec
transformateurs quand il s’agit de réduire les harmoniques.
Direct-To-Drive procure à notre système un égaliseur compact très actif
qui réduit les harmoniques grâce à une transmission active et à une
élimination sélective de ces harmoniques. L’efficacité de cette
technologie est particulièrement élevée pour une réjection voltage en mode
commun mais, parce qu’il ne faut pas de transformateur d’isolation ou de
relais de sécurité, elle offre aussi aux utilisateurs l’avantage
considérable de s’accompagner de coûts très bas en matière d’appareillage
et de câblage, d’installation et d’occupation d’espace. Le fait que cette
technologie exige un espace moins grand a également des conséquences
positives dans deux domaines où il faut vraiment comparer directement les
propulsions à basse et moyenne tension : leurs dimensions et leur poids.
En règle générale, un système à basse tension, qui est livré comme un
tout, est plus petit et plus léger en valeur absolue qu’un système à
moyenne tension fondé sur une architecture traditionnelle. Mais cette
différence s’atténue fortement avec la technologie Direct-To-Drive. »
Service et entretien
Les applications à moyenne tension sont traditionnellement considérées
comme des applications complexes, la plupart des techniciens de
maintenance étant davantage familiarisés avec les propulsions à basse
tension sur courant alternatif. Bart Van De Velde : « Dans le passé, les
produits de moyenne tension réalisés sur mesure étaient très spécialisés
et donc moins pratiques. Cependant, avec l’arrivée des systèmes à moyenne
tension modulaires, leur structure s’est simplifiée, ce qui a favorisé
leur propagation et leur compréhension dans l’industrie. Aujourd’hui, il
n’y a plus de différence notable sur ce plan avec les propulsions à basse
tension.
Autre facteur important : la communication. Les propulsions à basse
tension sont habituellement associées à des interfaces de communication,
qui permettent de concevoir des réseaux dans les usines. A cet égard, les
propulsions à basse et moyenne tension de PowerFlex sont vraiment à la
pointe du progrès en proposant les mêmes options de communication et
également les mêmes logiciels et outils de programmation ». <<
Encadré:
Avec des régulateurs de fréquence, on génère un gain énergétique direct
Les pompes et les ventilateurs sont, dans chaque entreprise, de gros
consommateurs d’énergie (± 55 % de la consommation totale des moteurs).
Ces applications peuvent vraisemblablement fournir les économies d’énergie
les plus importantes si le processus n’exige pas un débit ou une pression
à 100 %. Cela vaut pour toutes les applications de pompage et de
ventilation dans chaque entreprise.
Et pourtant, ces moteurs, pour une grande partie d’entre eux, sont encore
démarrés à pleine puissance et continuent ensuite à tourner à ce niveau.
Dans la mesure où les systèmes centrifuges présentent la plupart du temps
une consommation très variable, on peut parfaitement la régler en
installant un régulateur de fréquence sur le moteur. Par rapport aux
systèmes de réglage mécanique (installés avant ou après la pompe/le
ventilateur/le compresseur), ce régulateur a l’avantage de diminuer la
vitesse du moteur en cas de baisse de la pression ou de l’alimentation, et
ainsi d’économiser l’énergie. Les économies d’énergie, exprimées en
pourcentage, sont égales à celles d’une réduction de la vitesse au
troisième rapport. Ce qui peut donc conduire à de substantielles
économies. En plus de cela, le fait de démarrer et d’arrêter ces systèmes
de manière contrôlée réduit aussi considérablement le stress mécanique que
subissent les pompes, les ventilateurs, les soupapes, les conduites, etc.,
et augmente ainsi leur durée de vie et leur efficience, ce qui permet à
nouveau de réaliser des économies supplémentaires. Selon Bart Van De
Velde, la gamme PowerFlex a totalement intégré cette avancée : elle
comprend un large éventail de possibilités qui permettent de faire tourner
ces applications simplement et rapidement. Avec une portée de puissance de
0,2 KW jusqu’à 25 MW pour des tensions de 110 V à 6 600 V, un panneau de
commandes simple et un réseau ouvert, flexible et étendu d’adaptateurs,
toutes les applications tournent sans aucun problème. »
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